上海地铁三菱盾构再制造技术研究

史海舟（上海地铁盾构设备工程有限公司，上海 200031)

为了满足地铁建设的需要，通过采用再制造技术，利用原盾构结构件和零部件，使其恢复性能和指标，达到节约成本、循环利用的目的。本文主要介绍了上海地铁盾构设备工程有限公司对原Φ6 340mm三菱盾构进行再制造，通过再制造达到原盾构的主要技术性能，从而满足上海轨道交通区间隧道的各项施工条件。

1 三菱盾构再制造关键技术

结合上海地铁施工要求，针对三菱盾构的刀盘结构、刀盘驱动、盾构切口环、管片拼装机、螺旋输送机等多个方面提出再制造盾构技术规格，通过研究利用部件检测和改造技术，开展系统匹配设计，达到利用资源、节能减排、降低建设投资的目标。

盾构在施工过程中会遇到各种不同地层，作为关键部位的刀盘的性能直接关系到隧道施工的成败、开挖效率以及盾构使用寿命。为了提高刀盘表面的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温和抗疲劳等性能，可以运用表面工程技术和激光再制造技术。同时为了判断机械零部件的缺陷情况，可以运用超声波探伤技术来确定该零部件的实际状况，确定具体再制造方案。

1.1 表面工程技术

通过传统电镀、热喷涂或电喷涂工艺技术实现零件关键工作面的细微尺寸、粗糙度、硬度等性能的改进。其中热喷涂技术具有附着力强、涂层厚度便于控制、在盾构机土沙密封摩擦面的修复中具有较大应用前景。

1.2 超声波探伤

超声探伤对于盾构关键结构件本体、透焊的连接焊缝质量缺陷都有较高的识别率。因此，在新制结构件和再制造结构件质量控制中得到广泛应用。

1.3 激光熔覆技术

激光熔覆技术能够形成优于基体材料性能的熔敷层。采用激光显微仿形熔覆技术修复和强化零件表面，能赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳等性能。这种技术可以应用于盾构的刀盘、螺旋机系统的再制造之中。

2 三菱盾构再制造技术研究

2.1 刀盘及刀盘驱动再制造

刀盘的再制造技术是盾构再制造的重点和难点。刀盘在盾构推进过程中容易发生变形、开裂、磨损等问题，刀盘外形轮廓的几何形状难以维持，修复难度较大。三菱盾构刀盘及刀具示意图见图 1。

图1 三菱盾构刀盘

刀盘的再制造，首先采用超声波探伤对结构焊缝与应力集中点进行检查，确保无内在隐患；同时，刀盘的开挖直径从Φ6 340mm扩大到Φ6 750 mm，经设计校核，采取了箱体外接，新做盘缘结构，把刀盘开口率控制在 40% 左右，对刀具进行了重新布置。

刀盘驱动系统主要由回转轴承、驱动变速箱、驱动马达等组成。其中回转轴承价格昂贵且主要依靠进口，但该部件设计余量较大。

对盾构回转轴承的三维检测是通过激光跟踪仪来实现的。激光跟踪仪通过静态测量和动态测量相结合来获得所测面的偏差（如图 2），通过适当的数学模型分析计算得出相关面的平面度、圆柱度、垂直度、平行度等数值，最终得到盾构回转轴承的三维检测数据。

图2 外圈反推力滚道面测量点偏差

根据盾构回转轴承的三维检测结果，结合超声波探伤、着色探伤以及表面硬度检测，对回转轴承各零部件进行表面处理、更换密封件。

2.2 盾构切口环再制造

受隧道外径的放大，在考虑切口环结构时需研究与原利用部件的接口设计。利用原盾构刀盘回转轴承和刀盘驱动组再制造盾构切口环组件主要有以下 3 种方案：

（1）仅利用原刀盘回转轴承和 6 个驱动组，刀盘驱动箱、切口环等全部结构件重新设计制造。

（2）利用原刀盘驱动总成，将刀盘驱动箱体连同回转轴承、刀盘驱动组整体从切口环上分离出来，经检测、修复后安装到与之匹配的新制盾构切口环上。

（3）将原盾构机切口环整体经检测、评估、维修后，通过环向包覆新制圆弧钢板外壳、焊接、机加工等工艺，整体再制造成新盾构切口环组件。

3 种盾构切口环组件再制造方案效果比较见表 1。

表1 3种盾构切口环组件再制造方案效果比较

经分析比较，由表 1 可知，三菱盾构切口环再制造优选方案选方案 2。

为实施该方案需要对原切口环结构进行充分评估，主要分析以下关键参数：

（1）原刀盘驱动箱体结构件工作负载及继续使用风险分析。原盾构刀盘驱动箱体结构需结合工况负载和局部应力分布情况进行分析。根据三菱盾构数据采集系统历史施工数据分析发现，该盾构已完成项目实际驱动负载最大值约为设计值的 80%，平均负载约为 40%。根据负载情况对原盾构刀盘驱动箱体进行校核，较大应力点的负载均在材料许用应力以内，且有较大富余，故该结构件可以继续安全使用。

（2）原刀盘驱动箱体结构件现状评估。原刀盘驱动箱体结构件目测无明显缺陷，采用超声波探伤，未发现重大缺陷。拆卸前利用激光扫描仪对原切口环进行扫描，拟合得出原切口环外圆面三维坐标，并与中心轴线进行校核，以回转轴承安装面为基准，在刀盘驱动箱体与切口环连接位置设定基准，便于后续安装。

（3）新制切口环结构件和刀盘驱动箱体二次安装定位。根据再制造盾构设计要求和原盾构刀盘驱动箱体拆卸清理后安装面实测尺寸，制作新切口环结构件，新制切口环结构件经验收合格后，与刀盘驱动箱体依据预留定位基准进行测绘调校，最后焊接定位并检验焊缝质量。

2.3 拼装机再制造

拼装机是掘进过程中装配隧道管片的机械手。结合上海新线项目的特点，需对拼装机实施六自由度动作功能改造，增加平面回转调节功能。

2.4 螺旋输送机再制造

螺旋输送机通过调节排渣速度控制土舱及开挖面压力。由于螺杆叶片的磨损使得叶片与筒体内径间隙过大，影响出土效率；原螺杆焊接位置容易断开造成故障，需对螺旋输送机螺杆连接形式进行改造。

螺旋机螺杆的检测与修复：外形直线度应符合图纸的技术要求，叶片外圆和端面按要求堆焊耐磨层，叶片焊缝探伤。

螺旋机筒体的检测与修复：检查筒体内壁磨损情况，筒体内表面按要求堆焊硬质合金层，更换壳体法兰连接处的密封圈。

螺旋机出土闸门的检测与修复：检查出土闸门板和滑槽的平面度、平行度，双油缸控制的还需作工作的同步性检查。

3 结 语

再制造技术也称绿色再制造技术，是先进制造技术的一个重要组成部分和发展方向。盾构再制造的本质是修复，但它不是简单的维修。再制造的内核是采用制造业的模式搞维修，是一种高科技含量的修复术，而且是一种产业化的修复，因而再制造是维修发展的高级阶段，是对传统维修概念的一种提升和改写。通过对三菱盾构再制造技术开展探索和研究，形成了一套行之有效的盾构再制造技术方案，满足了上海轨道交通建设高峰期间对盾构的需求，同时积累了大量宝贵经验，为今后在基础建设行业推广绿色经济和循环经济做了有益的尝试。