小直徑盾構(gòu)小曲線轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)彎模擬試驗(yàn)

廖兆錦，董亞嶺，胡燕偉，高文梁，韓 博

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

在國(guó)內(nèi)隧道施工中，小曲線轉(zhuǎn)彎半徑（以下均指左右轉(zhuǎn)彎）均單指所在施工區(qū)間線路內(nèi)圓弧最小半徑，即稱(chēng)為最小曲線半徑。在地鐵隧道施工中，針對(duì)150m、200m 和300m 小曲線半徑盾構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用相對(duì)比較成熟；而轉(zhuǎn)彎半徑100m以下的盾構(gòu)設(shè)計(jì)和隧道施工，在國(guó)內(nèi)城市軌道交通地下空間應(yīng)用相對(duì)比較少[1～2]。伴隨城市快速發(fā)展，市政管線和城市綜合管廊應(yīng)用需求增多[3]，由于成本、工期、施工條件等因素限制，城市綜合管廊均為小曲線、小直徑隧道。采用小直徑盾構(gòu)開(kāi)挖綜合管廊隧道具有不影響城市地面交通、城市居民正常生活及獲得好的施工質(zhì)量和高施工速度等特點(diǎn)，因而得到推廣應(yīng)用[4～7]。

根據(jù)國(guó)內(nèi)已使用小直徑盾構(gòu)案例，適應(yīng)的管片內(nèi)徑規(guī)格有D=2.44m、3m、3.4m、3.5m、3.6m、3.8m、4m，國(guó)外該直徑系列盾構(gòu)市場(chǎng)非常成熟，如：日本2003 年～2012 年3～6m 工程案例316項(xiàng)，小于3m 工程374 項(xiàng)，海瑞克2016 年小直徑盾構(gòu)出廠95 臺(tái)，已經(jīng)達(dá)到批量化生產(chǎn)[8～9]。在小直徑盾構(gòu)施工案例中，根據(jù)隧道曲線，國(guó)內(nèi)自主設(shè)備采用R100m 小曲線轉(zhuǎn)彎鮮有提及，而實(shí)際采用日本IHI、JTSC 以及海瑞克的小直徑盾構(gòu)。國(guó)外盾構(gòu)公司已經(jīng)研制了大量的微型盾構(gòu)應(yīng)用于微小直徑隧道的施工，在小直徑盾構(gòu)小曲線轉(zhuǎn)彎的關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用上，尚被國(guó)外廠家壟斷。國(guó)內(nèi)小直徑盾構(gòu)的研究和國(guó)產(chǎn)化存在欠缺[10]。

為解決國(guó)內(nèi)小直徑盾構(gòu)國(guó)產(chǎn)化的空白，本文根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，借鑒國(guó)外盾構(gòu)廠家的優(yōu)點(diǎn)，突破小直徑盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)小直徑盾構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，突破小曲線整機(jī)研制的通用關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)小直徑盾構(gòu)整機(jī)。

1 小直徑盾構(gòu)小曲線轉(zhuǎn)彎針對(duì)性設(shè)計(jì)

在小半徑圓曲線隧道掘進(jìn)中，盾構(gòu)姿態(tài)的控制難度大，為了使盾構(gòu)隧道軸線與設(shè)計(jì)軸線相吻合，掘進(jìn)過(guò)程中需要進(jìn)行連續(xù)糾偏。圓曲線半徑越小，擬合困難就越大，掘進(jìn)單位距離的糾偏量也越大，糾偏精確度越低，隧道軸線因此較難控制[11～12]。為滿足R100m 以下小直徑盾構(gòu)小曲線轉(zhuǎn)彎的施工要求，小直徑盾構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)均應(yīng)針對(duì)隧道曲線大小進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。依托廣州穗西電力隧道施工要求，包括管片外徑?4 100mm、分度為36°、寬度1 000mm 管片拼裝，最小曲線半徑R80m，有多段連續(xù)R120m 的小半徑曲線左右轉(zhuǎn)彎段等。對(duì)該項(xiàng)目設(shè)計(jì)具備R60m 小曲線半徑轉(zhuǎn)彎能力的主機(jī)結(jié)構(gòu)，并在組裝車(chē)間模擬盾構(gòu)主機(jī)的轉(zhuǎn)彎能力。

