一種適應(yīng)2種分度管片的盾構(gòu)推進(jìn)油缸布置優(yōu)化方案

肖俊祥，袁文征

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南鄭州 4 50016)

0 引言

盾構(gòu)是集機(jī)械、電氣、液壓、測(cè)量、控制等多種學(xué)科技術(shù)于一體，專門用于地下隧道工程開挖的技術(shù)密集型重大工程裝備［1-3］。近年來，隨著國內(nèi)城市地鐵的大量修建，作為隧道掘進(jìn)設(shè)備的盾構(gòu)在國內(nèi)地鐵隧道工程上的應(yīng)用越來越廣泛。目前，國內(nèi)地鐵隧道襯砌最常用地鐵隧道襯砌預(yù)制鋼筋混凝土管片以φ6m外徑為主，不同城市采用的管片分度不同，所以預(yù)制的管片縱向螺栓連接孔分度主要有22．5°分度(16顆徑向螺栓)及36°分度(10顆徑向螺栓)2種規(guī)格。為滿足不同分度管片洞內(nèi)封頂塊拼裝，推進(jìn)油缸典型布置為:22．5°分度管片的推進(jìn)油缸采用16組雙缸均布設(shè)計(jì)(共32根油缸)，36°分度管片的推進(jìn)油缸采用20組單雙油缸(共30根油缸)交叉布置設(shè)計(jì)［4-6］。

目前國內(nèi)現(xiàn)有的盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)備的推進(jìn)油缸布置僅能適應(yīng)一種分度管片施工，盾構(gòu)設(shè)備只能在管片規(guī)格相同的工程間調(diào)動(dòng)使用，在管片分度不同的工程施工需要進(jìn)行設(shè)備改造，耗費(fèi)資金、增加人力、占用工期。通過對(duì)各個(gè)城市地鐵管片的統(tǒng)計(jì)分析，仔細(xì)研究盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種可以適用2種分度管片拼裝的盾構(gòu)設(shè)備。優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案能提高設(shè)備的適應(yīng)性，減少重大工程裝備的投入，同時(shí)在減少重大工程裝備生產(chǎn)、促進(jìn)節(jié)能減排［7］方面有一定的積極意義。

1 盾構(gòu)推進(jìn)油缸分區(qū)布置設(shè)計(jì)原則

在國內(nèi)，分度為22．5°分度或者36°分度的管片均有通用環(huán)設(shè)計(jì)。在管片拼裝過程中，封頂塊可能在任意拼裝點(diǎn)位置［8］。本文推進(jìn)油缸設(shè)計(jì)分析均考慮通用環(huán)管片對(duì)推進(jìn)油缸帶來的影響。

在推進(jìn)油缸布置設(shè)計(jì)時(shí)，主要滿足管片封頂塊(以下簡(jiǎn)稱K塊)、標(biāo)準(zhǔn)塊和臨接塊的拼裝，并考慮管片結(jié)構(gòu)受力、縱縫分布方位、受力點(diǎn)布置、管片組裝施工方便性等因素。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，推進(jìn)油缸直接作用在管片上以獲得前進(jìn)的反力。因此，推進(jìn)油缸布置需要滿足管片錯(cuò)縫拼裝;K塊可以出現(xiàn)在圓周任意拼裝點(diǎn);無論管片如何錯(cuò)動(dòng)，推進(jìn)油缸布置保證每塊管片所受推進(jìn)力均等，尤其保證K塊插入時(shí)的受力對(duì)稱。

基于隧道工程管片通用環(huán)拼裝要求，K塊位置可能出現(xiàn)在所有分度位置，K塊分布點(diǎn)位數(shù)量

式中:Fn(或fn)為封頂塊拼裝點(diǎn)數(shù);α為連接螺栓的間隔角度。

所以，連接螺栓為22．5°分度的K塊拼裝點(diǎn)有16個(gè)，連接螺栓為36°分度的K塊拼裝點(diǎn)有10個(gè)。

22．5°分度管片間縱向螺栓為16個(gè)，沿圓周方向均布，相鄰的2個(gè)環(huán)向螺栓孔與管片中心所成角度為22．5°。為保證管片間的環(huán)向連接，管片沿環(huán)向有16個(gè)拼裝位置，每個(gè)位置稱為K封頂塊插入點(diǎn)，即管片的一個(gè)拼裝點(diǎn)，管片拼裝點(diǎn)位(F1～F16)布置如圖1所示。

