湯曉俊
上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200002
項目工程位于加拿大埃德蒙頓市99街。該大道的原污水管線初建于1972年,由于使用時間較長,隧道內(nèi)腐蝕嚴重,需進行內(nèi)部維護作業(yè)。為完成此次維護工作,需在原管線旁重新挖掘一條內(nèi)徑1 800 mm的分流管道[1]。工程總長度為1 625 m,共有3個區(qū)間段:243.16、393.23、955.44 m。
本次施工區(qū)域地質(zhì)分層主要包括表層回填土、湖底質(zhì)淤泥、冰磧性黏土并伴隨層間砂層、偶見凸起的基巖層、卵石層等。掘進軸線深度主要地層結(jié)構(gòu)為冰磧性黏土層。
1)根據(jù)地質(zhì)資料顯示,冰磧性黏土n值在30~50之間,塑性指數(shù)約30,黏性極高,遇水后容易在刀盤表面附著,增加刀盤扭矩。
2)該土在吸水后有2%的膨脹率,如何有效降低掘進時的摩阻力,成為在掘進機設(shè)計時需考慮和解決的問題。
3)所謂“冰磧”是指在冰川運動過程中,所攜帶和搬運的碎屑構(gòu)成的堆積物。工程地質(zhì)資料顯示,掘進軸線會遇到大小不一的卵石塊,直徑在40~300 mm之間,最高強度可達240 MPa。因此該掘進機的刀盤結(jié)構(gòu)形式既不能按軟土掘進機設(shè)計,也不能按巖層掘進機設(shè)計[2]。如何能有效地掘進與出渣,成了該臺掘進機的設(shè)計重點。
4)掘進軸線深度在地表下約30 m,這給主驅(qū)動的密封性帶來較高的要求。
2.1.1 刀盤結(jié)構(gòu)與開口率設(shè)計
通常情況下[3],掘進主軸線若在軟土層,刀盤開口率會設(shè)計為45%以上;若是在巖層,則會設(shè)計為10%~18%。本工程的掘進軸線主要為冰磧性黏土,會遇基巖層、砂層、卵石層等,因此上述2種開口率的設(shè)計值都不適用。
因冰磧性黏土在遇水后黏性極高,故刀盤需對黏土附著而形成的“泥餅”現(xiàn)象進行有針對性的設(shè)計。
在綜合考慮了上述設(shè)計需求,本著減少復(fù)雜幾何尺寸、易加工、易裝配、易修復(fù)的基本原則,該臺φ2 230 mm掘進機的刀盤框架采用了輻條加中圈板的結(jié)構(gòu)形式,開口率約為36%,全部采用Q345B鋼,抗壓強度σ約172 MPa[4],可有效應(yīng)對強度為150 MPa的卵石。此外,針對積“泥餅”現(xiàn)象,刀盤內(nèi)圈設(shè)計了2處扇形大開口,可通過整圓φ300 mm的粒徑(見圖1中A、B處)。刀盤中心φ500 mm內(nèi),設(shè)有2處高壓單向噴水口,利用高水壓預(yù)防刀盤中心包覆“泥餅”。
圖1 刀盤布局
為了應(yīng)對砂層,刀盤體還需具有較高的抗磨損性。因此在可能磨損較大的部位堆焊了網(wǎng)格狀耐磨硬質(zhì)合金,如刀盤外周、攪拌棒、錐形泥水倉等。
2.1.2 刀具的選擇和布局
因該工程地質(zhì)情況復(fù)雜,軟土層的全撕裂刀布局、巖層的全滾刀布局都不適用。且若過多地布置滾刀,黏土的附著和無法提供足夠反力的特性會使?jié)L刀無法轉(zhuǎn)動,加快刀具的磨損,反使驅(qū)動增加負載。
經(jīng)過一系列計算與設(shè)計,該復(fù)合式掘進機由22把巖土撕裂刀、10把可更換巖土撕裂刀(在遇到巖層時可更換為滾刀)、20把可更換刮刀、8把可更換周邊刮刀、1把中心刀組成。
可更換刀具采用通用的約26.67 cm刀箱,刀具的高度則經(jīng)過了特別設(shè)計。使用巖土撕裂刀時,該刀具比不可更換的撕裂刀高出23 mm,這樣的錯層設(shè)計,能有效減少不可更換刀具的磨損,延長使用工時;使用滾刀時,該刀具與不可更換撕裂刀齊平,這樣的設(shè)計能有效保護滾刀,減少磨損,延長使用工時。
通過上述刀盤結(jié)構(gòu)與刀具的設(shè)計,該復(fù)合式掘進機的刀盤旋轉(zhuǎn)90°即可對正面土體進行一次全斷面切削。結(jié)合最高2.37 rpm的刀盤轉(zhuǎn)速,為掘進機4 cm/min的最高掘進速度提供了有力的支撐。