針對(duì)小曲線隧道施工的小直徑盾構(gòu)設(shè)計(jì)包括以下幾點(diǎn)：刀盤(pán)刀具配置、鉸接區(qū)域設(shè)計(jì)、螺旋輸送機(jī)關(guān)節(jié)軸承設(shè)計(jì)等。

1.1 刀盤(pán)刀具配置

刀盤(pán)配置兩把仿形刀，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示位置及超挖量，通過(guò)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)編碼器與鉸接控制系統(tǒng)配合，通過(guò)轉(zhuǎn)彎模擬確定不同曲線轉(zhuǎn)彎半徑下的超挖量，上位機(jī)傳遞仿形刀具需要超挖位置并精準(zhǔn)控制其超挖行程，實(shí)時(shí)控制超挖，控制鉸接伸出量，從而實(shí)時(shí)控制主機(jī)掘進(jìn)的曲線半徑。刀盤(pán)刀具的仿形開(kāi)挖技術(shù)，是小直徑盾構(gòu)進(jìn)行小曲線掘進(jìn)施工的先決條件[13]。

1.2 鉸接區(qū)域設(shè)計(jì)

隧道內(nèi)徑3.6m、外徑4.1m，小直徑盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度達(dá)8m，主機(jī)剛性結(jié)構(gòu)不適用小曲線掘進(jìn)，為適應(yīng)R60m 小曲線隧道掘進(jìn)，主機(jī)采用鉸接前置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1 所示。主機(jī)分段設(shè)計(jì)，主機(jī)前部與主機(jī)后部轉(zhuǎn)折4.74°（模擬和計(jì)算值）時(shí)，小直徑盾構(gòu)能開(kāi)挖直徑大小為?4 350mm，能開(kāi)挖曲線為R60m，因此，考慮實(shí)際施工需求，8m 長(zhǎng)度的小直徑盾構(gòu)主機(jī)分段，通過(guò)鉸接結(jié)構(gòu)連接，鉸接結(jié)構(gòu)需要具備實(shí)現(xiàn)5°的鉸接轉(zhuǎn)彎能力，才能實(shí)現(xiàn)R60m 小曲線隧道掘進(jìn)。

圖1 小直徑盾構(gòu)主機(jī)小曲線轉(zhuǎn)彎狀態(tài)

如圖2 所示，設(shè)計(jì)鉸接結(jié)構(gòu)外形采用球形的鉸接形式，即主機(jī)的鉸接結(jié)構(gòu)通過(guò)4 組鉸接油缸控制主機(jī)前部與主機(jī)后部的連接，并通過(guò)控制鉸接油缸行程大小，實(shí)現(xiàn)主機(jī)后部繞球形鉸接的球心轉(zhuǎn)動(dòng)，鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)范圍0～5°，能滿足主機(jī)通過(guò)R60m 隧道曲線掘進(jìn)需求。球形鉸接不同于被動(dòng)鉸接盾構(gòu)和主動(dòng)鉸接盾構(gòu)，球形鉸接具備被動(dòng)鉸接的推進(jìn)形式，又具備主動(dòng)鉸接轉(zhuǎn)彎控制模式的一種新的鉸接形式。

圖2 球形鉸接轉(zhuǎn)彎狀態(tài)

球形鉸接結(jié)構(gòu)為外球面，鉸接結(jié)構(gòu)的球面設(shè)計(jì)為鉸接密封面，也為密封接觸面，球形鉸接密封安裝在主機(jī)的前部，鉸接密封采用兩道VD 密封和一道指型密封組合，VD 密封具有較強(qiáng)的密封能力，主要起保壓密封作用；指型密封的指尖緊密貼合鉸接結(jié)構(gòu)的球面，對(duì)球面進(jìn)行刮渣保護(hù)，防止雜物損壞球面而進(jìn)入VD鉸接密封區(qū)域。球形鉸接的VD+指型組合密封結(jié)構(gòu)，確保球形鉸接區(qū)域在大角度轉(zhuǎn)彎過(guò)程的密封性能。

