超大直徑盾構(gòu)機(jī)的組裝工藝

何志軍，張士龍，肖 軍，王 濤

（中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

以孟加拉卡納普里河工程泥水平衡盾構(gòu)機(jī)為例，是中國(guó)首臺(tái)出口海外的超大直徑泥水氣壓平衡盾構(gòu)機(jī)，直徑12.12m，用于建設(shè)孟加拉卡納普里河底隧道工程。該盾構(gòu)機(jī)的組裝工藝從工程設(shè)計(jì)階段就開始介入。考慮到工廠最大行車起重重量為250t，以及卡納普里河河邊道路的承載能力，將前、中、后盾沿圓周方向各分為4塊，同時(shí)設(shè)計(jì)了專用翻身工裝來協(xié)助驅(qū)動(dòng)部分的安裝。既滿足了現(xiàn)場(chǎng)吊裝條件，又合理控制了分塊數(shù)量，降低組裝工藝的復(fù)雜程度。

1 盾構(gòu)機(jī)組裝施工難點(diǎn)分析

在超大直徑盾構(gòu)機(jī)制造、組裝的過程中, 盾構(gòu)機(jī)的組裝工藝技術(shù)是盾構(gòu)制造、應(yīng)用的最基本技術(shù)條件和保障, 對(duì)盾構(gòu)機(jī)制造的進(jìn)度和質(zhì)量起著決定性的作用。盾構(gòu)機(jī)的組裝工藝技術(shù)決定了如何設(shè)計(jì)及制作、加工。超大直徑的盾構(gòu)機(jī)組裝工藝和普通直徑盾構(gòu)機(jī)相比具有較大差異，巨大的直徑帶來的是巨大的部件重量，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)和工廠的起吊重量、起吊高度都是巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)井口尺寸也限制了分塊尺寸。需要注意的是，盾構(gòu)機(jī)分塊的數(shù)量在保證運(yùn)輸和起吊能力的前提下需盡可能減少，以減少拼裝組合時(shí)的累積誤差，保證核心部件的較高精度，并在施工作業(yè)中減少頻繁的起吊、拼裝，加快工期進(jìn)度，降低施工難度。總體來說，組裝難點(diǎn)主要有：

（1）盾構(gòu)機(jī)單個(gè)最重部件為驅(qū)動(dòng)部，如印尼雅萬項(xiàng)目泥水盾構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部質(zhì)量在300t以上，而公司總裝車間最大起吊重量為250t，無法滿足驅(qū)動(dòng)部安裝起吊要求，需要重新設(shè)計(jì)安裝方案。

（2）單個(gè)零部件重量大，如南京和燕路泥水盾構(gòu)的刀盤總重近600t，前、中、后盾重量分別在250～600t之間。需要進(jìn)行合理的分塊以滿足吊裝、運(yùn)輸要求。

（3）巨大的零件尺寸造成了巨大的下井作業(yè)難度。以孟加拉卡納普里河底隧道工程盾構(gòu)機(jī)為例，其臺(tái)車長(zhǎng)18m，高9m，下井作業(yè)難度大，并且廠內(nèi)組裝時(shí)對(duì)起吊要求很高。

2 盾構(gòu)機(jī)組裝工藝分析

2.1 車間內(nèi)裝配工藝

組裝前需進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)組裝場(chǎng)地準(zhǔn)備，劃線定位、清理場(chǎng)地，大小尺寸需滿足盾構(gòu)機(jī)的寬度和長(zhǎng)度尺寸，地面需滿足盾構(gòu)機(jī)的整體承載能力要求。

首先將前盾底部、中盾底部分塊安裝到胎架基座上，進(jìn)行2個(gè)底部分塊的拼接，盡量擴(kuò)大的驅(qū)動(dòng)部的承載面。在此將前、中盾按圓周方向分為4個(gè)部分，重量適中易于吊裝運(yùn)輸（見圖1）。

