一種大直徑盾構(gòu)隧道箱涵運(yùn)輸支撐轉(zhuǎn)動裝置的研制

王書超,劉彥玲

(鄭州新大方重工科技有限公司,鄭州 450064)

1 研制背景

盾構(gòu)工法的誕生迄今已有180 多年的歷史，其關(guān)鍵技術(shù)主要由德國、日本等國外企業(yè)壟斷[1]。近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)，通過對國外技術(shù)的引進(jìn)吸收和自我技術(shù)創(chuàng)新[2]，盾構(gòu)工法的關(guān)鍵技術(shù)已被我國相關(guān)企業(yè)掌握[3]。由于大直徑斷面利用率高[4]，當(dāng)前國內(nèi)盾構(gòu)工法隧道工程技術(shù)已經(jīng)向大斷面、大深度、長距離方向發(fā)展[5]。在大直徑盾構(gòu)隧道施工中，箱涵(又名預(yù)制口子件)是安裝在由管片組成的環(huán)形隧道襯砌內(nèi)的重要構(gòu)件[6-7]，因而箱涵的運(yùn)輸和吊裝對整個工程的施工安全和施工進(jìn)度影響很大[8]。

采用大直徑盾構(gòu)工法的隧道工程中，傳統(tǒng)箱涵運(yùn)輸采用與管片運(yùn)輸相同的方式[9]，直接放置在平板車的固定支座上[10-11]，橫向平躺(圖1)或者縱向(圖2)放置。當(dāng)前國內(nèi)大直徑隧道箱涵外形尺寸一般為：長2 500 mm，寬4 100 mm，高2 500 mm，質(zhì)量約35 t[12]。如圖1采用橫向平躺放置，運(yùn)輸車寬度一般2 500 mm內(nèi)[9]，運(yùn)輸時寬度增大到4 100 mm，這樣造成進(jìn)入隧道內(nèi)運(yùn)輸時超寬，影響其他車輛通行，降低了施工效率。然而更嚴(yán)重的問題是盾構(gòu)機(jī)箱涵吊具需要增加翻轉(zhuǎn)裝置，箱涵吊具起吊箱涵到達(dá)安裝位置前，要將箱涵由平躺翻轉(zhuǎn)90°豎起才能安放箱涵，如圖3所示。如圖2縱向放置，盾構(gòu)機(jī)箱涵吊具需要增加回轉(zhuǎn)裝置，箱涵吊具起吊箱涵到達(dá)安裝位置前將箱涵旋轉(zhuǎn)90°才能安放箱涵，如圖4所示。隧道施工中作業(yè)空間狹小，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)空間更狹小，因此盾構(gòu)機(jī)后配套設(shè)備外形尺寸是越小越好[13]。而傳統(tǒng)施工中箱涵吊具需增加輔助裝置，吊具設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，其制造和安裝也比較困難。隧道斷面較小的情況下，因空間尺寸的限制就會出現(xiàn)以降低安全性來滿足使用要求的情況，如選用較小結(jié)構(gòu)尺寸的裝置或簡化的裝置來完成輔助動作。狹小空間吊裝35 t重物時增加輔助動作，這樣增加吊裝作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，也降低了施工效率。另外傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式在長距離大坡道隧道內(nèi)運(yùn)輸時，沒有縱向保護(hù)措施，在運(yùn)輸過程中存在安全隱患。

隨著國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)飛速發(fā)展，對大直徑盾構(gòu)工法要求越來越高，如何安全、高效運(yùn)輸和吊裝箱涵是技術(shù)人員亟待解決的問題。

圖1 平躺橫向放置

圖2 縱向放置

圖3 吊起箱涵翻轉(zhuǎn)

圖4 吊起箱涵回轉(zhuǎn)

2 研制思路

根據(jù)大盾構(gòu)工法隧道施工的實(shí)際需求，該裝置在運(yùn)輸過程中縱向承載箱涵；其要求具備輔助功能，具有簡化箱涵吊裝的作用；其安裝在液壓平板車上，動力源直接取自車輛動力系統(tǒng)，可直接在車上單獨(dú)操作，操作簡單高效；其適應(yīng)箱涵長距離大坡度運(yùn)輸；整體高度不能影響箱涵吊裝；滿足箱涵運(yùn)輸?shù)耐瑫r兼顧管片運(yùn)輸。圖5為大直徑盾構(gòu)隧道箱涵運(yùn)輸支撐轉(zhuǎn)動裝置三維圖。

圖5 大直徑盾構(gòu)隧道箱涵運(yùn)輸支撐轉(zhuǎn)動裝置

3 裝置的作業(yè)原理

3.1 箱涵運(yùn)輸

在箱涵運(yùn)輸?shù)跹b施工過程中，箱涵直接放置在托架上，4個夾緊油缸伸出夾緊箱涵，如圖6所示；箱涵運(yùn)到盾構(gòu)機(jī)后配套箱涵起吊位置，平板車整體降低，縮回夾緊油缸，拔下油缸中間銷軸，將油缸放平躺下以降低高度，將托架回轉(zhuǎn)90°，如圖7所示；箱涵吊機(jī)到位掛上箱涵起吊，如圖8所示。

