大型盾構(gòu)機(jī)吊裝技術(shù)的研究與應(yīng)用

摘 要：盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)，簡(jiǎn)稱盾構(gòu)機(jī)，是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，現(xiàn)代盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)集光、機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測(cè)量導(dǎo)向糾偏等功能，涉及地質(zhì)、土木、機(jī)械、力學(xué)、液壓、電氣、控制、測(cè)量等多門學(xué)科技術(shù)，按照不同的地質(zhì)進(jìn)行“量體裁衣”式的設(shè)計(jì)制造，可靠性要求極高。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程，安全高效的完成盾構(gòu)機(jī)拆裝是隧道工程的前提。文章介紹的是超大型盾構(gòu)機(jī)的吊裝工藝流程，對(duì)安全高效完成盾構(gòu)機(jī)吊裝有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：掘進(jìn)；盾構(gòu)機(jī)；隧道；吊裝

1 概述

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)，簡(jiǎn)稱盾構(gòu)機(jī)、是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，伴隨著建筑技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)等的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的小盾構(gòu)機(jī)所掘進(jìn)出來(lái)的隧道線已不能滿足發(fā)展需要，盾構(gòu)機(jī)直徑也有以前的6.3m發(fā)展為8.8m、13.2m乃至18m，隧道線也由以前的單線發(fā)展為雙線甚至雙層雙線，這對(duì)已經(jīng)較為成熟的盾構(gòu)機(jī)吊裝工藝提出了新的要求，在保證安全施工的前提下，要順利高效的完成盾構(gòu)機(jī)各項(xiàng)吊裝任務(wù)已成新的工程難題，吊機(jī)選型及其工況的選擇和吊裝工機(jī)具的選擇及研發(fā)需更加合理和安全。

2 技術(shù)方案的策劃

方案的策劃以海瑞克直徑13.6m的S985大型盾構(gòu)機(jī)下井吊裝為例進(jìn)行：

S985盾構(gòu)機(jī)主體總重約為2150t，由刀盤、盾體（分8塊）、主驅(qū)動(dòng)、盾尾（分4塊）和拼裝機(jī)及行走梁組成；后配套臺(tái)車總重約為1210t，1#-5#臺(tái)車和連接橋組成。其中最重件為刀盤，單件總重為430t。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)組裝的外形尺寸和重量及現(xiàn)場(chǎng)條件擬采用Manitowoc 18000/750t履帶吊來(lái)作為盾構(gòu)機(jī)吊裝的主力吊機(jī)，其工況為42.7m主臂、42m超起桅桿、223.17t吊機(jī)配重、145.15t中心壓重、350t輪式超起配重、600t大鉤、12m輪式超起半徑；采用一臺(tái)SCC4000C/400t履帶吊36m主臂、155t后配重、400t吊鉤工況來(lái)輔助設(shè)備翻身。

盾構(gòu)機(jī)下井吊裝工藝流程：5#臺(tái)車-2#臺(tái)車組裝分段下井→連接橋、1#臺(tái)車組裝分段下井→盾體底塊下井→盾體左右邊塊下井→主驅(qū)動(dòng)下井→盾體左右邊塊下井→盾體頂塊下井→拼裝機(jī)下井→盾尾下井→刀盤下井。

3 技術(shù)方案論證與實(shí)施

3.1 盾構(gòu)機(jī)主體吊裝

用Manitowoc 18000/750t履帶吊依次將5#臺(tái)車-2#臺(tái)車、連接橋和1#臺(tái)車組裝和吊裝下井之后，開始主體吊裝，在主驅(qū)動(dòng)下井之后，為了節(jié)省工期，對(duì)吊機(jī)定位，不拆除輪式超起完成后續(xù)吊裝工作，吊機(jī)工況如下表1所示。

