盾構(gòu)管片拼裝機的結(jié)構(gòu)分析

李文福

隨著我國基礎建設的快速發(fā)展,在城市土地資源日趨緊張的形勢下,地下空間進入了一個前所未有的發(fā)展階段。盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)作為地下空間開發(fā)中的核心技術(shù),已在能源、交通等領(lǐng)域的隧道建設中得到廣泛的應用。在盾構(gòu)施工過程中,隧道管片肩負著隧道成型擋土、止水等重要功能。管片拼裝的質(zhì)量直接影響著地下水土的滲透和地表沉降,而完成這一重要工序的就是盾構(gòu)機中的管片拼裝機。在盾構(gòu)機掘進施工過程中,管片拼裝機的主要功用是平穩(wěn)、快速、準確地將預制的混凝土管片,按預定要求拼裝于開挖出的隧道內(nèi)壁四周,形成襯砌,以此來支護剛開挖的隧道表面。

1 管片拼裝機的結(jié)構(gòu)分析

1.1 整體結(jié)構(gòu)

以下主要針對應用于黔貴鐵路定水壩隧道的某土壓平衡盾構(gòu)機的環(huán)式拼裝機進行分析。

此環(huán)式管片拼裝機主要由回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、平移系統(tǒng)和管片夾取裝置構(gòu)成,其中主要部件有馬達、傳動軸、傳動齒輪、回轉(zhuǎn)盤體、擋托輪、配重塊、懸臂梁、提升橫梁、油缸、導向柱及管片夾取裝置等,如圖1所示。

精確完成一片管片的拼裝,必須對該管片的6個自由度進行定位,如圖2所示,即軸向伸縮(沿隧道軸線 z方向),水平伸縮(沿隧道斷面 x方向),軸向回轉(zhuǎn)(沿隧道壁周向y方向)以及現(xiàn)實管片姿態(tài)調(diào)整的三個方向的轉(zhuǎn)動(偏轉(zhuǎn) θx,俯仰 θy,搖擺θz)[2]。該北京地鐵六號線所使用的盾構(gòu)機上的管片拼裝機,只能對管片進行5個自由度的定位,即對軸向回轉(zhuǎn)、水平伸縮、軸向伸縮、管片的俯仰θy及周向搖擺θz進行定位。剩余一個自由度即偏轉(zhuǎn)θx,依靠推進油缸的頂推來實現(xiàn),此拼裝機結(jié)構(gòu)較簡單,且有較大的作業(yè)空間。

1.2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由液壓馬達、傳動軸、傳動齒輪、回轉(zhuǎn)盤體、擋托輪和配重塊構(gòu)成,主要功能是在拼裝管片的過程中提供回轉(zhuǎn)力矩,并且為整個拼裝系統(tǒng)提供支撐。整個回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動力傳遞過程是:液壓馬達→減速器→傳動軸→傳動齒輪→回轉(zhuǎn)盤體。

拼裝機在拼裝管片時要進行旋轉(zhuǎn),所以在回轉(zhuǎn)過程中將產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力矩,過大的回轉(zhuǎn)力矩將對擋托輪和回轉(zhuǎn)盤體帶來破壞,為了減小回轉(zhuǎn)力矩,在回轉(zhuǎn)盤體上端設置有配重塊。配重塊可以平衡回轉(zhuǎn)力矩的一半,并且能夠有效地減小回轉(zhuǎn)阻力矩。

1.3 提升系統(tǒng)

提升系統(tǒng)主要由提升橫梁和兩個懸臂梁組成。懸臂梁通過安裝板由螺栓固定在回轉(zhuǎn)盤體上,兩個懸臂梁主要用來承受管片拼裝機工作時所產(chǎn)生的彎矩和扭矩,受力較復雜。其中一個懸臂梁內(nèi)置有液壓系統(tǒng)的油箱,用來為液壓油路提供液壓油。整個懸臂梁由油箱的底板、頂板、后板、前板、連接隔板和垂直導向裝置組成,相互焊接為一個整體。液壓泵組和電氣控制組安裝在一個懸臂梁的上部,在拼裝管片過程中隨拼裝機一起回轉(zhuǎn)。將拼裝系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設置在懸臂梁上,有效地減少了拼裝機回轉(zhuǎn)時電纜和油路管纏繞帶來的不便。

油箱內(nèi)置主動加壓系統(tǒng),用來保證拼裝機回轉(zhuǎn)工作時油箱容積變化帶來的油壓波動。箱蓋上設置有安全閥,用來避免箱體因壓力過高而損壞結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設備;此外,懸臂梁內(nèi)置油箱的密閉性良好,確保隨拼裝回轉(zhuǎn)時油箱內(nèi)不產(chǎn)生氣泡,以便減少液壓控制組件的噪聲。

