盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎設(shè)計方法的研究

王 飛，劉 晶

（北方重工集團有限公司 盾構(gòu)機分公司，遼寧 沈陽 110025）

城市交通高速發(fā)展的時候，為了緩解地面的壓力，人們紛紛將視線投向了地下。地下管網(wǎng)及通行隧道愈加復(fù)雜，在各個大中型城市中已逐漸蔓延市區(qū)的每個角落，給人類的生活創(chuàng)造著更多的便捷，也加快了城市發(fā)展的節(jié)奏。我國地鐵隧道的轉(zhuǎn)彎半徑多在300m以上，這并不能允許我們在盾構(gòu)的設(shè)計中忽視轉(zhuǎn)彎對設(shè)備各部分結(jié)構(gòu)的要求和影響。掌握盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎的操作方法以及相關(guān)部件的轉(zhuǎn)彎設(shè)計方法是非常重要的。

1 盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎的操作原理

盾構(gòu)的主機較長，一般在9m以上，通常采用鉸接的形式，使其剛性結(jié)構(gòu)斷開，并可在密封的前提下達到一定的轉(zhuǎn)角，從而實現(xiàn)隧道的轉(zhuǎn)彎要求。目前盾構(gòu)有主動鉸接和被動鉸接兩種形式。主動鉸接位于前盾和中盾之間，但是盾體內(nèi)部空間有限較難布置，且操作較復(fù)雜，對司機的素質(zhì)要求較高。被動鉸接位于中盾和尾盾之間，被動鉸接油缸采用隨動形式，可以根據(jù)隧道的掘進方向自動調(diào)整尾盾的掘進曲線，基本適應(yīng)一般隧道掘進的要求，因此，被動鉸接形式在轉(zhuǎn)彎半徑大于300m的施工中較為常用。

被動鉸接的設(shè)計轉(zhuǎn)角能夠達到1.5°。在盾構(gòu)曲線掘進的過程中，司機通過控制不同分區(qū)內(nèi)推進油缸的壓力和行程來控制盾體的姿態(tài)，從而實現(xiàn)正確的掘進線路。

鉸接油缸除了參與盾體的轉(zhuǎn)彎，還負責拖拽尾盾。拖拽的力包括尾盾和隧道之間的摩擦力以及盾尾刷和管片外壁之間的摩擦力，等于有桿腔內(nèi)的油壓乘以有效面積再乘以鉸接油缸的數(shù)量。鉸接油缸在盾體內(nèi)圓周均布，在45°、135°、225°和315°的位置分別配有一個行程傳感器，PLC通過對反饋的行程數(shù)據(jù)進行分析，可以自動或者手動的進行隨后的操作。

鉸接系統(tǒng)有3種工作模式，分別為自由、伸長和縮回模式。自由模式下，鉸接油缸基于盾體中心處于自由鉸接的狀態(tài)，此時，無桿腔接油箱，各油缸的有桿腔相互連通，液壓油在外力作用下為達到平衡，在各有桿腔內(nèi)自由流動，從而達到調(diào)節(jié)尾盾位置效果。伸長模式下，鉸接被斷開，有桿腔和無桿腔皆通油箱，鉸接油缸可以隨著盾體的掘進被拉長。縮回模式下，無桿腔接油箱，向有桿腔注入高壓油，使得鉸接油缸被縮短。

2 盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎的設(shè)計方法

2.1 管片環(huán)組合形式及拼裝方法

目前盾構(gòu)隧道施工一般采用3種管片環(huán)的組合形式。第一種為標準管片環(huán)、左轉(zhuǎn)彎管片環(huán)和右轉(zhuǎn)彎管片環(huán)的組合形式；第二種為左轉(zhuǎn)彎管片環(huán)和右轉(zhuǎn)彎管片環(huán)的組合形式；第三種為通用管片環(huán)的組合形式。第一種憑借施工簡單、操作方便的優(yōu)勢在國內(nèi)普遍應(yīng)用，而其他兩種則因施工復(fù)雜、操作困難而較少使用。

在盾構(gòu)直線掘進的過程中，除了需要糾偏，一般均采用標準管片環(huán)進行直線隧道的拼裝。在盾構(gòu)曲線掘進的過程中，一般通過采用標準管片環(huán)和轉(zhuǎn)彎管片環(huán)組合的形式進行曲線隧道的拼裝。以國內(nèi)地鐵隧道通用的6m外徑、1.2m寬的管片環(huán)為例，轉(zhuǎn)彎管片環(huán)的中間寬度為1.2m、楔形量為48mm，轉(zhuǎn)彎管片環(huán)和標準管片環(huán)的數(shù)量比為U。當U=1∶1時，轉(zhuǎn)彎半徑為300m；當U=3∶7時，轉(zhuǎn)彎半徑為500m；當U=1∶3時，轉(zhuǎn)彎半徑為600m；當U=3∶13時，轉(zhuǎn)彎半徑為800m；當U=3∶17時，轉(zhuǎn)彎半徑為1 000m。本文研究當U=3∶2，即轉(zhuǎn)彎半徑為250m的情況，如圖1所示。