接下來進(jìn)行翻身胎架的組裝，翻身架組裝安裝到位后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)部的拼裝。在前、中盾下分塊上方搭建翻身架，在翻身架上完成驅(qū)動(dòng)部分驅(qū)動(dòng)電機(jī)的組裝后進(jìn)行整體翻轉(zhuǎn)。翻身架內(nèi)有2對(duì)150t液壓千斤頂，可以協(xié)助行車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)部總成的翻轉(zhuǎn)安裝。

完成驅(qū)動(dòng)部分安裝后需使用碼板進(jìn)行固定，然后吊裝前、中盾體的左右分塊。吊裝左右分塊完成后馬上支護(hù)固定，注意吊裝安全和位置精度。然后進(jìn)行前盾的頂分塊安裝。前、中盾拼裝完成后進(jìn)行后盾體下分塊的安裝，然后進(jìn)行后盾體左、右分塊和縱梁的拼裝，完成后盾頂部分塊的吊裝到位。后盾完成拼裝后是臺(tái)車的逐步安裝，這一部分會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)組裝工藝中詳細(xì)描述（見圖2）。

最后進(jìn)行刀盤的拼裝。由于刀盤的制作工期最長(zhǎng)，一般是在盾體和臺(tái)車安裝好后，在整體調(diào)試之前安裝到位。首先安裝刀盤中心塊，然后以其為基準(zhǔn)，調(diào)整好水平度，再依次安裝刀盤周邊各分塊。刀盤各分塊間先安裝定位銷，然后使用螺栓連接固定。完成螺栓連接后對(duì)刀盤整體尺寸進(jìn)行報(bào)檢，檢驗(yàn)合格后進(jìn)行施焊，施焊完成后做探傷檢測(cè)。在全部檢驗(yàn)合格后，安裝刀盤封板及輻條連接處的工藝卡板，完成刀盤總成的安裝。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)施工下井工藝

施工現(xiàn)場(chǎng)的盾構(gòu)機(jī)總裝工藝流程與車間內(nèi)大致相同，其主要難點(diǎn)在于井口尺寸限制了盾構(gòu)機(jī)的分塊、拼裝。以印尼雅萬項(xiàng)目為例，臺(tái)車長(zhǎng)數(shù)十米、高寬超10m，而主井口長(zhǎng)19m，副井口12.5m，如何分割臺(tái)車下井并在井下拼裝成型成了一個(gè)重大難點(diǎn)。

在印尼雅萬項(xiàng)目中，整個(gè)臺(tái)車大體上被分為3個(gè)部分：1號(hào)臺(tái)車、2號(hào)臺(tái)車、3號(hào)臺(tái)車，其中1號(hào)及3號(hào)臺(tái)車分為底部車輪、上、下分塊及頂部元器件；2號(hào)臺(tái)車長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此分為前、中、后3分塊。

首先是進(jìn)行1號(hào)臺(tái)車的裝配，1號(hào)臺(tái)車從主井口下井，管片輸送機(jī)、船底板和1號(hào)臺(tái)車車輪首先下井，1號(hào)臺(tái)車下分塊先在地面組裝完成后，在臺(tái)車U型分塊上安裝連接工裝。1號(hào)臺(tái)車下分塊下井后和車輪進(jìn)行安裝，并對(duì)車輪部做防護(hù)，防止臺(tái)車發(fā)生滑動(dòng)。1號(hào)臺(tái)車上分塊同樣也是在地面上拼裝完成后起吊入井，用螺栓連接上下分塊，最后依次吊裝1號(hào)臺(tái)車頂部元器件。在明挖段后側(cè)左、右位置各預(yù)先放置1臺(tái)卷?xiàng)顧C(jī)，利用卷揚(yáng)機(jī)和滑輪組將1號(hào)臺(tái)車整體向后移動(dòng)，移動(dòng)過程中臺(tái)車下側(cè)船底板前后交替鋪裝，直至1號(hào)臺(tái)車整體進(jìn)入明挖段內(nèi)后，對(duì)臺(tái)車車輪做加固處理，防止臺(tái)車向前滑動(dòng)。以上完成后，盾構(gòu)下井口開始組裝盾構(gòu)，盾構(gòu)主體拼裝工藝和前文描述基本相同。2、3號(hào)臺(tái)車從主井口后方的副井口下井，拼裝下井過程和1號(hào)臺(tái)車類似，就不再贅述。在臺(tái)車全部下井后，將1、2號(hào)臺(tái)車整體前移和盾構(gòu)托梁連接，3號(hào)臺(tái)車整體和2號(hào)臺(tái)車連接。臺(tái)車整體拼裝完成后與盾構(gòu)主體連接，恢復(fù)連接管路和控制線路，完成所有元器件的接線，至此盾構(gòu)機(jī)的裝配基本完成。其主要步驟流程如圖3所示。