主機(jī)設(shè)計(jì)需穿越R60m 小曲線隧道掘進(jìn)，在現(xiàn)有隧道施工中，屬于特小曲線轉(zhuǎn)彎（左右轉(zhuǎn)彎半徑小），為確保主機(jī)能順利進(jìn)行小曲線隧道掘進(jìn)，在鉸接區(qū)域頂部和底部分別設(shè)計(jì)防扭裝置，在盾構(gòu)左右轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，防扭裝置的防扭中心線穿過(guò)球形鉸接的球心，為主機(jī)左右轉(zhuǎn)彎提供轉(zhuǎn)彎軸線，確保主機(jī)在通過(guò)R60m 曲線時(shí)，主機(jī)后部能繞球心進(jìn)行R60m 曲線轉(zhuǎn)彎，同時(shí)，防扭塊通過(guò)左右限位，防止主機(jī)前部與主機(jī)后部反向扭轉(zhuǎn)。

1.3 螺旋輸送機(jī)針對(duì)性設(shè)計(jì)

與常規(guī)盾構(gòu)的螺旋輸送機(jī)功能相同，螺旋輸送機(jī)主要通過(guò)將刀盤(pán)切削下來(lái)的渣土輸送至洞外，并維持土倉(cāng)壓力穩(wěn)定。螺旋輸送機(jī)貫穿整個(gè)主機(jī)，其結(jié)構(gòu)從主機(jī)前部土倉(cāng)處延伸至尾盾末端，在小曲線轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，主機(jī)左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎角度達(dá)5°時(shí)，螺旋輸送機(jī)的擺動(dòng)量比較大，對(duì)小曲線轉(zhuǎn)彎進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[14]如圖3 和圖4 所示。

圖3 螺旋輸送機(jī)左右擺動(dòng)角度為5°狀態(tài)

圖4 盾構(gòu)主機(jī)結(jié)構(gòu)

對(duì)螺旋輸送機(jī)中部針對(duì)設(shè)計(jì)一款適應(yīng)小曲線的轉(zhuǎn)彎的裝置，該包括導(dǎo)向裝置和支撐裝置，如圖5 和圖6 所示，在導(dǎo)向裝置上設(shè)有導(dǎo)向槽位于拼裝機(jī)V 型梁上，導(dǎo)向塊位于螺旋輸送機(jī)筒節(jié)下方，導(dǎo)向塊在導(dǎo)向槽內(nèi)部，螺旋輸送機(jī)支撐裝置上設(shè)有支撐平臺(tái)位于底部盾體上，焊接架焊接在螺旋輸送機(jī)筒節(jié)上，移動(dòng)架采用螺栓連接于焊接架上，移動(dòng)架兩側(cè)的支撐軸上有套筒，套筒上連有支撐座位于支撐平臺(tái)上，移動(dòng)架和套筒通過(guò)擋板來(lái)限位[15]。

圖5 導(dǎo)向裝置

圖6 支撐裝置

2 小直徑盾構(gòu)小曲線轉(zhuǎn)彎模擬試驗(yàn)

主機(jī)在組裝車(chē)間進(jìn)行轉(zhuǎn)彎模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證其在進(jìn)行小曲線轉(zhuǎn)彎時(shí)，主機(jī)結(jié)構(gòu)件與主機(jī)內(nèi)部閥塊、流體管路、液壓管路、電氣電纜以及現(xiàn)場(chǎng)焊接支架等部件布置的合理性；轉(zhuǎn)彎模擬試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照鉸接油缸轉(zhuǎn)彎控制程序進(jìn)行；模擬左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎時(shí)，主機(jī)中心線最大轉(zhuǎn)彎角度不得超過(guò)α，獲取前盾最大偏移量的有效值。