圖1 隧道管片轉(zhuǎn)彎設(shè)計

2.2 盾構(gòu)主機轉(zhuǎn)彎的設(shè)計方法

鉸接系統(tǒng)將盾構(gòu)主機分成兩部分。前半部分包括刀盤、前盾和中盾，以及其內(nèi)部的管片橋、管片安裝機、螺旋輸送機等。后半部分只有尾盾及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通常前半部分相對較長，且直徑相對較大。因此，如果盾構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)計的曲線掘進，就必須保證前半部分能夠布置在曲線隧道內(nèi)。盾構(gòu)殼體的幾何關(guān)系為，刀盤直徑>前盾直徑>中盾直徑，這種倒錐型結(jié)構(gòu)保證了盾構(gòu)在沒有仿形刀輔助的情況下可以進行曲線掘進。如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)的錐型結(jié)構(gòu)的曲線掘進

由鉸接系統(tǒng)的工作原理可以知道，鉸接油缸在外部載荷的作用下，可以自由伸縮，尾盾隨之被動地在隧道和管片之間擺動，直到達到瞬時的相對平衡。于是可以確定尾盾相對主機前半部分軸線的轉(zhuǎn)角。如圖3、圖4所示，U=3∶2，即轉(zhuǎn)彎半徑為250m的情況下，盾構(gòu)開挖直徑6.28m，主機相對轉(zhuǎn)角約為1.2°，鉸接油缸的相對行程差約為120.68mm。

圖3 盾構(gòu)主機轉(zhuǎn)彎

圖4 盾體主機轉(zhuǎn)彎示意圖

2.3 盾構(gòu)后配套轉(zhuǎn)彎的設(shè)計方法

盾構(gòu)的后配套通常由連接橋和拖車組成。后配套由主機通過連接橋的牽引向前行進。連接橋兩端分別支撐在管片橋和1號拖車上，拖車則通過金屬車輪坐在隧道底部的軌道上。

拖車車輪的一般結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中的一個輪子帶有雙邊輪緣，用于控制轉(zhuǎn)彎，1臺拖車一般有4組這樣的輪子。

圖5 拖車車輪

通過幾何作圖可以判斷，當帶輪緣的輪子布置在拖車內(nèi)側(cè)的時候，拖車可以適應(yīng)相對較小的極限轉(zhuǎn)彎半徑，相反則只能適應(yīng)相對較大的極限轉(zhuǎn)彎半徑，如圖6所示。因此，為了追求小轉(zhuǎn)彎半徑，將帶有輪緣的輪子布置在拖車的內(nèi)側(cè)是一個可選方法。

圖6 拖車車輪轉(zhuǎn)彎示意圖

注意到相對于帶輪緣的輪子的外側(cè)拖車結(jié)構(gòu)，這部分結(jié)構(gòu)在拖車轉(zhuǎn)彎的時候處于轉(zhuǎn)彎曲線的外側(cè)，且下一輛車的外側(cè)結(jié)構(gòu)也是這種情況，于是通過繪圖法可以知道，這樣的車輪布置使得拖車在轉(zhuǎn)彎的時候扭轉(zhuǎn)動作相對較小。反之，將帶有輪緣的輪子布置在拖車的外側(cè)的時候結(jié)果卻是相反的，這樣對于拖車之間，具有相對運動的各種管路、走臺甚至皮帶機的結(jié)構(gòu)都非常不利。

另外，后配套沿線的皮帶運輸機和風(fēng)管也都需要進行針對轉(zhuǎn)彎的設(shè)計。

2.4 盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎關(guān)鍵點的校核

所謂轉(zhuǎn)彎關(guān)鍵點就是盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎時，結(jié)構(gòu)之間有相對運動，且距離較近的部位。在盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎設(shè)計的時候需要著重校核的關(guān)鍵點有：螺旋輸送機和連接橋、螺旋輸送機和二次吊機、螺旋輸送機和皮帶機、管片橋和皮帶機、二次吊機和皮帶機、二次吊機和管片安裝機以及拖車之間的管路和走臺的相對位移。需要適應(yīng)轉(zhuǎn)彎的連接有：二次吊機在管片橋和連接橋上的連接、一次吊機在連接橋和拖車上的連接。 O

3 結(jié) 語

本文對盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎的設(shè)計方法進行了研究，分析的項目包括隧道管片、主機、鉸接、車輪、拖車等，內(nèi)容詳細，方法清晰，望同仁能夠得以參考和討論。 O

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