所謂二次破碎,即渣土或石塊經(jīng)過刀盤的第一次破碎后,在進入排渣管路前,所遭遇的第二次破碎。
一般來說,軟土掘進機的泥水倉會設(shè)計成矩形[5],其優(yōu)點為:可在矩形的兩面都開進渣口,提高掘進效率;其缺點為:若遇到石塊、卵石等,不易被擠壓破碎,致使刀盤支撐腿區(qū)域?qū)糨^多渣塊,增加鋼結(jié)構(gòu)的磨損及驅(qū)動的扭矩負荷,降低掘進效率。因此該結(jié)構(gòu)并不適用本次含有基巖層、卵石層的地況(圖2)。
圖2 矩形泥水倉剖面示意
為了更好地應(yīng)對本工程復(fù)雜的地況,該復(fù)合式泥水平衡掘進機采用了①刀盤的4條支撐腿上加焊菠蘿刀;②泥水倉設(shè)計成了圓錐形結(jié)構(gòu)。利用①和②之間的間隙,形成一個可擠壓渣土與石塊的破碎空間,從而實現(xiàn)二次破碎的功能(圖3)。在刀盤背面設(shè)有旋轉(zhuǎn)攪拌棒,其攪拌倉內(nèi)泥渣塊的同時,還使渣塊更易進入二次破碎區(qū),提高掘進機的排渣效率。
圖3 錐形泥水倉剖面示意及模型
該設(shè)計的優(yōu)點在于:圓錐形的泥水倉結(jié)構(gòu)較矩形而言,使渣塊更易進入二次破碎區(qū)域;因天然形成的石塊,其形狀更接近圓形,所以本次將渣塊進口格柵設(shè)計成圓形,使被二次破碎的渣塊更易進入泥水倉;錐形泥水倉上還堆焊有硬質(zhì)合金條,保護圓形格柵,防止其被損壞,提高使用工時。
經(jīng)過以上設(shè)計,該掘進機在應(yīng)對復(fù)雜地況時也能保障出渣通暢,使掘進效率得以提高。
2.3.1 驅(qū)動扭矩計算
因工程地質(zhì)情況復(fù)雜,故本次掘進機的驅(qū)動設(shè)計著重點為:扭矩、強度、剛度。
該掘進機采用液壓驅(qū)動、周邊傳動的刀盤驅(qū)動形式。液壓驅(qū)動的優(yōu)點在于:脫困扭矩大、所需扭矩可調(diào),液壓發(fā)動機體積小于電機,所以液壓驅(qū)動更適用于本工程工況和設(shè)備尺寸。
周邊傳動和中心傳動相比,其優(yōu)點在于:轉(zhuǎn)盤軸承比滾動軸承能承受更大的軸向和徑向力,使掘進機整體強度更高,更適合本工程的地況。若使用中心傳動,人閘門將無法布置,這就導(dǎo)致可更換刀具無法在隧道掘進時進行更換。因此,該掘進機刀盤的驅(qū)動結(jié)構(gòu)形式確定為:液壓驅(qū)動、周邊傳動。
在綜合考慮該工程的復(fù)雜地況及相關(guān)設(shè)計規(guī)范后,最終該掘進機的額定扭矩定為290 kN·m;需脫困時,可調(diào)至16 MPa。
2.3.2 主驅(qū)動密封選材
在掘進機的驅(qū)動系統(tǒng)中,主軸承相當于掘進機的“心臟”,在掘進施工時,主軸承是無法進行維修或更換的。
主驅(qū)動密封則是保護“心臟”的最關(guān)鍵部件,若其發(fā)生破損,外界的泥砂將會進入主軸承,造成其損壞,從而使整個工程中斷。研究制造高耐磨、高承壓的適合本工程使用的止水密封系統(tǒng)就成為了該工程的核心難點。
在現(xiàn)代工業(yè)中,常用密封件的材料多達幾十種,各類材質(zhì)的物理性能、化學(xué)性能、適用工況各不相同。在本領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用的主要有氯丁橡膠CR、丁腈橡膠NBR和聚氨酯膠PU。
不同廠家所生產(chǎn)的密封件,其性能各有差異[6]。
氯丁橡膠CR有優(yōu)良的加工性能,物理性能接近NBR,但其缺陷在于不耐低溫,溫度越低,其物理性能越差。
丁腈橡膠NBR加工性能略低于CR,各物理性能略高于CR、低于PU。與其他橡膠相比,NBR有更寬裕的使用溫度范圍,最高的長期使用溫度為120 ℃,同時NBR最低玻璃化溫度可達-55 ℃。
聚氨酯膠PU優(yōu)點在于各物理性能都遠高于CR、NBR,其缺陷在于不耐水、不耐高溫、不同直徑的密封件都需重新開模制作,因此造價高。
