復(fù)雜地層下盾構(gòu)倉外破碎裝置設(shè)計研究

翟 聰，鄭帥超，葉 超，張鵬豪，徐純杰

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

1 概述

隨著近年來我國在鐵路、公路和軌道交通等領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模不斷擴大，地下管網(wǎng)和地下空間也不斷地被開發(fā)。盾構(gòu)法施工以其安全環(huán)保、操作方便、勞動強度低和快速經(jīng)濟性等諸多優(yōu)點，在全世界各種地層的隧道建設(shè)中起到了舉足輕重的作用[1-2]。

目前國內(nèi)盾構(gòu)法施工絕大多數(shù)采用土壓平衡盾構(gòu)或泥水平衡盾構(gòu)兩種模式盾構(gòu)施工。土壓平衡盾構(gòu)具有掘進效率高、施工成本低等優(yōu)點，但其對地表沉降控制能力較弱，易出現(xiàn)沉降過大等問題；泥水平衡盾構(gòu)對地層擾動小，可以很好地控制地面沉降，但排漿管容易堵塞，造成排渣不暢，加速刀具磨損，且其施工成本較高。隨著盾構(gòu)施工的水文地質(zhì)情況日益復(fù)雜，特別是針對裂隙、卵石、破碎帶等地層，同時地表沉降控制要求高的工程項目，土壓-泥水雙模式盾構(gòu)應(yīng)運而生[3-4]。

破碎裝置是盾構(gòu)的重要部件之一，其主要作用是破碎進入倉內(nèi)的大塊巖石，避免出現(xiàn)堵管堵泵情況，使環(huán)流系統(tǒng)運行通暢。破碎裝置在盾構(gòu)上的布置形式有氣墊倉內(nèi)和氣墊倉外兩種，布置在泥水盾構(gòu)氣墊倉內(nèi)的破碎裝置的主要形式為顎式破碎機，其由兩個顎板在液壓油缸的作用下對巖塊擠壓破碎，如圖1 所示[5]；布置在后配套拖車上的破碎機裝置的主要形式為輥齒式破碎機，如圖2 所示，此種破碎機雖然破碎效率高，維修方便，但其能夠破碎的石塊粒徑小，不能滿足大粒徑巖塊的破碎需求。

圖1 氣墊倉內(nèi)部顎式破碎機

圖2 輥齒破碎機

本文以某隧道建設(shè)工程為應(yīng)用背景，提出一種在復(fù)雜地層下使用的倉外破碎裝置，其可以在諸如裂隙、卵石、破碎帶等復(fù)雜地層進行施工，不僅可以應(yīng)用到土壓-泥水雙模式盾構(gòu)上，也可用作單一模式泥水盾構(gòu)的倉外破碎機或二次破碎機。其具備稀釋、渣石破碎和粒徑篩分功能，其布置在氣墊倉外使其在維修時不用帶壓進入氣墊倉內(nèi)部，具有維修方便、實用性強、地層適應(yīng)能力高等特點。

2 雙模盾構(gòu)工作原理介紹

某在建隧道盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)條件以礫巖、砂巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，巖層石英含量較高，下穿河流，并存在裂隙、卵石、破碎帶等地層，地質(zhì)情況較為復(fù)雜。項目采用泥水-土壓雙模式盾構(gòu)進行施工，在施工時可根據(jù)穿越地質(zhì)情況選擇土壓掘進模式或泥水掘進模式，以適應(yīng)復(fù)雜多變的地層，在最大程度控制工程風險的同時，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效掘進[6]。土壓-泥水雙模式盾構(gòu)的主機布置圖如圖3 所示。

圖3 雙模式盾構(gòu)主機布置圖

雙模式盾構(gòu)的土壓掘進模式是將掌子面渣土經(jīng)刀盤切削下來并充滿土倉，由土倉壓力來平衡掌子面水土壓力，其通過螺旋輸送機輸送渣土。土壓掘進模式適用于各種硬巖、軟巖和黏土地層等土體自穩(wěn)性較強的地層，具有施工工序簡單、掘進效率高、耗能少和施工成本低等優(yōu)點。

