隧道掘進機管片拼裝機簡介與常見問題的解決

張寧寧

（北方重工集團有限公司隧道裝備設(shè)計研究所，遼寧 沈陽 110000）

1 設(shè)計背景

目前，管片拼裝機已成為我國隧道施工中關(guān)鍵設(shè)備，管片拼裝機性能好壞直接影響隧道施工進度，管片拼裝機驅(qū)動裝置、回轉(zhuǎn)支撐等職能部件的計算選型都來源于管片拼裝機施工中工況，所以對管片拼裝機施工工況的合理計算尤為重要。

隧道施工中由于工作環(huán)境差、操作空間有限，合理布置管路、線纜能夠直接降低管片拼裝機故障率，使操作手使用舒適，節(jié)省管片拼裝時間。

2 管片拼裝機結(jié)構(gòu)組成以及使用功能

管片拼裝機結(jié)構(gòu)組成：固定環(huán)、旋轉(zhuǎn)環(huán)、平移裝置、提升裝置、驅(qū)動裝置、抓取裝置，如圖1。

圖1

隧道施工時，每環(huán)管片與砂漿服務(wù)車一起進入到設(shè)備末端，管片吊機依次將每塊管片吊到拼裝機工作區(qū)域，管片拼裝機在滑道上向后行走至管片上方，提升裝置中的大臂油缸伸出，使抓取裝置上連接套掛到連接管片的蘑菇頭上，抓取油缸縮回將管片壓緊到尼龍塊上如圖2，大臂油缸縮回，旋轉(zhuǎn)環(huán)在驅(qū)動裝置的作用下旋轉(zhuǎn)到拼接管片的位置上，大臂油缸伸出，管片安裝定位，大臂油缸縮回并旋轉(zhuǎn)至起始位置，依次抓取第二塊管片，旋轉(zhuǎn)裝置能夠旋轉(zhuǎn)±220°，圖3 為管片拼裝機工作流程圖。

圖2

圖3

3 管片拼裝機工況

管片拼裝機是由兩套驅(qū)動裝置一起驅(qū)動回轉(zhuǎn)支撐，并最終帶動管片拼裝機旋轉(zhuǎn)環(huán)旋轉(zhuǎn)，拼裝機為間歇工作，工作30 分鐘，停機30 分鐘，每天工作24 小時，以開挖直徑6.6 米土耳其項目為例介紹管片拼裝機工況，表1。

表1

管片拼裝為錯縫拼裝，環(huán)與環(huán)之間縱向密封壓緊力由主推油缸提供，每環(huán)環(huán)向密封壓緊力由拼裝機驅(qū)動裝置提供，彈性密封墊材質(zhì)為三元乙丙橡膠，密封墊壓縮至設(shè)計高度時，裝配力應(yīng)小于等于45kN/m,每環(huán)管片密封長度為1.4m，壓緊環(huán)向密封所需要驅(qū)動力為：F1=45kN/m×1.4m=63kN,密封到旋轉(zhuǎn)中心的距離L6=3080mm, 回轉(zhuǎn)支撐旋轉(zhuǎn)內(nèi)摩擦力由廠家提供，3m 回轉(zhuǎn)支撐的內(nèi)摩擦力矩約M=13kNm；

管片拼裝機第一個工況，大臂油缸伸出，旋轉(zhuǎn)裝置帶著管片旋轉(zhuǎn)，壓緊每環(huán)環(huán)向密封：M1=(G1×L1+G2×L2+G3×L3+G4×L4-G5×L5)/100+F1×L6/1000+M=349kNm；

