隧道大口徑內(nèi)襯鋼瓦片運調(diào)一體機優(yōu)化設(shè)計

孔德順, 李 泉, *, 高相勝

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所, 北京 100081; 2.北京華橫科技有限公司, 北京 100081; 3.北京工業(yè)大學 先進制造技術(shù)北京市重點實驗室, 北京 100124; 4.河北暢想橡塑科技有限公司, 河北 衡水 053500)

0 引言

隨著長距離輸水管道工程的快速發(fā)展以及輸水管線運營里程的增加，外界環(huán)境或者施工質(zhì)量缺陷造成預制混凝土管片裂紋或者坍塌的問題時有發(fā)生。目前的解決方案是將預制的內(nèi)襯鋼瓦片運輸?shù)焦芷鸭y或者坍塌處，鋼瓦片撐開成圓管狀態(tài)后焊接加固管片，再回填恢復管線結(jié)構(gòu)。隧道內(nèi)運輸和拼裝對接大口徑內(nèi)襯鋼瓦片施工技術(shù)尤為關(guān)鍵，特別是當內(nèi)襯鋼瓦片直徑大、質(zhì)量較大以及內(nèi)襯鋼瓦片與隧道管片之間間隙較小時，內(nèi)襯鋼瓦片在隧道內(nèi)長距離運輸和拼裝施工難度更大。為解決內(nèi)襯鋼瓦片運輸及拼裝施工困難、效率低和對接拼裝精度差等問題[1-2]，設(shè)計加工專用施工裝備，并確保其自身結(jié)構(gòu)在鋼瓦片運輸、拼裝對接施工過程中變形小、運行平穩(wěn)尤為重要。

研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)襯鋼管短距離運輸時，可采用卷揚機牽引[3]施工，輔以相關(guān)旋轉(zhuǎn)和拼接工裝，如在黃登水電站[4]、埃塞俄比亞吉布3水電站[5]和巴基斯坦N—J水電站[6]等工程中的應用。針對大口徑(φ5 600 mm以上)內(nèi)襯鋼管長距離運輸和拼裝對接施工，如引松供水工程，其采用專用臺車實現(xiàn)隧道內(nèi)超大直徑內(nèi)襯鋼管運輸、拼裝對接、焊接和自密實混凝土施工[7]。然而，當隧道曲線段曲率大、隧道與內(nèi)襯鋼管片間隙較小和長距離運輸時[8-9]，上述施工技術(shù)很難實現(xiàn)?？椎马樀萚10]結(jié)合河西工程特點，設(shè)計內(nèi)襯鋼管運調(diào)一體機，實現(xiàn)了內(nèi)襯鋼管長距離運輸和自動拼裝施工，但缺少自糾偏功能。上述研究僅針對隧道內(nèi)襯鋼管的運輸和拼裝對接施工，在內(nèi)襯鋼瓦片與隧道內(nèi)壁間隙較小且需要長距離運輸和拼裝對接時則很難實現(xiàn)。

本文針對某項目隧道(φ4 000 mm)開裂問題，提出將內(nèi)襯鋼瓦片(φ3 940 mm，l=2 500 mm)運輸?shù)叫枰庸涛恢?，拼裝對接并焊接成型后進行管片加固的施工方案。通過三維設(shè)計和有限元分析方法，對鋼瓦片運輸方案進行比選和優(yōu)化，提高內(nèi)襯鋼瓦片運調(diào)一體機(簡稱鋼瓦片運調(diào)機)設(shè)計的合理性、結(jié)構(gòu)制造的穩(wěn)定性和控制系統(tǒng)的可操作性，保障鋼瓦片在隧道內(nèi)高效、安全和低成本運輸，為大口徑內(nèi)襯鋼瓦片在隧道內(nèi)長距離運輸和拼裝對接施工提供技術(shù)方案。