小直徑盾構(gòu)主機(jī)組裝調(diào)試時(shí)，能夠展現(xiàn)主機(jī)內(nèi)部實(shí)際組裝情況，包括主驅(qū)動(dòng)電機(jī)與流體和液壓閥塊之間的關(guān)系；螺旋機(jī)的流體支座與盾體結(jié)構(gòu)件之間的關(guān)系；螺旋機(jī)流體支座與拼裝機(jī)主梁之間的關(guān)系；流體管路與螺旋機(jī)與拼裝機(jī)主梁之間的關(guān)系等，對(duì)后續(xù)小直徑盾構(gòu)在實(shí)際隧道施工中順利穿越小曲線具有重要意義。

2.1 試驗(yàn)原理

如圖7 所示，試驗(yàn)平臺(tái)裝置包括平臺(tái)底板、活動(dòng)支撐臺(tái)和固定支撐臺(tái)，其中活動(dòng)支撐臺(tái)和固定支撐臺(tái)前后對(duì)應(yīng)設(shè)置在平臺(tái)底板上，固定支撐臺(tái)與平臺(tái)底板通過(guò)固定連接，活動(dòng)支撐臺(tái)匹配活動(dòng)設(shè)置在平臺(tái)底板上。小直徑盾構(gòu)的前盾和尾盾分別對(duì)應(yīng)設(shè)置在活動(dòng)支撐臺(tái)和固定支撐臺(tái)上，通過(guò)前盾和尾盾之間設(shè)置的鉸接油缸，驅(qū)動(dòng)前盾和活動(dòng)支撐臺(tái)在平臺(tái)底板上作對(duì)應(yīng)的曲線擺動(dòng)模擬。

圖7 轉(zhuǎn)彎模擬試驗(yàn)平臺(tái)裝置

對(duì)于活動(dòng)支撐臺(tái)與平臺(tái)底板的安裝匹配關(guān)系，本模擬試驗(yàn)中采用活動(dòng)支撐臺(tái)與平臺(tái)底板匹配貼合滑動(dòng)支撐，在活動(dòng)支撐臺(tái)和平臺(tái)底板之間涂潤(rùn)滑油，從而保障二者的滑動(dòng)的流暢性；也可以采用在活動(dòng)支撐臺(tái)與平臺(tái)底板之間設(shè)置滾動(dòng)組件，活動(dòng)支撐臺(tái)通過(guò)滾動(dòng)組件與平臺(tái)底板滾動(dòng)支撐連接，其中滾動(dòng)組件可以為布設(shè)在活動(dòng)支撐臺(tái)與平臺(tái)底板之間的滾珠或者滾動(dòng)鏈排等。

對(duì)于盾體和支撐臺(tái)的固定，本模擬試驗(yàn)中通過(guò)焊接實(shí)現(xiàn)小直徑盾構(gòu)的盾體與對(duì)應(yīng)的活動(dòng)支撐臺(tái)或固定支撐臺(tái)的固定，其固定支撐臺(tái)與平臺(tái)底板之間可以通過(guò)螺栓連接固定，也可以通過(guò)焊接固定，由于盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了活動(dòng)支撐臺(tái)和固定支撐臺(tái)的上端面為同一高度，位于同一平面上。

主機(jī)轉(zhuǎn)彎模擬試驗(yàn)通過(guò)上位機(jī)控制鉸接油缸伸出量，從而控制主機(jī)轉(zhuǎn)彎角度大小。如圖8 所示，當(dāng)上位機(jī)控制小直徑盾構(gòu)主機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)，記錄主機(jī)前盾任一位置點(diǎn)相對(duì)平臺(tái)底板的位移，該位移點(diǎn)與主機(jī)設(shè)計(jì)中的理論球心形成直線段，測(cè)量該位置點(diǎn)在轉(zhuǎn)彎模擬過(guò)程中不同直線段間的角度，即為主機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)彎角度，該角度值可與上位機(jī)理論控制角度進(jìn)行對(duì)比。

圖8 活動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)測(cè)量

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量

在小直徑盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)平臺(tái)上，上位機(jī)控制主機(jī)旋轉(zhuǎn)不同角度，記錄上位機(jī)在該角度時(shí)活動(dòng)平臺(tái)底板的直角頂點(diǎn)與平臺(tái)底板之間的距離值，從而確定主機(jī)旋轉(zhuǎn)后的測(cè)量角度值，如圖9 試驗(yàn)所示。

