工作井內(nèi)滑移平臺(tái)的設(shè)計(jì)制造與施工技術(shù)研究

陳耀峰

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

針對(duì)崇明天然氣隧道A線長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)囊螅淼纼?nèi)最多需要3組以上的電機(jī)車編組運(yùn)輸管片、同步注漿漿液、進(jìn)排泥漿管等材料。為了加快管片等材料的吊運(yùn)，井內(nèi)需要滿足至少一整列物料電機(jī)車的編組，同時(shí)還需要滿足一列空物料的電機(jī)車編組駛?cè)胍?。長(zhǎng)距離地鐵盾構(gòu)通常采用在隧道內(nèi)靠近工作井口處安置道岔[1]，本工程工作井尺寸不適用此方案。對(duì)于小直徑盾構(gòu)長(zhǎng)距離運(yùn)輸，為了放置長(zhǎng)編組車輛，采用加大始發(fā)井或者增加后導(dǎo)洞的方案[2]，費(fèi)用高、不經(jīng)濟(jì)。同時(shí)小斷面長(zhǎng)距離盾構(gòu)施工為了提高運(yùn)輸效率，采用運(yùn)輸2環(huán)管片和材料的方案[3]，進(jìn)一步加長(zhǎng)了整個(gè)車輛編組的長(zhǎng)度。本文介紹了通過(guò)滑移平臺(tái)裝置，在平臺(tái)上方并列多組軌道，實(shí)現(xiàn)井內(nèi)電機(jī)車組重新編組，滿足運(yùn)輸、吊運(yùn)互不干涉和高速施工的要求。

1 場(chǎng)地尺寸及水平運(yùn)輸方案

1.1 工作井尺寸

天然氣小盾構(gòu)長(zhǎng)興島始發(fā)井尺寸為17.4 m×10.4 m，其平面如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)興島始發(fā)井平面

盾構(gòu)管片內(nèi)徑3 400 mm，管片下部滿鋪高500 mm的鋼筋混凝土預(yù)制件。洞門位置的預(yù)制件上鋪設(shè)1組隧道內(nèi)的電機(jī)車軌道，工作井內(nèi)的電機(jī)車均通過(guò)此軌道駛?cè)胨淼纼?nèi)。預(yù)制件上表面距離工作井底板1 707 mm，立面如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)興島始發(fā)井立面

由于電機(jī)車需要平穩(wěn)地駛?cè)胨淼纼?nèi)部，因此滑移平臺(tái)的上界面需要和預(yù)制件的上表面齊平。滑移平臺(tái)裝置包括其基礎(chǔ)的高度限制為1 707 mm。平面位置的尺寸限制為17.4 m×10.4 m，同時(shí)由于地下連續(xù)墻和內(nèi)襯墻施工的誤差，還需要考慮一定的安全間隙。

1.2 水平運(yùn)輸

為保證施工工效，水平運(yùn)輸采用1輛18 t電機(jī)牽引，一次性運(yùn)輸2環(huán)管片、2環(huán)同步漿液、2環(huán)預(yù)制件的編組方式。隧道管片采用6分塊錯(cuò)縫拼裝，管片寬度1 350 mm。車輛的尺寸如表1所示。

表1 車輛尺寸

受限于盾構(gòu)機(jī)臺(tái)車的高度，每輛平板管片車上方僅能堆疊3塊管片，即2環(huán)管片共需要4輛平板管片車；每輛預(yù)制件車可一次性運(yùn)輸2塊預(yù)制件；漿車容積為4 m3，滿足掘進(jìn)2環(huán)的注漿量要求。因此，一列電機(jī)車編組需要1輛電機(jī)車、5輛平板車和1輛漿車。通過(guò)表1可知，整列編組的長(zhǎng)度遠(yuǎn)超工作井的長(zhǎng)度。

2 滑移平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

2.1 滑移平臺(tái)車輛的數(shù)量和編組

為能在車輛駛?cè)霑r(shí)充分利用搭接的流程吊裝物料，平臺(tái)上方車輛需滿足2環(huán)管片的物料需求，即需安放1輛電機(jī)車、1輛漿車和5輛平板車。同時(shí)平臺(tái)又需要有足夠的空間安放駛出隧道的空平板車，即需5輛空平板車的停放空間。因此設(shè)計(jì)滑移平臺(tái)采用3列軌道并排的方式，如圖3所示。

