上海地铁FCB盾构国产化改造
2011-01-19 18:32
上海地铁FCB盾构国产化改造
【摘 要】针对土压平衡盾构的特点,介绍了法国FCB盾构国产化改造的技术方案,以及盾构改造中的若干关键技术,分析了该盾构国产化改造的经济和社会价值。
【关键词】FCB盾构;国产化改造;关键技术;经济及社会效益
上海地铁区间隧道施工所用的7台法国FCB公司供货的直径6.34m的土压平衡盾构由于服役已有十多年,推进距离均已超过10 km,且该盾构只能满足环宽1m的管片拼装。为了迎接上海世博会前地铁区间隧道建设的高潮(据统计需近百台盾构),盾构设备的业主从2005年起对这7台FCB盾构进行国产化改造,要求新盾构达到或超过原盾构的设计标准,并对原盾构不合理、不适用的部件和系统进行改造。同时,尽可能利用库存已有的备品备件,以及能够运用于目前大量使用的环宽为1.2m的管片拼装。
1 盾构国产化改造的方案
在对这7台盾构十多年施工使用情况进行充分总结和分析的基础上,通过多次改造方案论证会讨论,最终确定了除对原刀盘驱动、拼装机、螺旋输送机及大梁等部件按原结构形式进行修复以外,对其它的部件和系统均应进行设计和改造的技术方案。具体内容如下(其中盾构机头的总体布置见图1)。
1)刀盘总成。刀盘盘体的主体结构不变;保留并修复盘体鼻部刀具,拆除其它刀具,重新布置安装120 mm宽新刀具;盘面、盘缘硬质合金层磨损区域重新加堆硬质合金。
刀盘驱动的主体结构不变;拆解人行闸和8个驱动装置,维修保养小齿轮、减速机及油马达;更换唇口密封;检查唇口密封接触面磨损情况,局部小面积磨损的金属面进行堆焊焊补,并打光磨平;更换回转支承的大齿轮,适当提高齿面硬度,以延长其疲劳寿命。
刀盘驱动外箱体:利用原切口环壳体加工而成(见图2),保留并保持其上集中润滑油脂管路及注泥(水)管路通畅。
2)推进系统。对推进千斤顶及其布置进行重新设计,每台盾构设置7个2 150 mm长行程千斤顶, 15个1 350 mm短行程千斤顶。千斤顶均布, 22个千斤顶均可单独控制伸缩,并分4个液压分区进行压力控制,其中1、2、4分区中的第7、18、22号千斤顶安装行程传感器。错缝拼装时利用特殊设计靴板,以避免千斤顶推力直接作用于管片接缝上(见图3)。
3)盾壳重新设计制造,分切口环、支承环、盾尾三部分进行,保留其内的大梁和中心横梁原部件,盾尾钢丝刷设置由2道改为3道,同步注浆点设置4位置,盾尾油脂点设置6位置12个分路。切口环、支承环及盾尾见图4。
4)拼装机。拼装机主体结构不变,采用机械限位缩短内侧平移行程55 mm,并增加配重块;对压力油箱进行改造,取消原机械活塞式变容,加装蓄能器,增加遥控功能。
5)螺旋机。螺旋机主体结构不变,重新制作进料槽。进料槽与切口环焊接成一体,闸门开度检测采用拉绳式传感器。
6)皮带机重新设计制造,采用电滚筒驱动,增加刮泥装置。
7)车架系统。保留前三节车架,增加第四节车架。
8)单、双轨梁。重新选配行走机构及电动葫芦;重新设计工字梁,但其支点布置不变;双轨梁上方加装桁架,用于液压、注浆及注泥系统的排管;增加遥控功能。
9)液压系统。引用螺旋机压力油用于同步注浆清洗切换时的液压控制;原皮带机液压系统泵及管路取消;拼装机千斤顶液压系统回路中,压力油箱安装蓄能器;其它液压系统基本保持不变。
10)集中润滑系统改为稀油润滑,更换注油脂泵,系统兼具压力和时间控制功能。
11)盾尾注油脂系统。更换盾尾注油脂泵,结合盾尾改造,设置12个分路,各分路设电动控制球阀及压力传感器,总管设压力继电保护,系统兼具压力和时间控制功能。
12)同步注浆系统。注浆管路由原6点改造为4点,增加管路清洗装置,系统具备流量及压力控制功能。
13)加泥(水)系统。使用挤压泵取代原螺杆泵,泥水箱加装立式搅拌器,系统增设专用清水水箱用于同步注浆清洗及油箱水冷却系统,并增加注泡沫接口。