圖9 主機(jī)左轉(zhuǎn)彎4°狀態(tài)及數(shù)據(jù)測(cè)量

在此次試驗(yàn)中，上位機(jī)控制主機(jī)左右各轉(zhuǎn)4°，并記錄轉(zhuǎn)后測(cè)量數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 主機(jī)左、右各轉(zhuǎn)4°測(cè)量數(shù)據(jù)

將活動(dòng)平板轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)與理論球心連接成若干直線段后，所得對(duì)應(yīng)活動(dòng)平版轉(zhuǎn)彎角度值，活動(dòng)平板角度測(cè)量值即為主機(jī)轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)測(cè)量值，如圖10 所示。

圖10 左、右轉(zhuǎn)彎4°后活動(dòng)平板角度值

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值對(duì)比及分析

將上位機(jī)控制主機(jī)轉(zhuǎn)彎的理論值與轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)平臺(tái)試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，如表2、表3 所示，有如下規(guī)律：①角度誤差在初始0.5°階段最大；②左轉(zhuǎn)彎最大誤差為0.23°，左轉(zhuǎn)彎最大誤差為0.19°；③初始階段過(guò)去后，主機(jī)轉(zhuǎn)彎理論角度值與實(shí)測(cè)角度相符；④初始階段的轉(zhuǎn)彎角度誤差貫穿整個(gè)轉(zhuǎn)彎階段；⑤整個(gè)誤差值在0.5°范圍內(nèi)。

表2 主機(jī)左轉(zhuǎn)4°理論角度與測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

表3 主機(jī)右轉(zhuǎn)4°理論角度與測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)小直徑盾構(gòu)主機(jī)轉(zhuǎn)彎模擬試驗(yàn)測(cè)量值與理論值存在的誤差進(jìn)行原因分析，可歸納如下：①主機(jī)轉(zhuǎn)彎啟動(dòng)階段（0°位置），防扭塊的銷(xiāo)軸與防扭塊存在一定間隙值，該間隙設(shè)計(jì)為方便結(jié)構(gòu)組裝以及消除制造誤差的預(yù)留間隙，該間隙值在轉(zhuǎn)彎啟動(dòng)階段需要彌補(bǔ)，導(dǎo)致理論球心與實(shí)際轉(zhuǎn)彎球心偏移了一定距離，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎實(shí)際角度測(cè)量值與上位機(jī)轉(zhuǎn)彎理論值存在誤差；②該轉(zhuǎn)彎模擬試驗(yàn)測(cè)量采用卷尺人工測(cè)量，存在一定的誤差。

3 結(jié)論與討論

1）通過(guò)小直徑盾構(gòu)小曲線轉(zhuǎn)彎模擬試驗(yàn)，展示了小直徑盾構(gòu)主機(jī)實(shí)際施工轉(zhuǎn)彎情況，小曲線轉(zhuǎn)彎存在初始轉(zhuǎn)彎角度誤差，該誤差需要根據(jù)施工情況給出適當(dāng)補(bǔ)償，指導(dǎo)實(shí)際施工中盾構(gòu)進(jìn)行特定大小轉(zhuǎn)彎角度的隧道掘進(jìn)。

2）根據(jù)實(shí)際隧道項(xiàng)目，對(duì)小直徑盾構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，得出小曲線整機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)，給出小直徑盾構(gòu)小曲線轉(zhuǎn)彎的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)小直徑盾構(gòu)小曲線轉(zhuǎn)彎國(guó)產(chǎn)化，成功研制多臺(tái)具備小曲線掘進(jìn)能力的小直徑盾構(gòu)，主機(jī)結(jié)構(gòu)能滿足R60m 小曲線掘進(jìn)，并在實(shí)際施工項(xiàng)目中進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。

3）總結(jié)了小曲線轉(zhuǎn)彎誤差的原因，下一步可通過(guò)提高防扭塊制造精度和測(cè)量方法，對(duì)誤差進(jìn)行修正，需要進(jìn)一步試驗(yàn)，與施工上位機(jī)實(shí)際展示的曲線進(jìn)行對(duì)比并修正。