杨晨平（上海隧道工程有限公司，上海 200137）
超大直径盾构隧道一般应用于公路或公路与轨道交通合建项目，其边界很难界定，20 a 前，直径 10～11 m 的盾构被认为是最大的，可以满足单层 2 车道需求；
而近 10 年来，随着我国城市化进程的发展及交通需求量的增长，14 m及以上直径是当前的主流，可以满足双层 4/6 车道或单层 3车道需求。“工欲善其事，必先利其器”，盾构设备是项目成败的关键。盾构设备的选择需要结合水文、地质、周边环境和沿线建(构)筑物等条件，兼顾设备的可靠性和技术先进性，满足工程项目要求。
机场联络线工程起于虹桥机场站，经七宝站、华泾站、三林南站、张江站、度假区站、浦东机场站、规划 T 3航站楼站，止于浦东新区上海东站。全线长 68.6 km，其中地下段总长 56.7 km，含盾构区间 49.7 km，其中进行施工的骐跃号盾构机是一台刀盘切削直径达 14.05 m，整机总重约 3 200 t，总长 99 m，的超大直径盾构，由上海隧道工程有限公司机械制造分公司制造。本盾构机总长约92 m，主机长度约 13.7 m，满足隧道最小水平曲线半径450 m 的掘进施工，如图 1 所示。后配套为 3 节集成式车架，采用着地式车轮设计。
图1 泥水气平衡盾构总体图
在该台盾构机的制作过程中，发现一些由于设计或者加工出现的问题，在安装工程中进行工艺的优化，顺利完成了整个制造过程。
1.1 刀盘及驱动制造问题及解决方案
刀盘结构采用可常压换刀技术，人员不用出舱即可更换刮刀与先行刀。既能提高施工安全性，也提高了施工效率。在进行刀盘中心筋板焊接时，发现刀盘中心体筋板焊接坡口过大，最大坡口角度达到 65°，焊接量大，为控制焊接变形 ，在焊接时需多点对称施焊，焊工在焊接过程中相互配合难度相对较大。为此在加工工艺上进行改进，进行多点对称施焊，焊接过程中保证各点匀速焊接，同时增加对外形尺寸的检测频次，以保证中心刀盘的焊接变形量在可控范围内。
在进行圆弧刮刀定位焊接位置在圈梁上，圆弧刮刀定位时发现刀具高度低于理论设计值 100 mm。为此在圆弧刮刀两侧增加贴板垫块，圆弧刮刀焊接在垫块上，增加耐磨保护焊，更换先行刀高度。常压更换刀具如图 2 所示。
图2 常压更换刀具示意图
在进行可更换刀具装置的闸门和过度套为螺栓整体固定安装时，发现刀座定位有角度差异，在部分位置，闸门和过度套定位及固定安装难度大。为此在安装时刀盘正面向下，通过工人手动固定闸门方式来安装闸门和固定套。建议闸门与刀座间增加定位固定装置。
刀盘驱动装置为刀盘开挖掘进提供所需的转动扭矩，是整个盾构的核心部件。它是由驱动箱体，三排滚柱回转支承，土砂密封圈，内外密封环以及减速电机等组成，减速电机采用变频控制，实现无极调速。在进行刀盘主驱动安装时，壳体只安装底部三个扇块，此时的驱动还未安装到位，发现无法进行焊接固定。底部三个扇块与驱动的接触面略小，加上盾构机在始发和接收的工作井带有一定的坡度，考虑到驱动的重心靠前容易造成倾斜。通过工艺优化，将定制压板均布在底部三个扇块上，当壳体逐步成环后，在其余扇块上均布置该压板，靠调解螺栓逐渐将驱动压调到位。定制定位支架与动力箱连接，起到既可以定位又能防驱动倾倒和止转的作用。刀盘驱动装置示意图如图 3 所示。
图3 刀盘驱动装置图
1.2 壳体制作问题汇总
壳体承载盾构机内主要设备，对外部土体起支护作用，同时也将盾构机内部与外部土体隔绝。壳体采用分块式设计满足安装和运输的需求。
搅拌机布置在气包仓后隔板底部。搅拌机采用液压马达驱动，设计有传感器，可以方便判断搅拌机运转状态。搅拌机迎渣面焊接有耐磨复合钢板，提高搅拌机的耐磨性能。同时搅拌机顶部位置设计冲洗管路，有效降低渣土堆积概率。在进行搅拌机安装时，发现由于套筒制作工艺为焊前金加工，焊后套筒尺寸有变形，为此先制作一根假轴，对套筒尺寸进行测量，对套筒超差初进行打磨，打磨要求为即要保证搅拌机安装尺寸又要保证密封压密量。搅拌机及冲洗示意图如图 4 所示。
图4 搅拌机及冲洗示意图
中心舱内平台用于人员的移动，以便完成换刀等工作。平台具备伸缩功能，平时为避免干涉中心回转处于缩回状态，进行刀盘中心刀更换时，选择合适的平台伸出，配合物料吊机完成换刀工作。对于主辐条部分的刀具更换，工作人员可在对应主辐条处于正确位置时，通过平台进入刀盘辐条。在进行平台安装时，发现平台设计时与扇块内部筋板离得太近，未考虑扇块内走液压环管的位置，为此在安装时进行工艺优化，将平台与扇块筋板之间的安装间离保持在 20 cm 距离。同时部门机内平台楼梯的布置根据实际情况进行优化，防止人员在上下楼梯时碰撞结构。
