引言

在全球倡导绿色发展与资源高效利用的时代背景下，盾构机作为隧道施工关键设备，其再制造产业备受关注，大量盾构机面临更新换代，产生众多废旧部件；传统制造模式资源消耗大、污染重。如何优化盾构机再制造工艺、实现材料循环利用成为亟待解决的问题。深入研究相关技术，不仅能降低成本、提高资源利用率，还能推动盾构机再制造产业升级，对基础设施建设意义非凡，也为探索绿色制造路径提供重要参考。

1.盾构机再制造工艺优化及材料循环利用的背景与意义

据不完全统计，截止到2023年底，中铁装备、铁建重工、中交天和等企业出厂的盾构机数量众多，加上国外品牌设备，国内盾构总保有量超过4500台，如此庞大的设备基数，在设备更新换代的过程中，产生了大量的废旧盾构机及部件。传统的盾构机制造模式高度依赖新原材料的投入，从钢材、合金到各类零部件，不仅消耗大量自然资源，还在生产加工环节带来高能耗与高污染问题。在资源日益紧张、环境压力剧增的当下，这种模式对降低施工成本难度加大，难以为继。而盾构机再制造工艺优化及材料循环利用技术应运而生，成为行业转型发展的关键所在。从资源层面来看，盾构机的许多部件在经过再制造处理后，能够恢复甚至超越原有性能。如部分盾构机的主轴承、驱动系统等关键部件，通过先进的修复与升级技术，可以重新应用于新的项目中^【1】。这不仅大幅减少了对新原材料的需求，还实现了资源的高效循环利用，契合资源节约型社会的建设需求。在环境方面，材料循环利用技术避免了废旧部件的随意丢弃与填埋，降低了对土壤、水源等的污染风险，再制造过程相较于新品制造，可有效减少能源消耗与污染物排放，符合绿色发展理念。企业通过回购、再制造废旧部件，节省了新品研发与生产的高额费用，提高了资产利用率，增强了市场竞争力，国内某盾构再制造公司通过“化整为零，由零变整”的再制造组合模式，累计盘活国内外回购部件，实现毛利额4700余万元，充分彰显了这一技术的经济价值。

2.盾构机再制造关键工艺优化策略解析

2.1刀盘再制造工艺的优化改进

在实际案例中，以某大型城市地铁盾构机再制造项目为例，原刀盘开挖直径为φ8650mm，因工程需求需新制软土刀盘，新刀盘直径确定为φ8290mm。在刀具配置上，精心设计了多种刀具组合。中心齿状鱼尾刀1把，直径达400mm，能够有效破碎中心区域的岩土；重型焊接撕裂刀多达72把，长度分别为220mm、175mm和155mm，可强力撕裂较硬的岩土体。切刀设置74把，长度为120mm，负责切割岩土。边刮刀18把、保径刀12把，能保障刀盘在开挖过程中的直径稳定和边缘切削效果。还设置了12路渣土改良口，使渣土改良更充分，利于排渣。刀盘在原有技术基础上布置3个磨损检测点进行升级，可实时监测刀具磨损情况，为及时更换刀具提供依据，确保刀盘始终保持良好的切削性能。

2.2盾体再制造工艺的创新突破

新制盾体在结构设计上以满足需求降低成本为原则，前盾、中盾和尾盾直径分别为φ8260mm、φ8250mm和φ8240mm ，采用被动铰接设计。盾体设计赋予盾体在复杂地质条件下卓越的曲线掘进适应能力，能灵活应对各类复杂的地下环境。在密封方面，铰接密封采用2道橡胶密封与紧急气囊组合形式，极大增强了密封效果，有效防止地下水和岩土进入盾体内部，降低了地质因素对设备运行的干扰^【2】。油脂管路设置为3×11路，能全方位覆盖盾体各部位，确保得到充分润滑，减少部件磨损，延长盾体使用寿命。注浆管路6用8备的设计，可满足不同工况下的注浆需求，无论是常规掘进还是应对特殊地质情况，都能保证注浆工作的顺利进行。盾尾密封采用4道钢丝刷搭配1道止浆板的结构，盾尾间隙精确控制在35mm，这一精细设计有效阻挡了土体和浆液的渗漏，为盾构机内部设备的正常运行和施工安全筑牢防线，显著提升了盾体在复杂地质环境下的可靠性和稳定性，为盾构机高效作业奠定坚实基础。