1 現(xiàn)有內(nèi)襯鋼管運輸、拼裝施工方案分析

現(xiàn)有內(nèi)襯鋼管運輸、拼裝施工方案如圖1所示。其中，圖1(a)為大口徑(直徑5 000～8 500 mm)或者厚壁鋼管運輸、拼裝施工方案；圖1(b)為小口徑(直徑2 000～4 500 mm)薄壁鋼管運輸、拼裝施工方案；圖1(c)為直徑2 000～4 500 mm薄壁鋼管自動化運輸、拼裝施工方案，其施工效率和對接精度高。上述方案適用于內(nèi)襯鋼管與隧道內(nèi)壁間隙較大時，不適用于內(nèi)襯鋼管與隧道內(nèi)壁間隙較小時的運輸和拼裝對接施工。

(a)厚壁鋼管運輸、拼裝

2 鋼瓦片運輸、拼裝施工方案分析

考慮內(nèi)襯鋼瓦片在隧道內(nèi)長距離運輸、與隧道內(nèi)壁間隙較小且拼裝對接要求高等施工工況，設(shè)計時將內(nèi)襯鋼管(φ3 940 mm，厚度δ=30 mm，質(zhì)量m=7.5 t)切割成三等分結(jié)構(gòu)，如圖2所示，利用油缸收攏鋼瓦片，增大鋼瓦片與隧道內(nèi)壁之間的間隙，保障鋼瓦片運輸中與隧道內(nèi)壁不發(fā)生磕碰。但是，鋼瓦片收縮狀態(tài)為偏心結(jié)構(gòu)，運輸中容易造成鋼瓦片運調(diào)機走偏，與隧道內(nèi)壁發(fā)生磕碰或者傾倒。為保障鋼瓦片運輸安全，控制系統(tǒng)增加自動糾偏和自調(diào)整功能；考慮鋼瓦片在長距離密閉空間施工，控制系統(tǒng)選用遠程遙控系統(tǒng)，實現(xiàn)鋼瓦片的遠程遙控操作，降低鋼瓦片施工作業(yè)難度和消除密閉空間作業(yè)風險；同時，考慮隧道內(nèi)抽水后存在泥水底面，設(shè)計走行機構(gòu)，避免出現(xiàn)鋼瓦片運輸中的打滑現(xiàn)象[11-12]。

(a)主視圖 (b)A-A截面圖

3 鋼瓦片運調(diào)機優(yōu)化設(shè)計

3.1 鋼瓦片運調(diào)機結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.1 整體結(jié)構(gòu)

鋼瓦片運調(diào)機結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示，以圓管為支撐固定結(jié)構(gòu)，2個夾持機構(gòu)、走行機構(gòu)和導向機構(gòu)分別設(shè)置于支撐機構(gòu)的兩側(cè)并與支撐機構(gòu)以鉸接方式進行聯(lián)結(jié)，設(shè)計的走行機構(gòu)可以繞支撐機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，同時導向機構(gòu)和夾持機構(gòu)分別與支撐機構(gòu)固聯(lián)[13-14]。采用鋼管式支撐機構(gòu)，可提高整體結(jié)構(gòu)強度、減小質(zhì)量和減少維修量，同時便于該結(jié)構(gòu)加工、拼裝和拆卸。

(a)等軸測圖

3.1.2 夾持機構(gòu)

鋼瓦片運調(diào)機夾持機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示，以油缸為驅(qū)動力，可減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高穩(wěn)定性和驅(qū)動力，更好地適應不同管徑鋼瓦片的夾持運輸?？紤]鋼瓦片運輸過程中為不對中結(jié)構(gòu)，拼裝對接時需要旋轉(zhuǎn)一定角度，在夾持機構(gòu)上安裝回轉(zhuǎn)支撐機構(gòu)，可實現(xiàn)鋼瓦片±60°旋轉(zhuǎn)拼裝對接作業(yè)。為了提高鋼瓦片的運輸安全性，避免與隧道內(nèi)壁發(fā)生磕碰，考慮鋼瓦片收攏最小狀態(tài)時為不對中結(jié)構(gòu)(如圖3(d)所示)，運輸振動容易造成鋼瓦片繞支撐結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，同時考慮隧道內(nèi)曲率半徑，設(shè)計的鋼瓦片質(zhì)心最大偏移量為500 mm(偏心力矩為37.5 kN·m)，故選用型號為SE21-125-H-25R(傾覆力矩值為203 kN·m，保持力矩值為105.8 kN·m)的回轉(zhuǎn)支撐，以滿足運輸過程中鋼瓦片夾持的穩(wěn)定性要求和調(diào)整角度時所需的驅(qū)動力矩值。