圖1 22．5°分度管片拼裝點(diǎn)(Fn)布置圖Fig．1 Layout of erection points(Fn)of segment ring with 22．5°division

36°分度管片間縱向螺栓為10個(gè)，沿圓周方向均布，相鄰的2個(gè)環(huán)向螺栓孔與管片中心所成角度為36°。為保證管片間的環(huán)向連接，管片沿環(huán)向有10個(gè)拼裝位置，每個(gè)位置稱為K封頂塊插入點(diǎn)，即管片的一個(gè)拼裝點(diǎn)。管片拼裝點(diǎn)位(f1～f10)布置如圖2所示。

2 同時(shí)適應(yīng)2種分度管片的盾構(gòu)推進(jìn)油缸分區(qū)方法

在滿足錯(cuò)縫及封頂塊可以在任意拼裝點(diǎn)拼裝，所有環(huán)片受力低于最小承壓比的前提下，根據(jù)式(1)，當(dāng)連接螺栓間隔角度為22．5°時(shí)，滿足16個(gè)拼裝點(diǎn)(F1～F16)要求，推進(jìn)油缸總數(shù)至少為16組，設(shè)計(jì)上采用16組雙缸(雙撐靴)周向均勻布置;當(dāng)連接螺栓間隔角度為36°時(shí)，滿足10個(gè)拼裝點(diǎn)(f1～f10)要求，推進(jìn)油缸總數(shù)至少為10組。根據(jù)空間布置及受力要求，設(shè)計(jì)上采用10組單缸(單撐靴)和10雙缸(雙撐靴)周向均勻交錯(cuò)布置形式，2種布置形式在目前盾構(gòu)設(shè)備上已經(jīng)有成熟應(yīng)用。

圖2 36°分度管片拼裝點(diǎn)(fn)布置圖Fig．2 Layout of erection points(fn)of segment ring with 36°division

以上2種常見設(shè)計(jì)符合了推進(jìn)油缸布置原則，能滿足各自的管片拼裝要求。利用以上原則，如果需要滿足2種分度管片封頂塊拼裝要求，并保證所有管片受力均勻，即要滿足26個(gè)封頂塊拼裝點(diǎn)位要求。如圖3所示，在3點(diǎn)和9點(diǎn)(鐘表方位)方位上，有2個(gè)封頂塊拼裝點(diǎn)重合，即F5與f4、F13與f9重合，實(shí)際只需要24個(gè)封頂塊拼裝點(diǎn)位。因此，為了滿足2種分度管片拼裝要求，至少需要24組油缸，并保證撐靴中心分布在拼裝點(diǎn)上，同時(shí)考慮好管片受力均勻時(shí)推進(jìn)油缸整體布置。

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)如圖4所示的24根推進(jìn)油缸布置方案。采用剛好滿足2種分度管片所需最少拼裝點(diǎn)數(shù)的24根油缸進(jìn)行布置，24根油缸在圓周第一象限的方位為 0°、18°、27°、45°、54°、67．5°、90°，其他 3個(gè)象限油缸布置按兩軸對(duì)稱布置。推進(jìn)油缸撐靴布置根據(jù)適應(yīng)管片的不同進(jìn)行組合和調(diào)整。

圖3 適合2種分度推進(jìn)油缸工作示意圖Fig．3 Layout of thrust cylinders fitting for both 2 types of segment divisions

圖4 適合2種分度油缸布置示意圖(第一象限)Fig．4 Layout of thrust cylinders fitting for both 2 types of segment divisions(the first quadrant)

3 適應(yīng)2種分度管片的推進(jìn)油缸布置形式

用于22．5°分度管片時(shí)，第18°，27°方位油缸(拼裝點(diǎn)位F2或f2處)共用1塊并聯(lián)的雙撐靴①推進(jìn)油缸，其他3個(gè)象限均對(duì)稱布置，剩余拼裝點(diǎn)位油缸全布置為單撐靴②推進(jìn)油缸(見圖3)。在全周需16個(gè)拼裝點(diǎn)位中，12個(gè) K 塊拼裝點(diǎn)位(F1，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)6，F(xiàn)7，F(xiàn)9，F(xiàn)11，F(xiàn)12，F(xiàn)13，F(xiàn)14和F15)是1根單撐靴油缸拼裝，其余4個(gè)位置處(F2，F(xiàn)8，F(xiàn)10和F16)是2根油缸組成的雙撐靴拼裝封頂塊，16個(gè)點(diǎn)位布置均滿足22．5°分度管片拼裝要求。