圖3 滑移平臺(tái)上方車輛編組

采用3列編組形式，分別為：①電機(jī)車＋漿車；②4輛管片車＋1輛預(yù)制件車（滿車）；③4輛管片車＋1輛預(yù)制件車（空車）。車輛編組最長(zhǎng)為16 110 mm，小于工作井的凈長(zhǎng)度，滿足安裝空間要求。采用上述編組可在空物料的車輛駛?cè)牖破脚_(tái)后，通過(guò)滑移平臺(tái)裝置，使得裝滿物料的車輛能立即駛?cè)胨淼溃笮熊嚹芡降跹b空車的物料。在水平運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，實(shí)現(xiàn)高效的施工流程管理。

2.2 水平滑移功能

由于隧道斷面小，隧道口僅鋪設(shè)了1組軌道，要實(shí)現(xiàn)上述滿車和空車在井內(nèi)的調(diào)度，在滑移平臺(tái)的設(shè)計(jì)上可采用左右滑移的機(jī)構(gòu)。通過(guò)平臺(tái)移動(dòng)，使平臺(tái)上方的軌道對(duì)齊隧道內(nèi)的軌道，車輛根據(jù)運(yùn)行流程依次駛?cè)牖蝰偝鏊淼馈?/p>

滑移平臺(tái)安裝在井底，滑移平臺(tái)的上界面高度需要和預(yù)制件的上表面齊平。平臺(tái)下界面高度根據(jù)設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)所需的尺寸設(shè)計(jì)，但需要考慮平臺(tái)底部基礎(chǔ)的安裝要求。

滑移平臺(tái)上共安置3列電機(jī)車編組，沿盾構(gòu)推進(jìn)方向設(shè)置，平臺(tái)上右側(cè)、中間為4輛管片車＋1輛預(yù)制件車；左側(cè)為電機(jī)車＋漿車。管片吊裝時(shí)需要人員在車輛兩側(cè)操作，因此車輛單側(cè)預(yù)留至少600 mm的操作空間。最終滑移平臺(tái)上的空間布置如圖4、圖5所示，從左到右依次為：689 mm的操作空間（左側(cè)設(shè)有欄桿）、1 100 mm的電機(jī)車、300 mm的安全間隙、1 350 mm的管片車、600 mm的操作空間、1 350 mm的管片車、1 176 mm的操作空間（右側(cè)設(shè)有欄桿），則滑移平臺(tái)寬度方向總尺寸為6 565 mm。長(zhǎng)度方向上與＋1環(huán)管片預(yù)留間隙300 mm，另一側(cè)與內(nèi)襯墻間隙800 mm，此位置用來(lái)安裝行人的安全通道，則滑移平臺(tái)總長(zhǎng)度方向尺寸為16 098 mm。

圖4 滑移平臺(tái)安放車輛編組立面

圖5 滑移平臺(tái)安放車輛編組平面

圖4同時(shí)也是滑移平臺(tái)位于井內(nèi)最右側(cè)的狀態(tài)，此時(shí)滑移平臺(tái)上左側(cè)的車輛編組與隧道內(nèi)的電機(jī)車軌道對(duì)齊，滑移平臺(tái)距離右側(cè)井內(nèi)壁安全間隙為150 mm。當(dāng)滑移平臺(tái)往左平移1 525 mm后，中間列的車輛編組即可與隧道內(nèi)的電機(jī)車軌道對(duì)齊。繼續(xù)往左平移1 950 mm后，最右側(cè)的車輛編組即可與隧道內(nèi)的電機(jī)車軌道對(duì)齊，此時(shí)滑移平臺(tái)距離左側(cè)井內(nèi)壁安全間隙為150 mm，如圖6、圖7所示。