(a)主視圖 (b)A-A截面圖

3.1.3 走行機構(gòu)

為提高鋼瓦片運輸和拼裝對接時的運行穩(wěn)定性和精確控制，選用變頻電機(4 kW)+減速機(減速比1∶50)驅(qū)動方式，根據(jù)鋼瓦片運輸特點，設(shè)計走行速度為0～15 m/min?？紤]管片連接處的工藝孔造成走行輪沖擊問題，為了延長減速機的使用壽命，選用斜齒輪直接驅(qū)動走行輪的方式，如圖5所示。

(a)主視圖 (b)A-A截面圖

3.1.4 導向機構(gòu)

導向機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示。鋼瓦片對接時只需伸縮油缸就能實現(xiàn)360°方向調(diào)整，滿足對接時的方向調(diào)整要求。本文鋼瓦片的拼裝對接過程與文獻[10]相似，但其結(jié)構(gòu)比文獻[10]設(shè)備更加優(yōu)化，調(diào)整也更加方便。為提高鋼瓦片拼裝對接時的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導向機構(gòu)選用φ219 mm×16 mm鋼管作為導向支撐桿。

(a)主視圖 (b)A-A截面圖

3.1.5 鋼瓦片運調(diào)機控制系統(tǒng)

考慮鋼瓦片在隧道內(nèi)運輸時為不對中結(jié)構(gòu)狀態(tài)，且在狹小空間內(nèi)長距離運輸、拼裝對接施工，為減少鋼瓦片施工和密閉空間作業(yè)對操作者造成潛在傷害，鋼瓦片運調(diào)機控制系統(tǒng)選用遙控+自動控制相結(jié)合的方式。設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠自動判別鋼瓦片運調(diào)機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，根據(jù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)數(shù)值自動修正運動狀態(tài)，并預留自動規(guī)劃運輸路線和自動拼裝對接數(shù)據(jù)接口，可結(jié)合鋼瓦片運輸、拼裝對接施工工藝要求，將數(shù)據(jù)直接導入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)隧道的直線、曲線、隧道坡度值等信息，自動規(guī)劃鋼瓦片運輸速度和拼裝對接施工工藝，提高鋼瓦片在隧道內(nèi)運輸?shù)陌踩浴⑹┕ば屎推囱b對接精度。

3.1.6 鋼瓦片夾持和拼裝對接

鋼瓦片在隧道內(nèi)運輸和拼裝對接施工時，根據(jù)施工工況可采取2種安裝方式。第1種方式采用鋼瓦片運調(diào)機：1)將鋼瓦片拼裝成圓環(huán)并固定，在鋼瓦片底部鋪設(shè)與走行機構(gòu)同寬度、厚度為16 mm的鋼板；2)當控制(前)走行機構(gòu)靠近鋼瓦片時，(前)導向機構(gòu)支撐油缸伸長使導向輪接觸地面，并且(前)走行機構(gòu)油缸收縮使走行輪能夠通過鋼瓦片，(后)走行機構(gòu)繼續(xù)往前運動，使(前)走行機構(gòu)完全進入鋼瓦片內(nèi)；3)當(前)走行機構(gòu)完全進入鋼瓦片時，(前)走行機構(gòu)油缸伸長使走行輪接觸鋪設(shè)的鋼板，同時，(前)導向機構(gòu)油缸縮短使導向輪高于鋼瓦片內(nèi)鋪設(shè)的鋼板，(后)走行機構(gòu)繼續(xù)往前運動，待(前)走行機構(gòu)運動至鋼瓦片另一端部時，(前)導向機構(gòu)的支撐油缸伸長使導向輪接觸鋼板，控制(前)走行機構(gòu)縮回油缸，使走行輪離開鋼板，控制(后)走行機構(gòu)繼續(xù)往前運動，使(前)走行機構(gòu)脫離另一端鋼瓦片；4)控制(前)走行機構(gòu)油缸伸長使走行輪接觸底面，同時，(前)導向機構(gòu)的支撐油缸縮短使導向輪脫離鋼瓦片，當鋼瓦片運調(diào)機完全運行到鋼瓦片中間位置時，進行鋼瓦片夾持。第2種方式選用現(xiàn)場吊車吊裝鋼瓦片并放置在鋼瓦片運調(diào)機上，進行鋼瓦片夾持。

