司馬少坤，王又增

（1.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001；2.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

泥水盾構是利用泥漿循環(huán)系統(tǒng)將刀盤開挖的渣土、砂石等排至洞外。通常氣墊平衡式泥水盾構氣墊倉底部，排漿管的前部設置有破碎機，對刀盤開挖下的巖石等進行破碎，以滿足排漿泵抽漿粒徑需求。

破碎機主要有兩個功能，一是破碎功能（圖1），對較大渣石進行破碎至需要粒徑；二是攪拌功能，對氣墊倉底部渣漿進行充分攪拌，防止渣漿在氣墊倉底部淤積沉淀。

圖1 破碎機工作狀態(tài)示例圖

若破碎機出現(xiàn)故障，刀盤開挖的大塊巖石不能滿足出渣要求，而且渣漿在氣墊倉底部淤積風險較大，強行推進或者破碎機故障沒有被發(fā)現(xiàn)的話，就會造成排漿管進口堵塞或者排漿泵葉輪損壞，致使整個環(huán)流系統(tǒng)癱瘓，盾構被迫停機。

對于巖石地層或者上軟下硬地層區(qū)間段，沒有破碎機的破碎，盾構很難推進。破碎機主要由油缸、鄂板、油管等組成。在實際工況中，破碎機油缸易出現(xiàn)問題，而且修復比較困難。

破碎機油缸在環(huán)流系統(tǒng)或整個泥水盾構中具有舉足輕重的地位。

1 工況介紹

氣墊倉顎式破碎機安裝在氣墊倉底部（圖2），泥水盾構在施工時氣墊倉為半倉壓縮空氣半倉渣漿，顎式破碎機包括油缸長期浸泡在泥漿及砂礫中（圖3），破碎機油缸長期在這種惡劣工況中伸縮擺動。正常工作時，破碎機油缸每分鐘連續(xù)伸縮2～3 次；若是渣土礫石堆積，則會增加破碎機油缸伸縮的阻力，渣土礫石的蠕動或者長期浸沒在渣土礫石堆中伸縮，破碎機油缸很容易被外部介質(zhì)劃傷，影響油缸的密封（圖4），進而導致油缸密封失效漏油和液壓油的污染，加劇整個破碎機系統(tǒng)失效，導致整個施工掘進癱瘓。

圖2 破碎機布置圖

圖3 破碎機油缸工況

圖4 破碎機油缸失效（劃傷，漏油）

隨著經(jīng)濟發(fā)展和隧道建設的需求，超長距離、超高硬度巖石等復雜隧道逐步呈現(xiàn)，破碎機油缸的工況也更加惡劣，在現(xiàn)有1～3km 標段已經(jīng)出現(xiàn)破碎機失效的情況，嚴重制約了泥水盾構的施工進度。

2 現(xiàn)有技術

破碎機油缸由于長期工作在特殊工況下，油缸的壽命和可靠性對施工進度影響很大?，F(xiàn)階段，處理破碎機油缸故障[3～4]和延長破碎機壽命技術措施和手段有限。

在較長距離盾構段施工時，要分階段或者根據(jù)盾構段地質(zhì)的復雜程度定期進入氣墊倉進行破碎機油缸檢修或維護，常用處理方法是工人進倉維修或者在倉內(nèi)更換油缸，甚至需要專業(yè)人員進入充斥有壓縮空氣的氣墊倉進行檢修和維保作業(yè)，作業(yè)人員勞動強度大，而且具有一定的風險。

國內(nèi)很多學者針對泥水盾構破碎機油缸改進提出很多改進措施。例如，張寧川等人改變倉內(nèi)破碎機油缸布置并增加油缸連桿，意在減少油缸與濃渣漿接觸；楊愛軍等人設計一種泥水盾構破碎機，改變破碎機的工作方式，采用單油缸設計并且油管外置；程永亮等人設計一種泥水盾構碎石裝置，把缸套和油管置在倉外，油缸桿置于倉內(nèi)。上述這些設計和改進在一定程度上改善了破碎機的工況，提高了破碎機系統(tǒng)工作的可靠性，但是沒有改善油缸桿浸沒氣墊倉渣漿的工況，另外受空間和結構限制，實現(xiàn)難度大，而且實現(xiàn)成本較高。

3 改進措施

3.1 增加防護套

破碎機油缸主要由油桿和缸套組成，油缸桿和缸套的移動副在渣漿環(huán)境中工作，油缸桿表面易出現(xiàn)劃痕、密封易出現(xiàn)劃傷。針對這種失效，在缸套外面設計防護套（圖5），缸套外表面進行精加工、鍍鉻硬化表面處理，達到油缸桿同等表面效果。防護套設計有高承壓油缸密封，防護套及密封和原有缸套形成新的移動副。防護套的存在，避免惡劣工況直接和油缸桿接觸，提高了油缸的工作壽命。

圖5 防護套改進示例圖

防護套及密封和缸套形成的移動副作為油缸桿的防護，即使缸套外表面劃傷或新移動副密封損傷，外界渣石也不會直接接觸油缸桿，原有油缸密封劃傷失效的概率較低。

3.2 倉外監(jiān)測

通常油缸密封監(jiān)測很難，很多油缸密封失效后，無法高壓工作，至此才得知油缸密封失效，無法做到提前預判。

防護套及密封和缸套形成一個密閉腔體，在油缸上設計通氣孔并通過管道連接至倉外（圖6）。在定期維修保養(yǎng)中，往密閉腔體通入壓縮空氣并進行保壓測試，通過壓降值可以直觀判斷密封的密閉程度，有利于做到提前監(jiān)測，事前預判。

圖6 密閉性監(jiān)測原理圖

4 改進效果

此優(yōu)化改進僅增加油缸防護套、密封及部分監(jiān)測管路，占用的空間很小，在現(xiàn)有盾構設備和新設計盾構中容易實現(xiàn)，成本較低。

增加防護套、密封等舉措，有效防止油缸桿劃傷及密封失效，此優(yōu)化改進比普通破碎機油缸延壽至少1 倍以上，降低了破碎機故障概率和維保的頻率。在同等地質(zhì)盾構段，減少了帶壓工作的時間，減輕了作業(yè)人員帶壓工作的強度，提高了泥水盾構施工的效率，降低了帶壓維修設備風險和次生風險，對保障施工的高效性和安全性具有重要意義。