圖6 滑移平臺(tái)往左平移1 525 mm到位示意

圖7 滑移平臺(tái)繼續(xù)往左平移1 950 mm到位示意

3 滑移平臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

滑移平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮3個(gè)方面：先是設(shè)備的安全性，工人操作時(shí)需要簡(jiǎn)化操作，杜絕由于誤操作等原因造成的安全事故；其次是設(shè)備的高精度，平臺(tái)上往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻繁，平臺(tái)上的軌道每次滑移后均需嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)隧道內(nèi)的軌道，防止因誤差而導(dǎo)致車輛脫軌；最后是高效施工，提高水平運(yùn)輸施工的效率。主要的重、難點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求如下：

1）人員操作安全：限制滑移平臺(tái)速度過(guò)快，平移速度設(shè)為8 m/min。

2）平臺(tái)和洞門隧道對(duì)接精度：防止脫軌，滑移平臺(tái)精度要求±5 mm。

3）滑移平臺(tái)結(jié)構(gòu)上需要有防止渣泥污染傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并且需要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)備的可更換性。

4）平臺(tái)安全性：機(jī)械、電機(jī)限位須安裝合理、可靠。5）平臺(tái)需要組合安裝，便于運(yùn)輸。

3.2 設(shè)計(jì)載荷

設(shè)計(jì)時(shí)考慮最不利工況，即滑移平臺(tái)上方的2列平板車均滿載，電機(jī)車編組質(zhì)量如表2所示。

表2 車輛質(zhì)量

3.3 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

滑移平臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 滑移平臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3.1 機(jī)械部分

滑移平臺(tái)裝置本體包括底座和上部的滑動(dòng)平臺(tái)，底座安裝固定在工作井中，滑動(dòng)平臺(tái)安裝在底座上?；瑒?dòng)平臺(tái)上表面設(shè)置有3組電機(jī)車軌道，電機(jī)車軌道的間距根據(jù)要求設(shè)置，如圖8所示。

圖8 滑移平臺(tái)裝置示意

底座主要由6根鋼軌組成，其中外側(cè)和中間共4根鋼軌為普通鋼軌，僅具有承載功能，每根鋼軌上對(duì)應(yīng)滑動(dòng)平臺(tái)下方的2個(gè)行走輪。余下的2根鋼軌作為導(dǎo)向軌，每根鋼軌上對(duì)應(yīng)滑動(dòng)平臺(tái)下方的2個(gè)導(dǎo)向車輪，導(dǎo)向輪組通過(guò)1對(duì)導(dǎo)向輪夾緊導(dǎo)向軌限制平臺(tái)的竄動(dòng)，保證運(yùn)行平穩(wěn)，同時(shí)這2根鋼軌采用數(shù)控機(jī)加工控制直線度，可大幅提高運(yùn)行精度。底座還包括2組齒條安裝架，分別安裝在上述導(dǎo)向軌的內(nèi)側(cè)，如圖9、圖10所示。

圖9 導(dǎo)向輪示意

圖10 齒條安裝架示意

整個(gè)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)采用齒輪齒條的形式，齒輪齒條結(jié)構(gòu)承載力大、運(yùn)行平穩(wěn)、傳動(dòng)精度高。齒條固定在齒條安裝架上，齒條平行于滑動(dòng)平臺(tái)的滑移方向，齒條長(zhǎng)度略大于整個(gè)滑動(dòng)平臺(tái)左右平移的總距離。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)架安裝在滑動(dòng)平臺(tái)的下側(cè)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)架包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速箱、傳動(dòng)軸和齒輪。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器位于滑動(dòng)平臺(tái)一側(cè)的正中位置，通過(guò)固定架子與滑動(dòng)平臺(tái)連接。減速箱采用平行雙輸出軸的型號(hào)，減速箱兩側(cè)各通過(guò)聯(lián)軸器連接傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸另一端再通過(guò)聯(lián)軸器連接齒輪，最后齒輪與齒條安裝架上的齒條嚙合。同時(shí)齒條安裝方向朝下且與工作井底部留有足夠的距離，防止平臺(tái)下方泥漿污染齒輪齒條情況的發(fā)生，保證了結(jié)構(gòu)的可靠性，如圖11所示。

圖11 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意

滑動(dòng)平臺(tái)采用優(yōu)質(zhì)碳素型鋼和結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，具有較高的強(qiáng)度、剛度，有利于運(yùn)輸及加工。平臺(tái)分三段螺栓連接固定，走道板固定主體兩側(cè)，并且走道板一面有高度1.2 m的護(hù)欄，分塊形式如圖12所示。同時(shí)為了便于對(duì)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)架進(jìn)行維修保養(yǎng)，平臺(tái)上方開有若干個(gè)檢修孔。