雙模式盾構(gòu)的泥水掘進模式即是用制好的泥膜和泥漿壓力平衡掌子面的水土壓力，通過泥漿管道輸送渣土。泥水掘進模式可適用于砂層、淤泥、上軟下硬地層及對地表沉降控制高等地層掘進施工，具備工作壓力高、地表沉降控制好、刀盤刀具壽命長等優(yōu)點。

3 倉外破碎裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理

3.1 倉外破碎裝置結(jié)構(gòu)組成

本文提出的氣墊倉外破碎裝置的整體結(jié)構(gòu)組成如圖4 所示，其主要由排漿管、格柵、破碎機、安裝法蘭、稀釋箱、備用進漿管、箱體和出渣門等組成。

圖4 倉外破碎裝置結(jié)構(gòu)組成

從圖4 可看出，安裝法蘭布置在整個破碎裝置上部進漿口處，整個破碎裝置通過安裝法蘭螺栓連接在螺旋輸送機出渣口法蘭上。倉外破碎裝置的箱體上布置有排漿管、安裝法蘭、備用進漿管、沖刷管和出渣門，其中格柵和破碎機安裝在箱體內(nèi)部。排漿管布置在箱體的外側(cè)右端，并且在格柵的后面，與盾構(gòu)泥水循環(huán)系統(tǒng)的排漿管路連接；兩個泥漿沖刷管對稱傾斜布置在箱體左側(cè)底部，可對堆積在破碎區(qū)域的渣石進行沖刷，防止渣石阻塞或大量沉積，并加速破碎后的渣石通過格柵進入排漿泵中；破碎機可對進入箱體內(nèi)的渣石破碎，降低排漿管和泥漿管路的磨損，同時破碎機設(shè)計有攪拌功能，可有效降低底部渣土的堆積。破碎機采用液壓動力，潤滑方式采用自動注脂，通過遞進式分配閥對注入量可以方便地控制，且破碎機關(guān)鍵銷軸處設(shè)置有自動油脂潤滑注入孔，提高銷軸可靠性。破碎機迎渣面焊接有耐磨復(fù)合鋼板，提高破碎機的耐磨性能；格柵布置在箱體的右側(cè)，用于限制破碎機破碎后進入排漿管的石塊粒徑，實現(xiàn)倉外破碎機粒徑篩分功能，避免排漿管堵倉堵管。壓力傳感器安裝在排漿管上部的封蓋上，可實時檢測倉外破碎裝置的內(nèi)部壓力，當壓力過大時，說明其內(nèi)部出現(xiàn)堵倉滯排現(xiàn)象，需及時停止盾構(gòu)掘進，通過打開出渣門等方式對其內(nèi)部進行清理。

綜上所述，倉外破碎裝置主要由顎式破碎機、稀釋箱和格柵3 部分組成，其制造完成后的實物如圖5 所示。

圖5 制造完成的倉外破碎裝置

3.2 箱體結(jié)構(gòu)強度分析

箱體是倉外破碎裝置的基體，排漿管、格柵、備用進漿管、出渣口以及破碎機通過破碎機支座安裝固定在箱體上。故箱體是倉外破碎裝置受力情況和結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的零部件，不僅箱體的強度、剛度要滿足使用要求，其設(shè)計還要滿足重量輕、制造方便等要求，故需要箱體整體結(jié)構(gòu)進行強度分析和計算。

3.3 箱體有限元模型建立

由于倉外破碎裝置的箱體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故可先應(yīng)用三維建模軟件Creo 建立此箱體的三維模型。在建模時，可以對計算非常耗時的螺紋通孔、圓角，以及吊耳、安裝孔等不影響箱體強度分析結(jié)果而又增加仿真復(fù)雜程度的特征因素予以簡化忽略，以減小后續(xù)有限元分析的計算量，提升有限元分析速度[7-8]。將三維模型轉(zhuǎn)化為STP 格式后，導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，并采用布爾運算方法對排漿管、備用進漿管、出渣口和箱體進行修正，將各個部件合成為1 個整體，便于網(wǎng)格劃分[9]。箱體有限元模型的材料及其相關(guān)屬性如表1 所示。