鋼瓦片夾持過程為：夾持機構(gòu)頂端油缸與中間的鋼瓦片固定聯(lián)結(jié)，兩側(cè)的油缸跟下端2片鋼瓦片鉸接，3片鋼瓦片與油缸固定后，先收縮頂部油缸到最短狀態(tài)，緊接著收縮左側(cè)油缸到最短位置，最后收攏右側(cè)油缸(如圖3(d)所示)。鋼瓦片運輸過程中油缸為收攏狀態(tài)。當鋼瓦片在隧道內(nèi)運輸?shù)叫枰庸痰奈恢?，將鋼瓦片拼裝對接成圓管后焊接固定。鋼瓦片運調(diào)機脫離鋼瓦片過程與第1種鋼瓦片安裝方式相反，此處不再贅述。

鋼瓦片在隧道內(nèi)拼裝過程與加持收攏過程相反，在此不做詳述。拼裝焊接好的鋼瓦片的對接過程與隧道內(nèi)鋼管對接過程類似，可參考文獻[10]。選用鋼瓦片運調(diào)機進行鋼瓦片對接時，只需調(diào)整導向支撐油缸長度就能實現(xiàn)鋼瓦片對接，操作簡單，對接精度高。

3.2 鋼瓦片運調(diào)機結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.2.1 主體結(jié)構(gòu)有限元分析

為提高鋼瓦片運調(diào)機整體結(jié)構(gòu)強度和減小整體質(zhì)量，對鋼瓦片運調(diào)機整體結(jié)構(gòu)進行有限元計算，分析發(fā)現(xiàn)選用Q345B結(jié)構(gòu)鋼性價比最好。

采用有限元分析計算時，以走行機構(gòu)的固定鉸接處為支撐點、夾持機構(gòu)頂部為集中力作用點，考慮結(jié)構(gòu)質(zhì)量為12.5 t，負載質(zhì)量為7.5 t，結(jié)構(gòu)受偏心力矩為3.75 kN·m，設(shè)計安全系數(shù)為1.5，則整體結(jié)構(gòu)受力如圖7所示。有限元分析[15]得到鋼瓦片運調(diào)機的應力、變形和安全系數(shù)如圖8所示，最大應力值162.22 MPa<[σ]=345 MPa，最大變形值3.61 mm<5 mm(拼裝對接精度值)，最小安全系數(shù)1.54>1.5，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足安全要求。同時，鋼瓦片夾持時，收攏的鋼瓦片會增加整體結(jié)構(gòu)強度，減少結(jié)構(gòu)的變形和應力值(不考慮運行振動沖擊的影響)。通過仿真力學計算確保設(shè)計的鋼瓦片運調(diào)機滿足運輸安全性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和拼接對接精度要求。

(a)應力(單位：MPa)

3.2.2 走行機構(gòu)運動分析

考慮隧道為圓斷面結(jié)構(gòu)，為提高鋼瓦片運調(diào)機走行輪組與隧道斷面的摩擦力，降低接觸應力，避免走行輪在運輸中打滑，且提高走行輪使用壽命，走行機構(gòu)選用變頻電機+減速機驅(qū)動方式，電機的功率計算如式(1)所示。

(1)