圖1 盾構(gòu)機(jī)主體吊裝流程示意圖

3.2 盾尾下井

3.2.1 主力吊機(jī)將拼裝機(jī)和行走梁下井完成后，再下井盾尾，為保證盾尾的圓度，對(duì)盾尾進(jìn)行硬性加固，然后吊裝下井，用φ90×15m鋼絲繩一對(duì)掛腰到750t履帶式起重機(jī)的大鉤上，將4個(gè)55t卡環(huán)分別連接到鋼絲繩的4個(gè)頭上，再將4個(gè)55t卡環(huán)分別連接到4個(gè)吊耳上，盾尾翻身輔助吊機(jī)采用SCC4000C/400t履帶吊H主臂工況36m主臂、155t后配重、400t吊鉤工況來(lái)完成，2個(gè)55t卡環(huán)和兩條φ65×20m環(huán)形鋼絲繩分別連接翻身吊耳和輔助吊機(jī)大鉤，兩臺(tái)吊機(jī)緩慢配合將盾尾翻好身，就位時(shí)，考慮到空間不夠，需用輔助吊機(jī)輔助，待盾尾環(huán)套過(guò)拼裝機(jī)和行走梁之后在解除輔助吊機(jī)上的鋼絲繩和卡環(huán)；雙機(jī)抬吊單機(jī)載荷不能超過(guò)80%負(fù)荷率。

3.2.2 Manitowoc 18000/750t履帶吊采用42.7m主臂、42m超起桅桿、223.17t吊機(jī)配重、145.15t中心壓重、110t輪式超起配重、600t大鉤，吊裝跨距為20m，履帶吊在20m時(shí)的額定起重量為248.7t，盾尾重200t，履帶吊負(fù)荷率為84.4%。

3.2.3 輔助吊機(jī)采用SCC4000C/400t履帶吊H主臂工況36m主臂、155t后配重、400t吊鉤工況來(lái)完成，抬吊下井跨距為13m，此時(shí)吊機(jī)的額定起重量為147t，吊機(jī)負(fù)荷率為74.8%。

3.3 刀盤下井吊裝

3.3.1 刀盤分六塊，焊接好后整體吊裝下井，（焊縫經(jīng)過(guò)探傷）整體重量430t，用φ120×12m環(huán)形鋼絲繩4條掛到750t履帶式起重機(jī)的大鉤上，將工裝（經(jīng)過(guò)強(qiáng)度驗(yàn)算）連接鋼絲繩和刀盤吊耳，中間通過(guò)插銷連接（刀盤吊耳經(jīng)過(guò)探傷檢測(cè)，滿足承載要求；掛鉤前，對(duì)吊裝工機(jī)具進(jìn)行嚴(yán)格檢查，合格方可投入使用；掛鉤時(shí)，高空作業(yè)人員必須正確佩戴安全帶掛在腰部以上牢固可靠處；起吊前微受力，檢查各吊點(diǎn)無(wú)誤時(shí)方可起吊）；然后再用2個(gè)150t卡環(huán)和φ90×15m鋼絲繩兩對(duì)連接翻身吊耳和輔助吊機(jī)大鉤，輔助吊機(jī)采用SCC4000C/400t履帶吊36m主臂、155t后配重、400t吊鉤H主臂工況，輔助吊機(jī)跨距為7m內(nèi)，兩臺(tái)吊機(jī)緩慢起鉤，在刀盤下方墊好枕木，并受好力，防止刀盤打轉(zhuǎn)，通過(guò)主輔吊機(jī)起鉤變幅，將刀盤豎直，然后解除輔助吊機(jī)鋼絲繩和卡環(huán)，由750t履帶吊單機(jī)將其吊裝下井就位。

3.3.2 Manitowoc 18000/750t履帶吊采用42.7m主臂、42m超起桅桿、223.17t吊機(jī)配重、145.15t中心壓重、350t輪式超起配重、600t大鉤，12m輪式超起半徑，吊裝跨距為12m，履帶吊在12m時(shí)的額定起重量為587.1t，負(fù)荷率為74.9%。

3.3.3 輔助吊機(jī)采用SCC4000C/400t履帶吊H主臂工況36m主臂、155t后配重、400t吊鉤工況來(lái)完成，抬吊下井跨距為7m，此時(shí)吊機(jī)的額定起重量為269t，吊機(jī)負(fù)荷率為83.6%。