管片拼裝機第二個工況，大臂油缸伸出，旋轉(zhuǎn)裝置帶著管片旋轉(zhuǎn)：

M2 =(G1 ×L1 +G2 ×L2 +G3 ×L3 +G4 ×L4 -G5 ×L5)/100 +M =155kNm；

管片拼裝機第三個工況，大臂油缸縮回，旋轉(zhuǎn)裝置帶著管片旋轉(zhuǎn)：

M3=(G1×L1+G2×L2+G3×L3+G4×L4-G5×L5)/100+M=99kNm；

管片拼裝機第四個工況，大臂油缸縮回，旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)：

M4=(G2×L2+G3×L3+G4×L4-G5×L5)/100+M=25.7kNm。

表2 為管片拼裝機工況，共四種，扭矩取安全系數(shù)為1.1，軸承的軸向載荷為管片拼裝機在軌道上行走所克服自重產(chǎn)生的摩擦力，表2 為開挖直徑6.6 米管片拼裝機工況，可用于管片拼裝機回轉(zhuǎn)支撐、驅(qū)動裝置的選型。

表2

4 管片拼裝機施工現(xiàn)場常出現(xiàn)的問題與解決

管片拼裝機旋轉(zhuǎn)部件中職能元件的管路連接是拼裝機設(shè)計難點，現(xiàn)場施工中由于工作環(huán)境差，空間有限，合理的布置管路能夠直接提高管片拼裝效率。管片拼裝機旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)環(huán)上提升油缸、微調(diào)油缸、中心抓取油缸所需油路和線纜要與旋轉(zhuǎn)環(huán)同步旋轉(zhuǎn)，拼裝機進油主閥塊放置在固定環(huán)上，旋轉(zhuǎn)支撐栓接到旋轉(zhuǎn)環(huán)上，油管由固定端進入，纏繞滑輪后連接到旋轉(zhuǎn)支撐，高壓油由圖4 進油處進油，旋轉(zhuǎn)支撐出油處出油，出油處高壓油利用油管連接到提升裝置、抓取裝置閥塊，為提升油缸、微調(diào)油缸、中心抓取油缸提供動力，滑輪在固定環(huán)軌道上滾動，當拼裝機旋轉(zhuǎn)環(huán)順時針旋轉(zhuǎn)220°時，旋轉(zhuǎn)支撐處油管拉動滑輪順時針旋轉(zhuǎn)110°，當拼裝機旋轉(zhuǎn)環(huán)逆時針旋轉(zhuǎn)220°時，旋轉(zhuǎn)支撐處油管拉動滑輪逆時針旋轉(zhuǎn)110°，保證旋轉(zhuǎn)支撐處管路與旋轉(zhuǎn)環(huán)一起轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)如圖4，纏繞管由固定端繞過滾輪連接到旋轉(zhuǎn)支撐過程中由圓鋼支撐，防止纏繞管直接與軌道鋼板摩擦，所有電氣線纜與高壓油走線相似。隧道施工中工作環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常在滾輪軌道中出現(xiàn)泥漿、碎石，如不及時清理，會使纏繞管磨損加劇，在纏繞管選型時，應(yīng)選擇三層鋼絲超柔高壓油管，能夠提高管路的耐磨性，同時在管路外側(cè)涂抹黃油，減少管路與軌道摩擦，增加管路壽命。經(jīng)過幾個項目實地考察，一個標段后高壓油管磨損外露鋼絲，偶爾出現(xiàn)泄漏不保壓狀況，影響施工進度，經(jīng)過分析，將原有管路支撐圓鋼形式改為由軸穿小滾輪形式，每個滾輪內(nèi)部需要兩個球軸承，保證滾輪能夠充分旋轉(zhuǎn)，具體結(jié)構(gòu)如圖5。

圖4

圖5

通過此次改造，旋轉(zhuǎn)支撐通過纏繞管拉著滾輪一起旋轉(zhuǎn)時，油管與小滾輪接觸，由原來的滑動摩擦改變?yōu)闈L動摩擦，大大提高了纏繞管的使用壽命，經(jīng)過多個項目的反復使用，管路改造效果比較理想，達到用戶要求。

5 結(jié)論

管片拼裝機為隧道施工中的關(guān)鍵設(shè)備，它的故障率決定隧道施工進度，通過施工中的經(jīng)驗累積，合理布置管路，提高改善管片拼裝機結(jié)構(gòu)、性能，保障隧道掘進機掘進速度是每個設(shè)備廠家的目標。