图1 国内某施工项目再制造盾构机主机图

3.盾构机材料循环利用技术的具体应用

3.1回购部件的分类管理与循环利用

自2020年起，国内某盾构再制造公司已建立起30余台套涵盖国内外回购部件的详细台账，其中包含来自新加坡、法国、阿尔及利亚等多个国家二手设备的部件，又收集跟踪了上千余台闲置整机设备资料。对于回购的刀盘部件，会依据其磨损程度、材质特性以及原使用项目的工况等因素进行分类。若刀盘结构基本完好，仅刀具磨损，会将其归类为可修复再利用的刀盘部件，通过更换刀具、修复磨损部位等工序，使其重新具备使用价值。截至2024年上半年，该公司已累计盘活或优化回购部件资产达2.5亿元，其中相当一部分刀盘部件经再制造后以整机或部件调用的形式实现二次销售，累计完成再制造整机近200台，总产值超过30余亿元，。盾体部件同样根据其变形程度、密封性能以及腐蚀状况等进行细致分类。对于轻微变形且密封结构完好的盾体，经过校正、表面处理等工艺后可继续使用；而对于严重损坏的盾体，则拆解为零部件，将可利用的部分如螺栓、部分结构件等进行回收再利用。通过这种分类管理方式，不仅提高了回购部件的利用率，还大幅降低了再制造的成本投入，为盾构机再制造产业的可持续发展提供了有力支撑。

3.2再制造过程中材料的高效循环技术

以盾构机的金属材料循环利用为例，在对旧盾构机进行拆解后，会对各类金属部件进行严格的材质检测和性能评估。对于如主轴承、驱动轴等关键金属部件，若其材质符合再制造要求且磨损在可修复范围内，会采用先进的加工工艺进行修复和强化处理。通过热喷涂技术，在磨损表面喷涂特殊合金材料，可使部件表面硬度和耐磨性大幅提升，恢复甚至超越原有性能^【3】。在液压系统中，对旧的液压油进行过滤、净化和成分检测，符合标准的液压油可再次使用，在一次典型的盾构机再制造项目中，约80%的液压油经过处理后可重新投入使用，大大减少了新液压油的采购量。对于损坏的液压管件，可拆解出完好的部分，如接头、阀门等进行清洗、检测和修复，重新组装后继续使用。在电气系统方面，对旧的电气线缆进行检查，去除外皮破损、内部导线断裂的部分，将完好的线缆重新整理、标记后用于再制造设备的电气连接，有效降低了再制造过程中材料的浪费，提高了资源的循环利用率，推动盾构机再制造产业朝着绿色、高效的方向发展。

4.工艺优化与材料循环利用技术的协同发展

4.1工艺优化对材料循环利用的促进作用

以刀盘再制造工艺优化为例，先进的切割工艺和精准的加工技术，使得刀盘在修复和改造过程中对材料的损耗大幅降低。在某盾构机刀盘再制造时，采用新型数控加工设备，加工精度达到±0.01mm，相比传统加工方式，材料浪费减少了约50千克。新的焊接工艺能够确保盾体拼接处的强度和密封性，减少了因焊接缺陷导致的材料报废情况。在某盾构机盾体再制造项目中，采用激光焊接技术后，焊接处的强度提高了30MPa，盾体改造的整体质量得到提升，原本可能直接淘汰的废旧壳体板材得以二次使用。再看盾构机的液压系统再制造，优化后的拆解和组装工艺，使得液压管件、密封件等部件的拆卸更加便捷和精准，降低了部件损坏的风险。据统计，采用新的拆解工艺后，液压管件的报废率从原来的70%降低至15%以内，平均每台设备可多回收约500个液压管件，极大地提高了材料的循环利用率，实现了资源的高效利用与节约。如图2所示。

图2 液压管件报废率与可回收数量变化趋势图（2020 - 2024）

4.2材料循环利用对工艺优化的反馈影响

以主驱动系统再制造为例，由于回收的主驱动部件来源多样，材质和磨损情况各不相同，为了实现这些材料的有效循环利用，研发出了定制化的修复工艺。针对不同硬度和磨损程度的主轴承，采用不同的研磨和修复工艺，使修复后的主轴承能够满足再制造盾构机的性能要求，在处理一批来自不同项目的主轴承时，通过对材料特性的分析，开发出了3种不同的修复工艺，成功修复了80%的主轴承，使其重新投入使用^【4】。为了更好地利用这些材料，优化了电气系统的组装工艺。设计了标准化的接口和模块化的组装方式，使得不同规格的线缆和元件能够更方便地进行适配和安装。在某再制造项目中，通过这种优化后的工艺，成功利用了回收电气元件的70%，不仅提高了材料的利用率，还降低了再制造的成本，推动了电气系统再制造工艺的创新发展，形成了材料循环利用与工艺优化相互促进的良好局面。