3.2 箱涵運(yùn)輸

運(yùn)送管片時，夾緊油缸水平放置狀態(tài)，將管片放置在托架上(圖6)；平板車開到盾構(gòu)機(jī)后配套管片吊機(jī)起吊位置，平板車整體降低，管片吊機(jī)到位掛上管片起吊，如圖9所示。

圖6 運(yùn)輸箱涵/管片

圖7 箱涵90°回轉(zhuǎn)到位

圖8 箱涵吊裝

圖9 管片吊裝

4 關(guān)鍵技術(shù)

大直徑盾構(gòu)隧道箱涵運(yùn)輸支撐轉(zhuǎn)動裝置研制是否成功，實(shí)際使用是否安全高效，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題。

4.1 托架設(shè)計(jì)

托架作為運(yùn)輸過程中的重要承力部件，既要具備很好的強(qiáng)度和剛度，又要保證結(jié)構(gòu)整體高度低[14]。采用工字梁組成的框架結(jié)構(gòu)，上面圓弧形設(shè)計(jì)，弧形與箱涵或管片弧形近似，中間低兩側(cè)高，寬度方向要方便管片吊裝。同時要考慮到箱涵外形尺寸和重心位置，保證在使用過程中盡量減小慣性力，重載運(yùn)輸過程中托架受力均勻。另外，頂面鋪設(shè)橡膠墊保護(hù)箱涵或管片。如圖10所示。

圖10 托架結(jié)構(gòu)

4.2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)起到傳遞荷載及回轉(zhuǎn)的功能，是托架與運(yùn)輸車連接的重要部分。本方案回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)半潛在車架內(nèi)，嚴(yán)格控制其突出車頂面的高度。通過回轉(zhuǎn)油缸的伸縮可實(shí)現(xiàn)支承托架的回轉(zhuǎn)[14]，回轉(zhuǎn)油缸安裝有液壓鎖在運(yùn)輸箱涵或管片時鎖定位置，油缸動力源取自平板車動力系統(tǒng)，可單獨(dú)。如圖11所示。

圖11 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

4.3 夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾緊機(jī)構(gòu)起到縱向支撐作用，保證運(yùn)輸時放置在托架上箱涵安全牢固，該裝置高度在箱涵吊裝時又不能高于托架上弧面最低點(diǎn)高度。本方案采用帶有安全閥的夾緊油缸，油缸中間和后端分別固定連接，前段安裝有夾緊塊。油缸動力源取自平板車動力系統(tǒng)，可單獨(dú)或者分組聯(lián)動操作。如圖12所示。

圖12 夾緊機(jī)構(gòu)

5 現(xiàn)場應(yīng)用

太原鐵路樞紐西南環(huán)線隧道為單洞雙線大斷面鐵路隧道，直徑12.14 m，長4 850 m，坡度1.3%。應(yīng)用新研制的隧道箱涵運(yùn)輸支撐轉(zhuǎn)動裝置，箱涵運(yùn)輸時不影響箱涵側(cè)翼板現(xiàn)場澆筑施工及其他車輛作業(yè)，夾緊裝置提高了長距離運(yùn)輸?shù)陌踩?，調(diào)整箱涵方向的過程不占用吊具使用時間，吊起箱涵后可直接對位安裝，省去了吊裝過程中翻轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)等輔助動作，降低了吊裝過程的風(fēng)險(xiǎn)。單個吊裝過程相比傳統(tǒng)方式節(jié)省約10 min，按照太原項(xiàng)目一天掘進(jìn)長度達(dá)到18 m計(jì)算，一天需安裝9個箱涵，該裝置的應(yīng)用一天就能節(jié)省約90 min，提高了箱涵吊裝的施工效率。同類裝置也在廣深港客運(yùn)專線益田路隧道成功應(yīng)用，益田路隧道箱涵運(yùn)輸?shù)缆菲露冗_(dá)6%。通過現(xiàn)場應(yīng)用證明該裝置安全可靠，有利于提高施工效率，節(jié)約施工成本[15-16]。現(xiàn)場應(yīng)用情況如圖13所示。

圖13 支撐轉(zhuǎn)動裝置應(yīng)用情況

6 結(jié)語

大直徑盾構(gòu)隧道箱涵運(yùn)輸支撐轉(zhuǎn)動裝置通過工程實(shí)際應(yīng)用，證明其安全高效，效果很好。隨著基礎(chǔ)設(shè)施的大力建設(shè)，我國盾構(gòu)裝備技術(shù)發(fā)展迅速，盾構(gòu)工法越來越多的應(yīng)用于高速鐵路、城市軌道交通、特高壓輸變電線和城市地下管網(wǎng)等的建設(shè)，此項(xiàng)技術(shù)對于大直徑盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展具有很好的借鑒意義。該裝置及技術(shù)已獲國家專利局發(fā)明專利(ZL201520233444.X)。