表1 箱體所用材料及其屬性

有限元網(wǎng)格劃分是有限元分析至關(guān)重要的一步，其劃分大小和精度直接影響分析結(jié)果的準確性。由于倉外破碎裝置箱體模型的體積較大，外輪廓尺寸為2828mm×3350mm×2412mm。為保證網(wǎng)格劃分的準確性，應(yīng)在連接法蘭和破碎機的連接處等局部載荷較大的地方進行網(wǎng)格細化處理[10]。

3.4 倉外破碎裝置箱體應(yīng)力分析結(jié)果

在對倉外破碎裝置箱體的有限元模型施加約束和載荷后，可運用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對模型進行強度分析，并得出如圖6和圖7 所示的箱體有限元模型的等效應(yīng)力云圖和整體變形云圖。

圖6 箱體等效應(yīng)力云圖

圖7 箱體整體變形云圖

從箱體模型等效應(yīng)力云圖可以看出，箱體等效應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在筋板處，其值為252.98MPa，小于箱體所用材料的屈服極限強度，且箱體的受力大致來講比較均勻，箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足強度要求。從箱體模型的整體變形云圖中可以看出，箱體變形最大的地方在排漿管處，其最大變形量為7.85mm，可在排漿管與箱體連接的四周增加周向筋板等措施進一步減小此處的變形量。箱體其余部位的變形量較小，滿足箱體的剛度要求[11]。

4 破碎機結(jié)構(gòu)設(shè)計及受力分析

4.1 破碎機結(jié)構(gòu)設(shè)計

安裝在倉外破碎裝置箱體內(nèi)部的破碎機是倉外破碎裝置的核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖8 所示。破碎機主要由破碎機支座，破碎機左右油缸、右側(cè)顎板、左側(cè)顎板以及銷軸組成。

圖8 破碎機結(jié)構(gòu)組成

圖中破碎機支座安裝在破碎裝置箱體右端上部封板的凹槽里，并且由蓋板封堵。破碎機油缸左右對稱布置在箱體內(nèi)部左右兩側(cè)，油缸的推桿耳座與破碎機支座通過銷軸連接，油缸缸體耳座與顎板通過銷軸連接，顎板在油缸推力作用下對進入箱體內(nèi)的大粒徑石塊破碎。

4.2 破碎機破巖能力計算

破碎機在工作的過程中主要依靠油缸3 的推力作用于顎板對石塊進行破碎，對破碎機左側(cè)顎板7 的受力情況如圖9 所示。

圖9 破碎機鄂版受力分析

對圖中的C點取力矩平衡方程式，可得

式（1）中，F(xiàn)1表示油缸3 對顎板的作用力，其值可通過式（2）算得；F2表示巖石對顎齒的作用力，L1表示F1到C點的力臂，L2表示F2到C點的力臂，兩者的值分別為479.5mm 和331mm，得

式（2）中，p表示油缸壓力，r表示油缸推桿的半徑55mm，將上述值代入式（2）中，可得油缸的推力F1的值為333kN，將F1的值代入式（1）中，可得巖石對顎齒的作用力F2的值為482.4kN。

破碎機的破碎能力可由式（3）算得

式（3）中，F(xiàn)2為顎齒作用于巖石的作用力，S為顎齒與巖石的接觸面積，將上述值帶入式（3）中，可得破碎機的破碎巖石強度σ的值為198.4MPa，滿足項目的使用要求。

5 倉外破碎裝置渣石流動原理

在螺旋輸送機出渣口配備的具有稀釋、破碎和渣石過濾功能的倉外破碎裝置，其主要由顎式破碎機、稀釋箱和格柵組成。下面對其分別在土壓掘進模式和泥水掘進模式下的渣石排出過程分別進行簡要介紹。