式中：Pt為電機功率；Ft為切向滾動摩擦力；vmax為電機最大轉(zhuǎn)速；ηmax為電機傳動效率，取85%；G為運調(diào)機和鋼瓦片總質(zhì)量，取23 t；D為走行輪組直徑，取300 mm；n為電機轉(zhuǎn)速，取1 450 r/min；μ為走行輪組滾動摩擦因數(shù)，取0.1(考慮現(xiàn)場泥水工況，以滑動摩擦因數(shù)進行計算)；α為走行輪與隧道底面接觸角，取18.75°；i為減速機速比，取50。

鋼瓦片拼裝對接時為單組走行機構(gòu)驅(qū)動，總阻力約為24.5 kN，選用減速器型號為RV110-50-100B5，變頻電機功率為3 kW(驅(qū)動功率為2.4 kW)，減速機最大輸出轉(zhuǎn)矩為785.8 N·m。綜合考慮鋼瓦片運調(diào)機適應鋼瓦片運輸、拼裝對接精度要求，設(shè)計的走行速度為0～15 m/min，走行機構(gòu)的調(diào)整高度為0～500 mm。

3.2.3 走行機構(gòu)糾偏設(shè)計

鋼瓦片在隧道內(nèi)運輸時為收攏非對稱結(jié)構(gòu)狀態(tài)，隧道底部安裝工藝孔激發(fā)走行機構(gòu)的振動，造成鋼瓦片繞支撐機構(gòu)旋轉(zhuǎn)或者引起走行機構(gòu)發(fā)生側(cè)偏。為解決這個問題，設(shè)計的走行機構(gòu)為“八”字形結(jié)構(gòu)且走行機構(gòu)與支撐機構(gòu)之間為鉸接結(jié)構(gòu)，使走行機構(gòu)能夠繞支撐機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，如圖9所示；同時，為保障走行機構(gòu)運行穩(wěn)定，避免走行輪局部載荷過大而破壞走行輪的包膠接觸面，設(shè)計的走行輪軸中垂線過隧道中心點，且走行輪為內(nèi)鼓形結(jié)構(gòu)(如圖10所示)，走行輪承載時，使內(nèi)鼓形走行輪結(jié)構(gòu)與隧道管片內(nèi)壁緊密接觸且接觸面應力值為均布載荷。該結(jié)構(gòu)為走行驅(qū)動提供了足夠的摩擦力，并減少了局部接觸應力，從而提高了走行輪的使用壽命。

(a) (b)

圖10 走行輪

為解決鋼瓦片運輸走行機構(gòu)的走偏問題，在走行機構(gòu)橫梁上安裝姿態(tài)傳感器進行姿態(tài)修正，當走行機構(gòu)偏轉(zhuǎn)角度>20°時(橫梁與水平面夾角)，如圖9所示，控制系統(tǒng)控制導向機構(gòu)油缸伸長，使導向輪與隧道管片接觸，承擔一端鋼瓦片運調(diào)機的重量，同時控制走行機構(gòu)的升降油缸收縮，使走行輪脫離底面，利用走行機構(gòu)的自重恢復走行機構(gòu)初始狀態(tài)(鉛錘狀態(tài))；緊接著控制系統(tǒng)控制走行機構(gòu)的升降油缸伸長，走行輪接觸底面承擔一端重量，而導向支撐油缸收縮，使導向輪脫離底面?，F(xiàn)場應用證明，該走行機構(gòu)具有足夠的驅(qū)動力，能夠?qū)崿F(xiàn)走行機構(gòu)自動糾偏功能，同時可免鋪設(shè)走行軌道，降低鋼瓦片運輸施工成本和施工周期?？紤]鋼瓦片在隧道內(nèi)長距離運輸，采用滾筒電纜供電不現(xiàn)實，設(shè)計的鋼瓦片運調(diào)機配備汽油發(fā)電機或者蓄電池，可實現(xiàn)鋼瓦片運調(diào)機在隧道內(nèi)長距離運輸、拼裝對接施工作業(yè)。