↓ 圖1 前、中盾下分塊安裝

→ 圖2 翻身胎架及驅(qū)動(dòng)部安裝

3 翻身胎架設(shè)計(jì)及有限元分析

3.1 翻身胎架結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)思路

超大直徑盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)部質(zhì)量巨大，并且垂直安裝于下盾分塊上，傳統(tǒng)工藝為在驅(qū)動(dòng)部整體組裝完成后進(jìn)行起吊、翻轉(zhuǎn)、安裝，操作難度極大。以孟加拉項(xiàng)目為例，驅(qū)動(dòng)部總質(zhì)量約350t，而車間內(nèi)行車最大起吊重量為250t，傳統(tǒng)工藝無法滿足吊裝要求。因此考慮先行于驅(qū)動(dòng)部安裝位置——即于前、中盾上方搭建翻身胎架工裝平臺(tái)，將驅(qū)動(dòng)部于工裝平臺(tái)上完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的組裝。同時(shí)在翻身胎架中加入液壓千斤頂模塊，通過液壓千斤頂?shù)纳岛椭闻浜闲熊噥韺?shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)部的整體翻轉(zhuǎn)并安裝到位。

在孟加拉項(xiàng)目中首先使用該翻身工裝，該工裝單個(gè)總高約為4m，寬度約為1.7m，單個(gè)工裝重量為10t。工裝主要由基座和翻身架組成?；糜谶B接前盾下部和翻身架。翻身架內(nèi)可放置兩對(duì)100t的液壓千斤頂，用于驅(qū)動(dòng)部的整體頂升和降低。配合行車起吊可滿足驅(qū)動(dòng)部總成拼裝完成后的翻轉(zhuǎn)安裝操作。

3.2 翻身胎架強(qiáng)度有限元分析

翻身胎架承受著整個(gè)驅(qū)動(dòng)部的重量，考慮到動(dòng)載荷及具備較高安全系數(shù)的要求，在設(shè)計(jì)前期對(duì)其基座進(jìn)行載荷分析。

翻身工裝的主要材料是Q345，屈服強(qiáng)度335MPa，楊氏模量206Gpa，泊松比0.3。此類工裝使用場(chǎng)合特殊，應(yīng)保證其安全系數(shù)較高。另外，工裝受力產(chǎn)生的形變應(yīng)控制在一個(gè)較低水平，減少對(duì)后續(xù)裝配可能帶來的誤差。

工裝總載荷為驅(qū)動(dòng)部總質(zhì)量350t。另外，由于其結(jié)構(gòu)為左右對(duì)稱，對(duì)結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行建模仿真計(jì)算即可。整體等效應(yīng)力云圖和合位移云圖見圖4、圖5和表1，仿真結(jié)果表明，該翻身胎架使用強(qiáng)度滿足要求。

圖3 總體裝配流程圖

圖4 整體等效應(yīng)力云圖

圖5 合位移云圖

表1 整體等效應(yīng)力云圖和合位移云圖

4 結(jié)束語

本文基于近年來幾個(gè)典型的隧道工程實(shí)況，分析了超大直徑盾構(gòu)機(jī)組裝施工中的難點(diǎn)問題，詳細(xì)介紹了其組裝工藝流程，同時(shí)設(shè)計(jì)了新型的翻身工裝，解決了超重部件安裝問題。

超大直徑盾構(gòu)機(jī)的組裝過程中，若能做到合理的分塊數(shù)量、單個(gè)零部件質(zhì)量并制定合理的工藝流程，則可大大降低施工難度，加快施工進(jìn)度，提高施工的安全性。