1.盾构机改造原因
原Φ6 150型盾构机为上条线路隧道施工机型，适用于设计管片外径6 000 mm隧道施工。5号线工程大学南路站—嵩山南路站—工人路站—桐淮站左线盾构隧道设计管片外径6 200 mm，内径5 500 mm，环宽1 500 mm，管片厚度350 mm。原Φ6 150型盾构机无法满足本区间工程设计要求，需在原Φ6 150型设备参数基础上进行改造设计和优化，改造后盾构机的直径为Φ6 460，既要保证各项性能及参数均能满足施工需要，同时又要考虑郑州地质情况及以后施工遇到的地质情况。
2.盾构机改造思路
（1）新制刀盘盘体：施工管片外径由原来的Φ6 000 mm改为本次的Φ6 200 mm，为适应管片拼装需要，刀盘盘体由原来的Φ6 150 mm改为本次的Φ6 460 mm，刀盘开口率基本不变，仍为六辐条结构，刀盘开挖直径为Φ6 490 mm。
（2）强化耐磨处理：刀盘辐条表面、辐条间进土槽、刀盘支撑环进行强化耐磨处理，在刀盘外圈焊有高性能耐磨钢板，保证盾构机具有较强的耐磨性能。
（3）新制盾体H梁：为适应管片外径的变化，新制前盾、中盾、中折盾、尾盾。前盾外径由Φ6 160 mm改为Φ6 470 mm。中盾外径由Φ6 155 mm改为Φ6 465 mm。中折盾外径由（Φ6 005～6 150 mm）改为（Φ6 215～6 465 mm），盾尾直径由Φ6 150 mm改为Φ6 460 mm，新制H梁。相应更换新的铰接密封。
（4）加强盾尾密封性能，尾盾前部长度由2 735 mm更改为2 710 mm。尾盾后部长度由825 mm更改为1 198 mm，双液注浆枪设置于盾尾内部。
（5）加强主驱密封性能：主驱动土砂、VD密封更换为新件。在不改变原有主驱动密封结构的基础上，内外密封套表面淬火硬化处理，表面硬度可达HRC50以上，密封套可长距离掘进而不出现磨损沟槽，配合多点压力和流量控制的油脂注入，可阻止土砂进入密封圈工作区域。另外在主驱动土砂密封前端额外增设HBW注入点，并增设机械迷宫密封，VD密封腔中注入EP2油脂，并增设压力检测点，时时监测密封腔压力，油脂对土砂的阻挡作用更加直接可靠，延长主驱动检修周期。
（6）加强刀盘扭矩：鉴于开挖直径变大，埋深达40 m，在原有8组主驱电机、减速机基础上增加2组，并配套变频器、动力电缆等，刀盘扭矩可提升25%。
3.盾构机改造方案
1）新制刀盘
为满足外直径的要求，新制刀盘盘体外径为Φ6 460 mm。新制刀盘与原刀盘结构一致，仍为双环六辐条结构，开口率约为48%。刀盘直径变大，刀具轨迹按照原刀盘布置，新增6把刮刀，2把先行刀。刮刀背后设置保护刀并焊接耐磨层，仍设有2把仿形刀，6个泥材注入口。结构上，刀盘与主驱扭腿连接的法兰分布圆直径变大，相应的刀盘内环直径也变大。新制刀盘方案如图5.2.1所示。
图5.2.1 新制刀盘结构示意图
2）新制前盾
前盾盾体直径加大为Φ6 470 mm，外周注入管由10组变为6组。除了结构尺寸的变更，其他如包括盾体长度、板厚、人孔盖装配、土压计装配、人闸仓装配等均未变化，元器件也可以直接使用原件，空间布置更加宽松。新制前盾结构如图5.2.2所示。
图5.2.2 新制前盾结构示意图(www.xing528.com)
3）新制中盾
中盾和中折盾直径由Φ6 155 mm改为Φ6 465 mm，H梁相应变更，铰接密封尺寸也需变大。盾体壁厚无变化，推进油缸、铰接油缸及行程传感器使用原件。推进油缸分布圆重新设计，以适应Φ6 200 mm的管片。铰接油缸分布圆则维持原设计，铰接的电气控制无须改变。新制中盾结构如图5.2.3所示。
图5.2.3 新制中盾结构示意图
4）新制盾尾
盾尾直径由Φ6 150增大至Φ6 460，盾尾内径与管片外径间隙为30 mm，双液注浆枪采用内置式。考虑到埋深较深，土压高，盾尾配置4道钢丝刷，18个油脂注入点，提高盾尾密封性能，并增设止浆板。新制盾尾结构如图5.2.4所示。
图5.2.4 新制盾尾示意图
5）主驱动系统改造、维修
根据以往的施工经验，原有主驱动内外密封套为普通Q345B材质，经过一段时间的磨损，密封套会出现沟槽，严重影响密封性能，甚至有可能导致土砂进入到密封圈的唇口处，从而引起更大的磨损，所以1.5～2 km掘进后需对主驱动进行拆开检修。新方案建议将密封套材质更换为42CrMo，表面淬火，硬度达到HRC50以上，耐磨性得到极大提升。
在主驱动土砂密封前部靠近土仓的部分，额外增设HBW油脂注入点，以便更直接地阻挡土砂进入驱动部，为使HBW起到更好的密封效果，增设HBW密封脂出口迷宫密封。在HBW注入过程中，可时时检测HBW的注入流量和压力，根据检测数据可调整HBW的注入量，避免了HBW注入量不足、过量注入等情况。HBW气动注脂泵放置于2号台车右侧，在电源控制盘柜增加各泵的控制；泵的信号可接入机内控制盘内；新增油脂压力控制盒，安装在驱动部。
主驱密封由原来的集中润滑系统中独立出来，单独增设EP2电动注脂泵，专为主驱VD密封腔注入EP2油脂。在EP2油脂的注入过程中，可时时检测密封腔中油脂压力。此注脂泵放置于工作平台，EP2气动补脂泵放置于2号台车右侧。在电源控制盘柜增加各泵的控制；电动泵的信号可接入机内控制盘内；新增油脂压力控制盒，安装在驱动部。主驱动系统改造如图5.2.5所示。
图5.2.5 主驱动系统改造示意图
本次改造将主驱动内外圈土砂及VD密封全部更换为新件。
6）加强主驱动力
新增加两组电机、减速机、小齿轮。
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