圖12 滑動(dòng)平臺(tái)分塊示意

3.3.2 電氣部分

電機(jī)采用變頻控制，配編碼器，保證啟動(dòng)、停止時(shí)平臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)，平臺(tái)運(yùn)行位置精度高。為了控制滑移平臺(tái)的運(yùn)行精度，采用了旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，旋轉(zhuǎn)編碼器型號(hào)E6B2-CWZ1X，該編碼器配合齒輪齒條的嚙合精度完全能滿足±5 mm的精度要求。

平臺(tái)兩側(cè)各配置有2組接近開關(guān)以及2個(gè)機(jī)械限位擋塊，防止意外發(fā)生，同時(shí)配置了緊急停止、聲光報(bào)警等功能，進(jìn)一步保證施工的安全。

4 滑移平臺(tái)運(yùn)輸流程

根據(jù)本文2.1和2.2小節(jié)中車輛的編組形式，滿車駛?cè)胨淼赖牧鞒虨椋夯破脚_(tái)滑移，使得滑移平臺(tái)上的中間軌道與隧道洞口處軌道對(duì)接；依次首尾連接處于隧道中的牽引電機(jī)車和處于正對(duì)隧道洞口的②編組車輛；通過(guò)牽引電機(jī)車把②編組車輛牽引至隧道內(nèi)，然后斷開牽引電機(jī)車和②編組車輛，牽引電機(jī)車退回至隧道內(nèi)的岔道位置；滑移平臺(tái)滑移，使得滑移平臺(tái)上的左側(cè)軌道與隧道洞口處軌道對(duì)接；依次首尾連接處于平臺(tái)上的①編組車輛和隧道洞口的②編組車輛；滿車車輛編組完成并駛?cè)胨淼?。通過(guò)采用上述技術(shù)方案，由滑移平臺(tái)承載編組車輛，并依次將車輛供給至隧道洞口處進(jìn)行編組，極大地方便了工作人員對(duì)電機(jī)車的編組作業(yè)。

空車駛出隧道的流程為：滑移平臺(tái)滑移，使得滑移平臺(tái)上的左側(cè)軌道與隧道洞口處軌道對(duì)接；隧道內(nèi)的空車編組車輛駛?cè)肫脚_(tái)；當(dāng)空車編組中的①編組車輛（即電機(jī)車和漿車）到達(dá)平臺(tái)后，斷開漿車和后續(xù)管片車的連接；滑移平臺(tái)滑移，使得滑移平臺(tái)上的右側(cè)軌道與隧道洞口處軌道對(duì)接，同時(shí)隧道內(nèi)的牽引電機(jī)車與隧道內(nèi)的③編組車輛連接；通過(guò)牽引電機(jī)車把③編組車輛牽引至平臺(tái)上；斷開牽引電機(jī)車和③編組車輛，牽引電機(jī)車退回至隧道內(nèi)的岔道位置；采用行車吊運(yùn)管片等物料至空車上。通過(guò)采用上述技術(shù)方案，當(dāng)空車駛?cè)牖破脚_(tái)上后，可以馬上吊運(yùn)管片等物料至空車上，極大地加快了對(duì)電機(jī)車上物料吊運(yùn)的作業(yè)速度。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)在平臺(tái)上3列編組車輛的水平滑移，實(shí)現(xiàn)了滿車物料的輸入以及空車的駛出，解決了整個(gè)水平運(yùn)輸過(guò)程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的問題，實(shí)現(xiàn)了高效施工。

2）通過(guò)機(jī)械上高精度的齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)以及電氣上的高精度控制模式，實(shí)現(xiàn)了±5 mm的精度控制，在1年多的實(shí)際施工過(guò)程中，未出現(xiàn)由于精度誤差導(dǎo)致的電機(jī)車出軌等問題。

3）滑移平臺(tái)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的維護(hù)性能和可靠性。同時(shí)通過(guò)多個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣限位等裝置確保了平臺(tái)操作的安全性。

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