5.1 土壓掘進模式

當盾構(gòu)處于土壓掘進模式時，由刀盤開挖下來的隧道掌子面的渣土在螺旋輸送機內(nèi)形成土塞效應(yīng)，并在螺旋軸帶動下，通過螺旋輸送機兩道后出渣閘門，進入到與螺旋輸送機相連的氣墊倉外破碎裝置內(nèi)，并經(jīng)由其內(nèi)部的傾斜導(dǎo)渣板作用下進入破碎機的破碎區(qū)域。渣石經(jīng)由破碎機的顎板破碎后，再經(jīng)過格柵進行篩分，經(jīng)破碎機破碎后可以通過格柵的石塊，進入與排漿管連接的排漿管路排出；經(jīng)破碎機破碎后無法通過格柵的石塊則再需破碎機破碎，直至滿足格柵的粒徑要求。

5.2 泥水掘進模式

當盾構(gòu)處于泥水掘進模式時，可根據(jù)由刀盤開挖下來的隧道掌子面的渣石粒徑和實際地質(zhì)條件選擇如下幾種方式出渣。

1）螺旋輸送機+破碎機出渣模式 刀盤切削下來的掌子面的渣土在土倉里由螺旋機的土塞效應(yīng)進入到螺旋輸送機內(nèi)，通過螺旋輸送機兩道后出渣閘門，進入到與螺旋輸送機相連的倉外破碎裝置中，再通過破碎機顎板的破碎和格柵的粒徑篩選后，經(jīng)與破碎機連接的排漿管路排出，如圖10 所示。

圖10 螺旋輸送機+破碎機出渣模式

2）直排管出渣模式 當?shù)侗P切削下來的掌子面的渣土可通過前隔板底部的直排管直接排出，可根據(jù)實際地質(zhì)條件和渣土粒徑，既可以通過倉外破碎裝置的備用排漿管進入其箱體內(nèi)部，再通過其稀釋、破碎和粒徑過濾后，通過與倉外破碎裝置的排漿管排出；也可不經(jīng)過倉外破碎裝置直接由主排漿管排出，如圖11 所示。

圖11 直排管掘進模式

當盾構(gòu)處于泥水掘進模式時，通過上述渣石排出模式，可使不同地層、不同粒徑的渣石順利排出，實現(xiàn)雙模式盾構(gòu)排渣效率最大化。

6 結(jié)論

1）以某隧道建設(shè)工程為應(yīng)用背景，提出一種在復(fù)雜地層下使用的倉外破碎裝置，對其主要結(jié)構(gòu)組成進行詳細介紹。其應(yīng)用在單一模式或雙模式盾構(gòu)，具有稀釋、破碎和渣石過濾功能，使盾構(gòu)可在諸如裂隙、卵石、破碎帶等復(fù)雜地層順利施工，且其具有拆裝、維修和清渣簡便快捷等優(yōu)點。

2）通過三維建模軟件Creo 建立了倉外破碎裝置的三維模型，并利用有限元分析軟件對倉外破碎裝置的箱體結(jié)構(gòu)進行有限元強度分析，得出其箱體在受最大載荷工況下的等效應(yīng)力和整體變形云圖。并根據(jù)分析結(jié)果對箱體強度進行優(yōu)化，使其滿足使用工況要求。

3）對倉外破碎裝置的核心部件破碎機的結(jié)構(gòu)組成進行詳細介紹，并對破碎機的破巖能力進行分析計算。

4）倉外破碎裝置可根據(jù)施工地質(zhì)條件，一鍵切換土壓掘進模式和泥水掘進模式，實現(xiàn)不同地層、不同粒徑的渣石順利排出，避免堵倉滯排，實現(xiàn)排渣效率最大化。在雙模式盾構(gòu)分別處于土壓掘進模式和泥水掘進模式下，倉外破碎裝置的工作原理及渣石排出流程進行詳細闡述。