本文所述工程在加拿大埃德蒙頓市,該地區(qū)屬北半球,夏季短冬季長,冬季溫度一般在-30~-20 ℃。CR因其不耐低溫的特性首先被排除選擇范圍;PU各物理性能雖最好,但其存在一個不耐水的缺陷,這對掘進軸線深度在地表下約30 m的該工程來說是致命缺點;NBR有寬裕的使用溫度范圍,其2%的遇水膨脹性的特點,能降低對設(shè)備制作精度的要求,使設(shè)備密封性更好,尤其適用于本工程。
經(jīng)多方面綜合考慮,NBR材質(zhì)的密封件最適合作為本文所述的掘進機主驅(qū)動密封。此外,掘進機的主驅(qū)動系統(tǒng)中,還配有密封壓條、油脂潤滑的輔助設(shè)計,在有效保護密封件的同時,還能減少磨損量、降低發(fā)熱,提高其使用壽命。
該掘進機潤滑系統(tǒng)由密封油脂潤滑、軸承油液潤滑這2個部分組成。
2.4.1 密封油脂潤滑
該掘進機的主驅(qū)動密封是由內(nèi)、外周各兩組丁腈橡膠NBR(每組含3道)的唇形密封件組合而成(圖4)。
圖4 主驅(qū)動密封剖面示意
油脂潤滑系統(tǒng)采用了集中、自動、間斷式供脂。氣動油脂泵通過分配器,間斷地向兩組驅(qū)動密封之間,注入具有一定壓力的油脂??赏ㄟ^定時器或氣壓調(diào)節(jié)注入油脂的量和調(diào)控壓力。
一號鋰基脂的注入,能充分地起到減少泥砂涌入、減少密封磨損、為密封降溫的顯著效果。
2.4.2 驅(qū)動軸承潤滑裝置
本文所述的掘進機,其主軸承為定制的3排圓柱滾子軸承,采用220#重負荷工業(yè)齒輪油強制潤滑的結(jié)構(gòu)形式。
使用帶有磁性濾清器的油泵,將油池中的220#潤滑油注入軸承內(nèi)的滾子處,強制潤滑滾子與滾道。潤滑油經(jīng)過軸承密封回到油池中(圖5)。
圖5 三排圓柱滾子軸承剖面示意
注入220#潤滑油能有效地起到減少滾子與滾道的磨損、帶出滾子與滾道摩擦后產(chǎn)生的鐵屑、為軸承內(nèi)部降溫的作用。
此外,該裝置還設(shè)有壓力和流量傳感器,當磁性濾清器或油泵發(fā)生異常時,系統(tǒng)將聯(lián)鎖強制停止刀盤轉(zhuǎn)動,為主軸承提供了雙保險的防護機制。
糾偏系統(tǒng)是指當掘進機的掘進軸線出現(xiàn)偏差并需要糾正時所用的功能。該功能由4組液壓千斤頂?shù)纳炜s動作來實現(xiàn),糾偏時,千斤頂兩兩一組(左右、上下),從而使掘進機的掘進方向回到設(shè)計的軸線上。
糾偏力矩計算如下式[7](圖6):
圖6 糾偏力矩示意
式中:f——掘進機殼體在投影面上所受的力,kN;
P——經(jīng)驗壓力,取150 kN/m2;
D——掘進機外徑,m;
L——殼體長度,m;
OA——千斤頂力臂,即行程,m;
F——每兩組千斤頂?shù)耐屏χ?,kN。
根據(jù)式(1)求得:F=1 632.65 kN。因此,單個千斤頂需滿足816.33 kN的頂力需求。根據(jù)該理論計算結(jié)果,為能更好地應(yīng)對冰磧性黏土、卵石層等復(fù)雜地況,本文所述的掘進機最終選用單個推力為1 200 kN的液壓千斤頂,是理論計算值的1.47倍。糾偏角度為(上下、左右)±2°,以滿足該工程復(fù)雜地況的需求。
復(fù)合式泥水平衡頂管掘進機的設(shè)計,既不能參考軟土掘進機的驅(qū)動扭矩等參數(shù)設(shè)計,也不能參考硬巖掘進機的刀盤布局設(shè)計,需要設(shè)計人員有足夠多的設(shè)計工作經(jīng)驗及大量的理論計算作為設(shè)計的支撐依據(jù)。
該臺φ2 230 mm復(fù)合式泥水平衡頂管掘進機于2020年6月制造完畢(圖7)。本文撰寫時,該工程正進行955.44 m區(qū)間段的掘進施工,已掘進約707 m,此掘進距離已是當?shù)貑未巫罴丫蜻M記錄。
圖7 頂管掘進機模型
目前該掘進機各系統(tǒng)運行正常,可遠程操控的駕駛系統(tǒng),大大改善了掘進機駕駛員的工作環(huán)境,獲得國外友人的諸多贊賞。
通過以上項目部反饋情況可證,該臺掘進機的刀盤、扭矩、密封、排渣等針對性設(shè)計均能滿足該工程的地況需求,為我司打開北美地區(qū)非開挖工程這一市場提供了堅實有力的保障。