4 鋼瓦片運調(diào)機的安裝調(diào)試與應用

4.1 鋼瓦片運調(diào)機的安裝調(diào)試

為驗證設(shè)計加工的鋼瓦片運調(diào)機的結(jié)構(gòu)強度、運輸過程的穩(wěn)定性和拼裝對接精度，試驗過程如圖11所示。以鋼瓦片通過相同尺寸隧道管片為基礎(chǔ)，測試鋼瓦片運調(diào)機的鋼瓦片夾持功能、運輸糾偏功能、拼裝對接施工精度，作為驗收評判依據(jù)。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，設(shè)計加工的鋼瓦片運調(diào)機滿足鋼瓦片夾持、運輸糾偏、拼裝對接施工技術(shù)要求。鋼瓦片運調(diào)機與現(xiàn)有的鋼管運調(diào)機的功能特點對比如表1所示。

(a)鋼瓦片夾持 (b)鋼瓦片收攏運輸

表1 鋼瓦片運調(diào)機與鋼管運調(diào)機功能特點對比

由于鋼瓦片運調(diào)機為專業(yè)設(shè)備，現(xiàn)場鋼瓦片運調(diào)機施工作業(yè)需配置安全管理員、維修人員和專業(yè)的操作人員，作業(yè)過程中需定期檢查，特別是設(shè)備遷移到新施工現(xiàn)場時，需要更換全套的螺栓螺母、破損的包膠輪、走行輪和導向輪的軸承、液壓系統(tǒng)密封件和液壓油，以確保該設(shè)備正常作業(yè)。

4.2 鋼瓦片運調(diào)機的應用

為比較鋼瓦片運調(diào)的優(yōu)缺點，以實際隧道內(nèi)管片選用鋼瓦片結(jié)構(gòu)加固為例，選用1 km運輸距離，將鋼瓦片運調(diào)機夾持、運輸、拼裝對接施工作業(yè)與叉車運輸+專業(yè)的拼裝對接裝備施工作業(yè)相比較發(fā)現(xiàn)：鋼瓦片運調(diào)機運輸速度為15 m/min，拼裝對接和焊接需配置2名作業(yè)人員，施工作業(yè)時間為60 min；叉車運輸速度為5 m/min，拼裝對接和焊接需配置6名人員，施工作業(yè)時間為120 min。不考慮拼接精度和其他工序，鋼瓦片運調(diào)機的施工效率提高2倍，費用降低87.5%。

經(jīng)現(xiàn)場應用，總結(jié)鋼瓦片運調(diào)機的優(yōu)點為：1)運輸平穩(wěn)，自動調(diào)整避免磕碰隧道內(nèi)壁；2)施工效率高，具有糾偏功能、拼裝對接精度高；3)自動化程度高，根據(jù)鋼瓦片尺寸自動規(guī)劃運輸方案；4)降低施工風險和施工難度；5)整體運輸成本低。其缺點為：1)專業(yè)設(shè)備通用性差，一次性投入高；2)專業(yè)人員操作，技術(shù)水平要求高；3)需要專業(yè)人員維修。

5 結(jié)論與討論

1)根據(jù)隧道內(nèi)預制混凝土管片加固特點，分析內(nèi)襯鋼瓦片結(jié)構(gòu)、運輸方式和拼裝對接精度要求，優(yōu)化鋼瓦片運調(diào)機的夾持、運輸糾偏、拼裝對接功能和整體結(jié)構(gòu)等，并對整體結(jié)構(gòu)進行有限元分析，為內(nèi)襯鋼瓦片運調(diào)機方案比選、結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能配置提供了理論依據(jù)。

2)考慮鋼瓦片運調(diào)機在隧道內(nèi)夾持、運輸糾偏、拼裝對接施工要求，通過選擇合適的控制系統(tǒng)，設(shè)計制造樣機并進行施工作業(yè)測試，驗證了鋼瓦片運調(diào)機結(jié)構(gòu)合理、功能完善、運行穩(wěn)定可靠。

本文的鋼瓦片運調(diào)機為針對某工程特點設(shè)計制造，后續(xù)需要考慮多種工況施工特點對鋼瓦片運調(diào)機的結(jié)構(gòu)和功能進行優(yōu)化，以適應更復雜的施工現(xiàn)場，為隧道內(nèi)輸水管片加固施工提供更優(yōu)技術(shù)方案。