14)供电及电气控制系统。高压柜、动力柜重新设计制作,并增加变压器保护装置;电气控制系统改造成为PLC控制,实现人机对话界面(触摸屏),实时采集盾构数据及远程数据传输,整合盾构姿态控制系统等。
2 改造中的关键技术
FCB盾构改造,其技术难度不亚于重新研制1台盾构,需要解决的技术难题繁多(尤其要考虑尽量利用原部件)。其中的关键技术如下。
2. 1 推进千斤顶设计
2. 1. 1 推进千斤顶行程
为保证隧道衬砌封顶块的搭接,千斤顶行程需配置长短两种规格,短行程为衬砌环宽+拼装间隙,长行程为衬砌环宽+拼装间隙+搭接距离。其中,衬砌环宽为1 200 mm,拼装间隙预留为150 mm,而1/2搭接通缝施工方式需要搭接的距离为600 mm, 1/3搭接错缝施工方式所需的搭接距离为800 mm。因此,短行程定为1 200+150=1 350mm,长行程定为1 200+150+800=2 150mm(以保证通缝和错缝均能施工)。
2. 1. 2 推进千斤顶数量
每台盾构共设置22个千斤顶,装备总推力为36 300 kN,单位面积推力为1 150 kN/m2,其中长行程千斤顶设置7个(1/3搭接错缝拼装需要7个,1/2搭接通缝衬砌需要3个),短行程千斤顶设置15个。
2. 1. 3 推进千斤顶布置
上海地铁区间隧道通常采用通缝拼装方式,因此22个千斤顶采取了圆周均布。但当遇到错缝拼装方式时,采取了衬砌接缝位置留缝的特殊设计靴板,通过留缝两侧靴板衬垫受力下不同弹性变形,可避免衬砌分块间可能因受力不均而引起的衬砌接缝破坏。
为满足1. 2 m环宽衬砌施工,推进千斤顶行程必须加长,行程加长必然增加千斤顶总长度。为了保证原刀盘总成、螺旋机、拼装机及大梁等部件之间相互位置不变的要求,大胆将长行程千斤顶反力座安装位置延伸至切口环内,从而解决了盾构总体布置的一个难题。
2. 2 盾壳设计
盾壳结构设计关系到盾壳的整体强度及刚度,对整个盾构安全性以及适应隧道曲线施工能力均有重大影响。表1为改造后FCB盾构与上海引进的三菱重工盾构的盾壳尺寸比较。
三菱盾构隧道施工最小曲率半径均能满足300m要求。从表1可见,改造后FCB盾构盾壳各项尺寸长度都较三菱盾构短,主要原因是采用了将长行程千斤顶伸入切口环这一技术措施。因此,从曲线隧道施工灵敏度上分析,改造后的FCB盾构更具有优势。
2. 3 拼装机
根据盾构改造总体布置设计需要,拼装机主要改造工作为:通过加设限位块,缩短内侧平移行程,以避免管片拼装时发生与支承环大梁的碰撞。因管片重量增加,拼装机需通过增加配重重量以平衡部分增加的负载转矩。原拼装机密闭油箱采用活塞杆变容方式,易引起拼装机千斤顶液压系统油泵吸真空损坏,影响盾构整机施工效率。经研究,采取加装蓄能器,利用蓄能器进行变容控制,可大大降低油泵损坏现象。改造设计中,拼装机的主要技术环节在于拼装能力及蓄能器选型。
2. 3. 1 拼装能力
拼装机主要有提升、平移、回转三项功能,原盾构拼装能力与对应1.2m环宽之负载间的比较见表2。
从表2中可见,拼装机原装配能力完全能满足1. 2 m环宽衬砌拼装的要求。
2. 3. 2 拼装机蓄能器选型
由于拼装机压力油箱结构限制,要求压力油箱的额定工作压力范围必须控制在0. 02~0. 15 MPa范围内。拼装机千斤顶配置情况见表3。拼装机千斤顶总容积差计算:V=V1+V2+V3=2. 59+5. 0+0. 59≈9 L,其中V1、V2、V3分别为平移、提升、锁紧千斤顶伸到底时与缩到底时的油液容积差。通过对蓄能器容积的计算,最终选用了2套公称容积为25 L的蓄能器。
2. 4 电气控制系统
2. 4. 1 电气控制系统改造主要内容
1)采用PLC监控网络替代原盾构的继电器逻辑控制和数据采集系统。
2)采用人机界面替代既有盾构的显示(指示)仪表和大部分操作按钮。