用于36°分度管片時(shí)，方位第 18°，27°油缸(拼裝點(diǎn)位F2或f2處)更換成單撐靴推進(jìn)油缸②，4個(gè)象限對(duì)稱點(diǎn)進(jìn)行同樣更換操作，共采用24根單缸拼裝K塊，每個(gè)拼裝點(diǎn)采用單撐靴油缸進(jìn)行封頂塊拼裝，能滿足36°分度管片f1～f10的10個(gè)K塊拼裝點(diǎn)位要求。推進(jìn)油缸布置如圖5所示。

經(jīng)過對(duì)24組推進(jìn)油缸優(yōu)化布置方案進(jìn)行22．5°和36°分度管片的拼裝分析，能滿足錯(cuò)縫拼裝，適合所有拼裝點(diǎn)封頂塊拼裝。受力點(diǎn)比36°分度推進(jìn)系統(tǒng)20組油缸數(shù)量還多4組，最小承壓比低于設(shè)計(jì)要求，所有環(huán)片受力更均勻，推進(jìn)油缸布置滿足管片受力要求。

圖536°分度油缸布置示意圖(第一象限)Fig．5 Layout of thrust cylinders for segment rings with 36°division(the first quadrant)

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)以上盾構(gòu)推進(jìn)油缸分區(qū)方法及工作原理，設(shè)計(jì)一種同時(shí)適應(yīng)2種分度管片的推進(jìn)油缸布置方法，即推進(jìn)油缸采用24根單油缸設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)24組閥塊)，具體如圖3設(shè)計(jì)。為表述方便，用安裝點(diǎn)位Fn和fn來代替推進(jìn)油缸閥塊代號(hào)，24個(gè)安裝點(diǎn)位分別為閥塊第1至第24分組。在拼裝22．5°分度管片時(shí)，需將第f2和 F2、F8和 f6、f7和 F10、F16和 f1分組閥塊分別屏蔽其中一組，對(duì)應(yīng)撐靴變?yōu)殡p缸撐靴，使之變?yōu)?組雙缸，分別對(duì)應(yīng)F2、F8、F10和F16封頂塊拼裝點(diǎn)位，來滿足拼裝22．5°分度管片封頂塊所有可能位置的拼裝要求。本設(shè)計(jì)實(shí)例已經(jīng)在中鐵25號(hào)盾構(gòu)武漢地鐵(22．5°分度管片)成功應(yīng)用。

在拼裝36°分度管片時(shí)，直接采用24組閥塊進(jìn)行所有可能位置的封頂塊進(jìn)行拼裝。本設(shè)計(jì)實(shí)例已經(jīng)在中鐵38，39號(hào)南昌地鐵(36°分度管片)成功應(yīng)用，并在后續(xù)調(diào)用至其他城市施工，使用效果良好。

5 結(jié)論與討論

本文對(duì)目前國內(nèi)最常用的2種分度管片的盾構(gòu)推進(jìn)油缸布置進(jìn)行了研究，提出了能同時(shí)適用于2種管片分度推進(jìn)油缸布置方案，為盾構(gòu)推進(jìn)油缸布置設(shè)計(jì)提供了一種新思路。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的推進(jìn)油缸布置方案提高了盾構(gòu)在不同城市具有相同內(nèi)外徑隧道項(xiàng)目工程施工的適應(yīng)性，減少了重大裝備重復(fù)性投入，能直接降低項(xiàng)目施工設(shè)備投入費(fèi)用。在當(dāng)前國內(nèi)地鐵隧道管片設(shè)計(jì)分度不一致，盾構(gòu)設(shè)計(jì)制造廠家眾多，缺少盾構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)的情況下，新方案能引導(dǎo)盾構(gòu)推進(jìn)油缸布置設(shè)計(jì)進(jìn)一步統(tǒng)一規(guī)范，并形成一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

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