3.4 相關(guān)計(jì)算

3.4.1 地基承載力計(jì)算

起吊時(shí)地基承載力驗(yàn)算（按最大件刀盤重量430t計(jì)算）

吊機(jī)重量（加超起配重）：920000kg 刀盤重量：430000kg

鋼絲繩卸扣等吊索具：10000kg 合計(jì)：1360000kg

考慮兩側(cè)履帶均布受力時(shí)地基承載力要求為：

P=（1360000kg×10N/Kg）/（12×2×2.4）m2=236.1KPa；

考慮較不利因素，單側(cè)受力端履帶受到85%的力時(shí)地基承載力要求為：

P1=（1360000kg×10N/Kg×0.85）/（12×2.4）m2=401.4KPa；

考慮動(dòng)載安全系數(shù)1.3，地基承載力P2≥401.4kPa×1.3=521.8KPa=52.2t/m2；得出靠近井口側(cè)地基承載力需大于或等于52.2t/m2。

3.4.2 輔助吊機(jī)輔助抬吊時(shí)地基承載力驗(yàn)算（SCC4000C/400t履帶吊采用按抬吊刀盤時(shí)來(lái)計(jì)算）

吊機(jī)重量（加超起配重）：400000kg 抬吊刀盤重量：215000kg

鋼絲繩卸扣等吊索具：4000kg 合計(jì)：619000kg

考慮兩側(cè)履帶均布受力時(shí)地基承載力要求為：

P=（619000kg×10N/Kg）/（10×2×1.5）m2=206.3KPa；

考慮較不利因素，單側(cè)受力端履帶受到85%的力時(shí)地基承載力要求為：

P1=（619000kg×10N/Kg×0.85）/（10×1.5）m2=350.8KPa；

考慮動(dòng)載安全系數(shù)1.3，地基承載力P2≥350.8kPa×1.3=456KPa=45.6t/m2；得出輔助吊機(jī)輔助抬吊時(shí)地壓承受力需大于或等于45.6t/m2。

3.4.3 鋼絲繩校核

刀盤吊裝采用四條φ120mm×12m環(huán)形鋼絲繩（按6個(gè)頭算）起吊，經(jīng)查閱GB20067得鋼絲繩單根實(shí)際破斷力S=765t，刀盤重量為Q=430t，α=56.25°（鋼絲繩水平夾角），所以鋼絲繩安全系數(shù)為：K=6×S×sinα/Q=6×765×sin56.25°/430 =6.9>6（安全）

4 施工難點(diǎn)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義

（1）由于主力吊機(jī)Manitowoc 18000/750t履帶吊輪式超起工況改裝時(shí)間久，而施工工期相當(dāng)緊張，沒有條件讓我們?nèi)ヮl繁的更改吊機(jī)工況，因此，在主驅(qū)動(dòng)下井組裝完畢之后，考慮后期施工和施工場(chǎng)地環(huán)境對(duì)吊機(jī)進(jìn)行定位（不拆輪式超起主力吊機(jī)在未達(dá)到負(fù)載要求時(shí)是不能行走的，只能回轉(zhuǎn)），采用合適的吊機(jī)工況，完成后續(xù)的吊裝施工。

（2）刀盤吊裝采用工裝吊裝，通過(guò)銷軸連接，摒棄了使用大卡環(huán)的吊裝方式，增加了安全性，節(jié)省工機(jī)具的成本。

海瑞克S985盾構(gòu)機(jī)下井吊裝以高安全性、高質(zhì)量、工期短等贏得了業(yè)主的高度贊譽(yù)，同時(shí)為類似的超大型盾構(gòu)機(jī)吊裝積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，類似的大型吊裝會(huì)越來(lái)越多，大型的盾構(gòu)吊裝工藝也會(huì)在不斷改進(jìn)中越來(lái)越成熟，吊機(jī)選型及工況確定和工機(jī)具的使用設(shè)計(jì)會(huì)更加合理，市場(chǎng)前景廣闊。

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