提升橫梁主要由兩個提升油缸和兩個導桿組成,兩個升降油缸用來完成對管片的提升和上推,兩個升降垂直導桿用來導向。油缸和導桿導向套都與懸臂梁相連,導桿的導向套與懸臂梁固結(jié)為剛體。在加工和裝配過程中,要保證兩個垂直導桿的平行度達到一定要求,以防止在提升和上推管片時兩個提升油缸的活塞桿受彎矩,從而造成油缸的卡死或活塞桿彎曲。同時要使兩個垂直導桿保持良好的潤滑,以便使導桿在導桿軸套中能順利滑動。

1.4 平移系統(tǒng)

平移系統(tǒng)主要由一個雙作用水平移動油缸、兩根水平導桿和四個微調(diào)油缸組成。水平導桿起導向和支撐的作用,是承受管片重量的主要部件,因此在管片平移的過程中,要確保兩導桿的最大彎曲變形量在規(guī)定范圍內(nèi),并且兩導桿的平行度要好。水平導桿的加工和安裝都有較高要求,否則將造成平移過程中油缸活塞桿受力彎曲或折斷。

在水平移動系統(tǒng)中,設置有四個微調(diào)油缸,油缸的行程比較小,主要是在對管片進行定位時,調(diào)節(jié)管片俯仰θy及周向搖擺 θz。另外,微調(diào)油缸同時也用來固定管片,防止拼裝機運動時管片晃動。

1.5 管片夾取裝置

為了提高管片拼裝時的工作效率,并且減輕操作工人的勞動強度,管片夾取裝置采用了銷連接。每個管片中心都設置有螺栓孔,拼裝管片時在螺栓孔內(nèi)擰入吊環(huán)螺栓,此吊環(huán)螺栓下端為螺紋,上端為帶有銷孔的方頭。在拼裝機的夾取裝置中置有與吊環(huán)螺栓方頭相對應的倒U形凹槽,凹槽上設置相應的銷孔。夾取管片時,將吊環(huán)螺栓上的銷孔與凹槽上的銷孔對齊,然后插入吊環(huán)連接銷,即可完成管片的夾取。管片夾取裝置示意圖見圖3。

1.6 真圓保持器

真圓保持器支柱上裝有上下伸縮的千斤頂。千斤頂?shù)纳舷聝啥搜b有圓弧形的支架,該支架可在動力車架的伸縮梁上滑動,當一管環(huán)拼裝結(jié)束后,就把真圓保持器移到該管環(huán)內(nèi),當支柱上的千斤頂使支架緊貼管環(huán)后,盾構(gòu)就可以推進。盾構(gòu)推進后由于真圓保持器的作用,故管環(huán)不產(chǎn)生變形,并且一直保持真圓狀態(tài)[3]。

2 管片拼裝機的拼裝要求

管片拼裝是盾構(gòu)隧道施工中的重要環(huán)節(jié),管片拼裝的質(zhì)量直接影響著隧道的質(zhì)量,所以對管片的拼裝有著較高的要求,具體如下:1)拼裝好的管片環(huán)面要平整,不同塊之間不能存在凸凹不平現(xiàn)象;2)拼裝完的管片環(huán)面與隧道設計軸線垂直度要好;3)在拼裝過程中不能使管片破損;4)拼裝機在拼裝管片時,運動要平穩(wěn),不能有過大沖擊,定位要準確。由于管片在隧道中起著很重要的作用,所以拼裝機在拼裝管片時必須達到一定的運動精度。

3 結(jié)語

管片拼裝是盾構(gòu)施工中關(guān)鍵技術(shù)之一,管片拼裝機的正常工作是拼裝管片的基礎。目前,我國盾構(gòu)施工中仍然是采用人工進行拼裝管片,不但會增加工人的勞動強度,并且拼裝效率和拼裝精度都較低。在以后管片拼裝機的發(fā)展過程中,管片的拼裝將朝著實現(xiàn)自動化方向發(fā)展。本文通過對管片拼裝機的結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)地分析,提出了拼裝管片時的要求,將為盾構(gòu)機的設計制造及盾構(gòu)的安全施工提供有益借鑒。

[1] 張鳳祥,傅德明,楊國祥,等.盾構(gòu)隧道施工手冊[M].北京:人民交通出版社,2005:118-119.

[2] 錢曉剛,高 峰,郭為忠,等.六自由度盾構(gòu)管片拼裝機機構(gòu)設計[J].機械設計與研究,2008,24(1):17-20.

[3] 周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[4] [日]土木學會.隧道標準規(guī)范(盾構(gòu)篇)及解說[M].朱 偉,譯.北京:中國建筑出版社,2001:116-117.

[5] 翟一欣,顧永輝,林根榮,等.復興東路隧道盾構(gòu)管片拼裝機及拼裝輔助設備研制[J].大直徑隧道與城市軌道交通工程技術(shù),1998(2):424-431.

[6] 吳 雷.盾構(gòu)法地鐵隧道管片拼裝質(zhì)量控制[J].隧道建設,2006,26(2):41-43.

[7] 李含春,魏建華,丁書福,等.盾構(gòu)管片拼裝機無線控制器的設計研究[J].液壓氣動與密封,2004(6):14-15.