3)增设地面计算机监视终端(监控室)。
4)增设拼装机无线控制盒。
5)增设电视监视系统,并将电视图像传送至地面。
6)整合盾构姿态实时检测系统。
7)更换全套电缆及部分箱、柜、接线盒。
8)新增、更换部分传感器、变送器。
9)新设监控电源系统。
10)更换电话通信设施等。
2. 4. 2 土压平衡控制系统
系统采用独立的PID过程控制器,对密封仓土压进行平衡控制。利用密封仓内中间的三只土压力变送器,通过PLC可编程控制器,可选择其中1只、2只或3只土压力变送器的平均值作为测量值。土压设定值在人机界面上设置,再传送至PID智能控制器。该控制器的输出连接至螺旋机变量泵,控制螺旋机的转速来改变盾构的出土量,从而实现密封仓土压力的平衡。本系统具有自整定功能,并可进行手动/自动切换控制。
2. 4. 3 新增电视监视系统
为便于施工管理,确保施工安全,增设电视监视系统。该系统由彩色摄像机、监视器、4画面分割器、视频控制器、硬盘录像机、光端机等设备组成。在盾构工作区域内设置3~4台彩色摄像机,并通过光纤把所摄录的视频图像信号传送至地面监控室。在地下盾构控制室和地面监控室均设置有17″彩色监视器。
2. 4. 4 电气控制系统性能特点
整个盾构电气控制系统具有高可靠性,在关键环节均有备份设计,在关键的系统设备和主机设备上消除单点故障,通过设备冗余和负载分担方式提高系统可靠性。改造中所选用的设备具有较高的安全可靠性,并支持热插拔和软件升级。
由于盾构电气控制系统中的设备种类较多,安装空间也较小。为了及时发现设备的故障,方便对设备进行安装和维护,其采用的设备不仅易于安装和维护,而且具有监测功能,可及时发现故障,并能对故障进行相应的告警。
盾构电气控制系统中所采用的设备均支持符合国际标准和工业标准的相关接口;在支持标准的应用开发平台方面,系统软硬件平台具有良好的移植能力;在网络协议的选择方面,则选择应用广泛的标准协议。
通过全新改造,电气控制系统设备技术先进、安全可靠、组网灵活,能满足当前盾构监控技术的要
求。
2. 5 其它系统
通过重新设备选型,提高各系统的可靠性及安全性,如同步注浆系统采用具有清洗功能的注浆清洗管路切换设备,解决因无法清洗注浆管路堵塞影响盾构施工中不得不停机的问题;盾尾注油脂系统结合钢丝刷由2道增至3道,设置6位置, 12个注油脂点,各分路配电动球阀、压力传感器及总管设压力继电保护,解决因注油脂压力过高可能存在爆管的危险;注泥(水)系统采用挤压泵替换原螺杆泵,泥水箱增加搅拌器,解决故障率高及注泥(水)效率低的问题等。
3 设备国产化改造效益分析
1)经济效益。FCB盾构改造工程,充分利用了旧盾构某些部件及其备品备件,节省了大笔新盾构设备采购费用,由单台新盾构采购价近3000万元降低到了改造工程只需1 000万元左右, 7台FCB盾构改造工程共节省过亿元。而且相对新盾构采购,改造工程制造周期更短,具有显著的经济效益。
2)技术效益。FCB盾构改造后,可以完成区间隧道1. 2 m环宽衬砌的拼装施工,适应上海地区隧道结构设计的发展。原施工10m隧道长度,需拼装10次,现施工12 m才需拼装10次;同时,由于对经常出现设备故障影响施工进度的系统及部件进行了改进,设备总施工效率提高了20%以上。
3)社会效益。7台FCB盾构改造的成功,为上海世博会和上海今后几年的地铁隧道施工提供了坚强的技术设备保障。此项目的成功也可作为今后大型工程设备回收利用的借鉴,对于建设节约型社会具有重要的示范意义,社会效益显著。
4 结语
目前,经国产化改造后的7台新FCB盾构已分别用于上海轨道交通7号线、8号线二期及10号线等工程,各台设备均完成了多次区间隧道掘进任务,其良好的技术状况以及产生的经济及社会效益均非常明显,这也充分证明了FCB盾构国产化改造的成功。
