盾構(gòu)機(jī)鉸接系統(tǒng)淺析

高丙歡 任 潔

（濟(jì)南重工股份有限公司，濟(jì)南 250109）

盾構(gòu)機(jī)作為一種集機(jī)械、電氣、液壓以及流體于一體的高端地下施工設(shè)備，伴隨著我國(guó)地鐵建設(shè)、公路隧道和城市管道等地下建筑工程的飛速發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地下工程施工[1]。此外，由于地層地質(zhì)的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，盾構(gòu)施工的難度也隨之增加，盾構(gòu)機(jī)各零部件的結(jié)構(gòu)與性能要求更加嚴(yán)格。

盾構(gòu)機(jī)在工程施工過程中需要完成左右轉(zhuǎn)向和上下俯仰等動(dòng)作。由于施工范圍內(nèi)的土層地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，盾體不同部位受到的土層壓力并不均勻，從而導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)的行進(jìn)方向與最初設(shè)計(jì)的隧道中心線產(chǎn)生偏差。為了減小上述偏差，保證工程質(zhì)量，使盾構(gòu)機(jī)按照正常的路線前進(jìn)，需要對(duì)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整[2]。因此，盾構(gòu)機(jī)盾體內(nèi)部配置了鉸接系統(tǒng)用以輔助盾構(gòu)設(shè)備實(shí)現(xiàn)地下的姿態(tài)變化[3]。

目前，鉸接系統(tǒng)主要分為三種形式：主動(dòng)鉸接、被動(dòng)鉸接和復(fù)合式鉸接。三種鉸接形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)均為鉸接油缸，相應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)機(jī)體也具有三種結(jié)構(gòu)形式：主動(dòng)形式、被動(dòng)形式和復(fù)合結(jié)構(gòu)形式。結(jié)合濟(jì)南重工股份有限公司的生產(chǎn)需要，本文主要討論主動(dòng)鉸接和被動(dòng)鉸接兩種形式[4]。

1 鉸接系統(tǒng)

1.1 主動(dòng)鉸接

主動(dòng)形式盾構(gòu)機(jī)被分為前盾、中盾前部、中盾后部以及尾盾四部分，中盾前部和中盾后部由鉸接油缸連接，形成鉸接裝置，可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的上下前后左右轉(zhuǎn)動(dòng)，其中鉸接密封安裝在中間分割部位。

主動(dòng)鉸接盾構(gòu)機(jī)主要依靠推進(jìn)油缸推管片的推力帶動(dòng)中盾后部一端鉸接油缸的產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)中盾前部以及前盾進(jìn)行掘進(jìn)。具體過程如下所述：

主動(dòng)鉸接是指將推進(jìn)油缸固定在中盾后部上，推進(jìn)油缸推管片時(shí)的推力，首先傳遞到中盾后部法蘭上進(jìn)而作用在整個(gè)中盾后部機(jī)體上，再依次傳遞到鉸接油缸上，通過鉸接油缸的伸出量與收縮量的改變，產(chǎn)生作用在中盾前部以及前盾上的反作用力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的俯仰與左右轉(zhuǎn)動(dòng)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 被動(dòng)鉸接

被動(dòng)形式盾構(gòu)機(jī)被分為前盾、中盾、尾盾三大部分，中盾和尾盾由鉸接油缸連接，形成鉸接裝置，可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的上下前后左右轉(zhuǎn)動(dòng)，其中鉸接密封安裝在尾盾前端的鉸接環(huán)上。

圖1 主動(dòng)鉸接結(jié)構(gòu)示意圖

被動(dòng)鉸接盾構(gòu)機(jī)主要依靠推進(jìn)油缸推管片的推力反作用于中盾法蘭以及前盾上，往前掘進(jìn)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的俯仰與左右轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而由中盾帶動(dòng)鉸接油缸前端進(jìn)行伸縮，鉸接油缸通過相應(yīng)的動(dòng)作帶動(dòng)尾盾行進(jìn)。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 被動(dòng)鉸接結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 主動(dòng)鉸接和被動(dòng)鉸接的比較

主動(dòng)鉸接和被動(dòng)鉸接的區(qū)別在于盾構(gòu)機(jī)的鉸接狀態(tài)是否由鉸接油缸帶動(dòng)產(chǎn)生，若盾構(gòu)機(jī)的鉸接狀態(tài)是由鉸接油缸推動(dòng)前盾和中盾前部形成的，則屬于主動(dòng)鉸接；若盾構(gòu)機(jī)的鉸接狀態(tài)是由推進(jìn)油缸推動(dòng)前盾和中盾形成的，進(jìn)而帶動(dòng)鉸接油缸伸縮，則屬于被動(dòng)鉸接，具體比較如表1所示[5]。

表1 主動(dòng)鉸接和被動(dòng)鉸接比較

1.4 本單位盾構(gòu)機(jī)特點(diǎn)