1.3 拼装机制作问题
管片拼装机安装在壳体内部，为中心回转大平移式，主要作用是管片衬砌的安装。管片拼装机具有 6 个自由度，实现正反方向的旋转、前后行走、上下升降、左右摆动等动作。回转角度为 ±220°，回转速度为 0～1.5 rpm，采用比例控制系统，控制精度高反应灵敏。所有动作可无线遥控，便于拼装司机观察和操作。在进行管片拼装机安装时，发管片拼装机下横梁原位置与泥水管路干涉，泥水管路无法安装。为此对管片拼装机的安装位置进行优化，管片拼装机下横梁位置下调 90 mm，修改横梁位置，同时反馈给设计端进行图纸的修改。拼装机图如图5所示。
图5 拼装机图
在安装拼装机平移梁时，发现拼装机平移梁焊接坡口尺寸过大，焊接量大增加焊接工期，为此进行工艺优化，对焊接坡口的尺寸通过技术部门重新设计在安装拼装机平移轴承座制作工艺为先金加工后焊接，发现焊接过程中会引起机加工尺寸变形，最大误差为 0.3 mm，影响轴承安装。为此对轴承座进行打磨，使其与设计尺寸相符，完成安装，并在工艺编排上进行优化，防止热处理产生的变形影响到安装。在安装拼装机平移梁中间平台盖板时，发现其为焊接式结构，影响电缆铺设和检修。通过工艺优化，将焊接式盖板改为可拆卸手控盖板，方便后续安装。
1.4 车架结构制作问题
车架结构为集成式车架，以 H 型钢和钢板拼接而成，总共为 3 节。车体的横断面尺寸可满足隧道最小水平曲线半径450 m 的掘进施工。车轮采用着地式设计，直接行走在管片上。车架内部规划有完善的逃生通道，与拼装平台人员通道相连。车架内部逃生通道路线上，在醒目位置设置有消防应急照明，疏散指示标志，便于人员安全快速撤离。
在进行 1 号车架安装时，发现其前段斜支撑，结构不合理，无法安装。为此与技术部门沟通，优化设计并下发图纸制作斜撑。在进行 2 号车架栏杆安装时，发现其无踢脚板。栏杆之间间隙过大，为此对其进行工艺优化，要求各栏杆之间的开档控制在 10 cm 以内。在安装 3 号车架时，发现水管卷筒平台悬空结构在安装水管卷筒后有轻微变形，目前水管卷筒内还未充满水。水管卷筒整体已经向内侧平移了 300 mm。为此优化安装工艺，在 2、3 号车架交接的位置，2 号车架上增加支撑平台，3 号车架上增加带滑块的支撑立柱。在 3 号车架安装时，发现部分结构分块可以增加法兰连接形式，方便拆解运输时部件运输的高度及堆叠。为此优化安装工艺，修改分块连接形式，优化安装效率在进行车架上行车轨道的支座安装时，发现其未焊接在车架结构上，导致支座焊接需要在厂内仰焊，无法保证焊接质量。为此在工艺布置上进行优化，在车架上先进行仰焊，在拆机时将车架结构翻身重新焊接。
1.5 管片运输行车
管片行车为单管片吊机，运行区间在 2 号车架内，其主要作用是将管片从管片车上吊运至喂片机上。管片行车运行区间轨道没有铰接点，轨道面上没有间隙，不会出现卡轨、啃轨，有利于降低车轮损毁的概率。管片行车主吊机起升能力 15 t（不含吊具），主吊机具有 ±90° 旋转功能。管片行车前部还配有2T小行车，兼具轨道等其他物料的吊运功能。
吊机由四台电机分别对管片的四个角进行起吊，一次可以吊运两块管片。原设计通过四个凸轮开关来控制管片的起吊过程，但是由于起重电机的控制系统中被没有加入同步起吊的程序，所以在起吊和放置时管片的过程中 4 个吊钩的长度不同步，会出现管片倾斜的情况。通过对系统的分析，进行制作工艺的优化，将原来系统中管片起吊过程的凸轮开关改为编码器，通过编码器对起重电机的旋转角度进行计数，然后再程序中换算成起吊高度，并进行 4 个电机起吊高度比较，加入同步起吊高度的程序，使管片运输行车的起吊及放置变得平稳。
在超大直径盾构的安装制作工程，会发现很多设计不合理，以及加工不到为的情况，这时候就需要根据经验进行工艺优化，使安装工作持续进行下去。同时优化的部分反馈到设计端进行设计的修改，避免今后发生类似的问题。本盾构机已经完成了 1 000 多环的掘进工作，在施工过程中，设备完好率经过统计高达 97%，远远超过了同类国内外产品，显然在制作过程种的工艺优化，同样可以为提升盾构机的整体技术水平和高质量打好了基础，有利于响应更广泛的市场需求，增加国内外市场的竞争力。
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