5.基于工艺优化与材料循环利用的项目实践要点

5.1项目策划阶段：工艺与材料的规划融合

对于刀盘，根据其在不同地质条件下的切削需求，规划采用新制或修复工艺。例如，预计在硬岩地层作业时，规划使用高强度耐磨材料新制刀盘，并优化刀盘结构设计，增加刀具数量和布局的合理性，以提高切削效率。对于盾体，考虑到其在掘进过程中承受的巨大压力和复杂地质环境影响，规划采用先进的制造工艺，确保盾体的密封性和强度。像在规划盾体焊接工艺时，选择合适的焊接材料和焊接参数，确保焊接质量，减少焊接缺陷，提升材料焊接整体性能。通过建立详细的材料清单，对回购部件进行精确分类，如将主驱动系统的部件分为可直接使用、需修复后使用和报废三类。统计显示，在某典型盾构机再制造项目中，经评估约70%的主驱动系统部件可通过修复后再次使用。对于可利用的材料，根据其材质和性能特点，合理规划其在再制造过程中的应用。例如，对于回收的高强度钢材，优先规划用于制造刀盘、盾体等关键部件，以充分发挥材料性能，降低新材料采购量。

5.2项目实施过程：工艺与材料的质量管控

在拆解过程中，对每个部件进行详细的检查和记录，包括磨损程度、变形情况等。统计数据表明，通过规范的拆解流程，刀盘部件的完好率提高了约20%，为后续的再制造提供了更多可用材料。对于盾体拆解，严格控制拆解力度和方式，防止盾体结构变形。对拆解下来的部件进行清洗、检测，筛选出可继续使用的部件和需要修复或更换的部件。以刀盘制造为例，从原材料的检验到加工过程中的尺寸精度控制，都执行严格的质量标准^【5】。在原材料检验方面，对每一批钢材进行化学成分分析和力学性能测试，确保其符合刀盘制造要求。在加工过程中，利用高精度的加工设备，如数控车床、铣床等，对刀盘进行精确加工。以刀盘上的刀具安装孔为例，加工精度控制在±0.05mm以内，保证刀具安装的准确性和稳定性。对于盾体的制造，在焊接过程中，采用先进的焊接质量监测设备，实时监测焊接温度、电流、电压等参数，确保焊接质量。每道焊缝都进行无损检测，如超声波探伤、磁粉探伤等，确保焊缝内部无缺陷。

5.3项目验收环节：工艺与材料的效果评估

在刀盘部分，重点检查刀盘的结构完整性、刀具安装精度以及表面质量，测量刀盘的直径误差控制在±5mm范围内，确保刀盘在掘进过程中的稳定性和切削精度。检查刀具安装的牢固程度，每把刀具的安装扭矩需达到规定的800-1000N·m，防止刀具在使用过程中松动脱落。对于盾体，检查盾体的焊接质量，对每条焊缝进行外观检查和无损检测，确保焊缝无裂纹、气孔等缺陷。测量盾体的圆度误差不超过±3mm，保证盾体与管片之间的间隙均匀，避免出现漏浆等问题。检查材料的材质是否符合设计要求，对关键材料如刀盘钢材、盾体钢材等进行化学成分分析和力学性能测试，经过再制造工艺处理后，刀盘钢材的硬度提升了约20-30HB，耐磨性提高了30%以上，能够更好地适应复杂地质条件下的切削作业。对于回收利用的材料，评估其在再制造过程中的性能变化和使用寿命。对回收的主轴承进行寿命评估，通过检测其磨损程度、滚动体和滚道的表面质量等，结合实际使用工况，预测其剩余使用寿命。若主轴承经过修复后，经评估其剩余使用寿命能够满足至少8000小时的掘进作业要求，则判定该回收材料的再利用效果良好。

结语

盾构机再制造工艺优化及材料循环利用技术在实际项目中成效显著，从项目策划到验收，各环节紧密围绕这两项关键技术开展工作，实现了工艺与材料的有机融合和协同发展。刀盘、盾体等部件的焊接工艺优化提升了再制造质量，回购部件分类管理和材料高效循环技术提高了资源利用率。未来，持续深化这些技术的应用，不断探索创新，将推动盾构机再制造产业朝着更绿色、高效的方向发展，为基础设施建设提供有力支持。

参考文献

[1]卢开争.地铁隧道盾构机刀盘制造工艺[J].水电站机电技术,2023,46(07):138-140.

[2]秦密.盾构机再制造项目管理绩效评价及提升对策研究[D].成都理工大学,2023.

[3]李森,赵洪岩,吴昊,等.盾构机再制造成形修复技术工艺研究[J].建筑技术,2022,53(09):1137-1141.

[4]高安康.面向盾构机刀盘再制造熔覆层的工艺参数优化及其性能研究[D].长沙理工大学,2022.

[5]谢树昌.盾构滚刀激光熔覆再制造工艺及性能研究[D].中国矿业大学,2021.

作者简介：王红兵，男（1991.09-），满族，河北省秦皇岛市，工程师，本科学历，主要研究方向：盾构制造及再制造