下面結(jié)合濟(jì)南重工股份有限公司實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)不同直徑盾構(gòu)機(jī)鉸接系統(tǒng)的特點(diǎn)予以說(shuō)明。

首先，盾構(gòu)機(jī)外形尺寸由隧道中鋪設(shè)的管片外徑?jīng)Q定，通過管片厚度以及盾尾間隙計(jì)算得出盾體內(nèi)徑及殼體厚度。由于不同地方的隧道規(guī)劃尺寸和用途各不相同，這就決定了不同尺寸盾構(gòu)機(jī)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)需求。在不同尺寸盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，如何合理地實(shí)現(xiàn)鉸接系統(tǒng)的變化是其中最為重要的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

濟(jì)南重工股份有限公司生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)均屬于中型盾構(gòu)機(jī)，其鉸接系統(tǒng)如上所述，與普通中型盾構(gòu)機(jī)鉸接特點(diǎn)基本一致。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)尺寸發(fā)生變動(dòng)時(shí)，需要注意其鉸接系統(tǒng)是否需要相應(yīng)調(diào)整，主要包括鉸接油缸分布圓直徑是否變動(dòng)、鉸接環(huán)長(zhǎng)度是否合適以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎半徑是否符合要求等。

在濟(jì)南重工股份有限公司已生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)中，其中第39和40臺(tái)盾構(gòu)機(jī)為主動(dòng)形式，由于所用地域隧道管片比之前所有管片直徑減小200mm，盾構(gòu)機(jī)整體尺寸也隨之減小200mm。此時(shí)需驗(yàn)證鉸接系統(tǒng)是否需要做出相應(yīng)調(diào)整，具體計(jì)算模型如圖3所示[6]。

圖3 隧道極限半徑與盾構(gòu)機(jī)（鉸接系統(tǒng)）尺寸關(guān)系計(jì)算簡(jiǎn)圖

L1為盾構(gòu)機(jī)前體長(zhǎng)度，L2為盾構(gòu)機(jī)后體長(zhǎng)度，W為盾構(gòu)機(jī)寬度，R2為線路外徑，R1為線路內(nèi)徑，R0為線路中心曲線半徑，θ為鉸接角度。經(jīng)過模型化設(shè)計(jì)和理論計(jì)算可知，當(dāng)鉸接油缸的分布圓直徑隨之減小200mm時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑可以達(dá)到客戶要求，滿足施工需要。

2 鉸接系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用

2.1 鉸接系統(tǒng)在姿態(tài)調(diào)整中的應(yīng)用

根據(jù)鉸接系統(tǒng)的特點(diǎn)，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行直線挖掘或者進(jìn)行輕微調(diào)整姿態(tài)時(shí)，首先需要選擇適當(dāng)?shù)牟僮髂Ｊ?，同時(shí)協(xié)調(diào)每個(gè)推進(jìn)油缸的壓力來(lái)共同實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，主動(dòng)鉸接一般不適合使用，因?yàn)槭褂弥鲃?dòng)鉸接后，隨著鉸接油缸的伸縮，隧道會(huì)與原設(shè)計(jì)中心線產(chǎn)生一定角度的偏差。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在曲線段施工時(shí)，設(shè)備的行進(jìn)路線需要通過鉸接油缸和推進(jìn)油缸的聯(lián)合工作來(lái)實(shí)現(xiàn)，主動(dòng)鉸接能使前盾和中盾前部主動(dòng)改變掘進(jìn)方向，有助于盾構(gòu)機(jī)沿原設(shè)計(jì)中心線掘進(jìn)，提高施工質(zhì)量。

在曲線施工時(shí)，當(dāng)曲線內(nèi)側(cè)作為曲線段支點(diǎn)的鉸接油缸處于鎖定狀態(tài)時(shí)，通過伸出外側(cè)的鉸接油缸使前盾和中盾前部發(fā)生鉸接。當(dāng)外側(cè)鉸接油缸伸出一定長(zhǎng)度獲得所需的鉸接角度后，鎖定所有鉸接油缸，保持現(xiàn)有的鉸接姿勢(shì)，然后通過對(duì)推進(jìn)油缸壓力分布進(jìn)行局部調(diào)整，達(dá)到盾構(gòu)曲線施工的目的。鉸接油缸以及推進(jìn)油缸分布示意圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 鉸接油缸分布示意圖

圖5 推進(jìn)油缸分布示意圖

2.2 鉸接密封的特點(diǎn)及應(yīng)用

鉸接密封系統(tǒng)具有兩種運(yùn)動(dòng)形式：一是掘進(jìn)方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即前后方向的運(yùn)動(dòng)，二是圓周方向的擺動(dòng)，即上下左右方向的運(yùn)動(dòng)。其中，前后方向的運(yùn)動(dòng)源于鉸接油缸的伸縮，與盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度和鉸接油油缸伸縮速度相關(guān)，而圓周方向的擺動(dòng)則受盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整過程的影響。

鉸接油缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)與推進(jìn)油缸間的不同步運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致盾體前后兩部分產(chǎn)生縫隙，為了實(shí)現(xiàn)盾體內(nèi)部壓力的穩(wěn)定，以及各重要零部件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備必須達(dá)到實(shí)時(shí)與外部隔離的效果，因此需要在盾體鉸接部位添加密封裝置來(lái)保證盾體內(nèi)部空間與盾體外土層的隔離。盾構(gòu)鉸接密封的主要作用為防止盾體外的泥土、砂礫等進(jìn)入盾體內(nèi)，如果密封失效，盾體內(nèi)部的主機(jī)部分各精密零部件將受到外部雜質(zhì)的污染甚至破損，最終引起功能失效，影響盾構(gòu)機(jī)的正常使用。

鉸接密封系統(tǒng)的密封作用根據(jù)其運(yùn)動(dòng)方式不同分為兩種形式：一是盾構(gòu)機(jī)主要依靠鉸接密封圈自身壓縮量對(duì)盾體進(jìn)行密封，此種形式常見于主動(dòng)密封形式，此時(shí)對(duì)鉸接密封的材料及壓縮變形能力要求較高；二是當(dāng)盾構(gòu)機(jī)處于小半徑轉(zhuǎn)向工況或鉸接密封自身發(fā)生塑性變形不能滿足密封要求時(shí)，通過對(duì)環(huán)形凹槽內(nèi)的緊急氣囊進(jìn)行充氣以滿足密封的需要，作為對(duì)鉸接密封圈密封能力不足的補(bǔ)償，此種形式常見于被動(dòng)鉸接形式。兩種鉸接密封形式分別如圖6、圖7所示。

圖6 主動(dòng)鉸接結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 被動(dòng)鉸接結(jié)構(gòu)示意圖

為了保證鉸接密封在各種復(fù)雜工況下的可靠性，需要對(duì)盾構(gòu)機(jī)鉸接密封的承壓性能進(jìn)行量化研究，確定鉸接密封承載臨界點(diǎn)，為盾構(gòu)機(jī)鉸接密封研發(fā)設(shè)計(jì)提供理論支持和依據(jù)[7-8]。

相關(guān)研究結(jié)果表明，當(dāng)外部土壓高于579kPa時(shí)，盾構(gòu)機(jī)鉸接密封變形量將超出其承受范圍，出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象時(shí)，需要采用承載能力較高的密封材料，或者增加其他密封方式；在鉸接系統(tǒng)內(nèi)填充油脂，增強(qiáng)密封效果以滿足不同工況需要，延長(zhǎng)鉸接密封系統(tǒng)壽命；使用承載能力較強(qiáng)的密封材料，增加鉸接密封的密度，從而提高密封的試驗(yàn)壓力，增強(qiáng)鉸接密封的密封效果。

另外，為了盡可能減小盾構(gòu)機(jī)在使用過程中對(duì)鉸接密封的損壞，避免滲漏等現(xiàn)象的發(fā)生，必須做到以下幾個(gè)方面：首先，需要在技術(shù)上和管理上對(duì)施工過程精確控制，尤其是在小半徑曲線施工時(shí)，做到盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整符合施工設(shè)計(jì)曲線；其次，鉸接系統(tǒng)作為調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的輔助手段，需要根據(jù)糾偏實(shí)時(shí)調(diào)整，避免大角度折彎，減少對(duì)鉸接密封的硬性傷害；最后，配合使用鉸接系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)，并做到維持土倉(cāng)壓力、推進(jìn)速度等的穩(wěn)定，以便盾構(gòu)機(jī)的軸線沿既定線路推進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉸接密封的保護(hù)。

3 結(jié)論

鉸接系統(tǒng)有助于盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)更小的曲線半徑，對(duì)于地形復(fù)雜的地段能夠精確控制隧道的轉(zhuǎn)彎等；主動(dòng)鉸接適合用于隧道曲線變化較為復(fù)雜的情況，被動(dòng)鉸接適合用于隧道曲線較為簡(jiǎn)單的情況。通過理論計(jì)算可知，鉸接密封所用材料的壓力承載能力對(duì)密封效果的影響較大，需根據(jù)具體施工壓力選取合適的密封材料，延長(zhǎng)鉸接密封壽命。盾構(gòu)機(jī)施工時(shí)，人們盡可能做到多系統(tǒng)、多功能配合使用，精確控制，規(guī)范化操作，在盾構(gòu)機(jī)正常運(yùn)行的同時(shí)減少對(duì)重要部件和易損部件的損害，這樣既能延長(zhǎng)使用壽命，還可以保證施工質(zhì)量。