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        隧道內(nèi)拆解盾構(gòu)機(jī)主軸承的要點(diǎn)作業(yè)

        2011-08-28 08:39:40葛俊宇
        隧道建設(shè)(中英文) 2011年2期
        關(guān)鍵詞:機(jī)主吊耳吊點(diǎn)

        陳 凡,葛俊宇

        (1.中鐵隧道股份有限公司,鄭州 450003;2.中鐵隧道集團(tuán),河南洛陽 471009)

        0 引言

        獅子洋隧道全長10.8 km,采用4臺NFM公司出產(chǎn)的φ11.18 m泥水盾構(gòu)兩兩相對掘進(jìn),獅子洋江心對接后在隧道內(nèi)無拆卸工作井及擴(kuò)挖段的狀況下完成對2臺盾構(gòu)機(jī)的拆解,而盾構(gòu)機(jī)主軸承是拆解過程中單件體積最大,質(zhì)量最大的部件,且在此之前,并沒有相關(guān)類似的拆卸施工經(jīng)驗(yàn)。在現(xiàn)場苛刻的條件下順利安全地完成主軸承的拆解,規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),實(shí)際作業(yè)中對關(guān)鍵要點(diǎn)需要慎重考慮。

        1 概述

        需拆解的主軸承輪廓外徑為5.21 m,厚1.51 m,總質(zhì)量為120 t。原計(jì)劃主軸承拆解是在不破壞盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下,待處理完對接面積水后,將主軸承從盾構(gòu)機(jī)前盾內(nèi)外移后起吊翻平,主軸承拆解完成后再進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)殼體的拆除。由于外部環(huán)境壓力,在進(jìn)行主軸承拆解時,盾構(gòu)機(jī)中前體已經(jīng)部分割除,盾構(gòu)機(jī)前體上半部分只留下2層設(shè)計(jì)厚40 mm盾殼,材質(zhì)為Q345,永久留在隧道內(nèi);中體留下設(shè)計(jì)厚40 mm,長3 800 mm,內(nèi)徑11 060 mm外盾殼,材質(zhì)Q345,永久留在隧道內(nèi);盾尾鋼板設(shè)計(jì)厚60 mm,內(nèi)徑11 020 mm,材質(zhì)Q345,永久留在隧道內(nèi)。盾構(gòu)機(jī)盾殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較原預(yù)想有所降低。

        2 對主軸承起吊、翻轉(zhuǎn)作業(yè)的考慮分析

        主軸承在隧道內(nèi)進(jìn)行拆解分起吊和翻轉(zhuǎn)2個過程,由于環(huán)境受限,確定在前中體及盾尾內(nèi)焊接吊耳,用手拉葫蘆將主軸承起吊后進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。

        根據(jù)已有條件,對主軸吊點(diǎn)布置位置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、吊點(diǎn)焊接位置處局部應(yīng)力、吊點(diǎn)焊接定位、各吊點(diǎn)受力狀況進(jìn)行考慮分析如下。

        2.1 吊點(diǎn)分布與選擇

        選擇3組起吊吊點(diǎn),2個/組,分別布置在盾構(gòu)機(jī)前體、中體、及盾尾內(nèi)盾殼。中體、前體吊點(diǎn)用來起吊主軸承與前體下部基座分離;中體與盾尾吊點(diǎn)用來進(jìn)行主軸承翻轉(zhuǎn)。主軸承上的吊點(diǎn)為盾構(gòu)機(jī)出廠設(shè)計(jì)吊點(diǎn)。

        由于吊點(diǎn)都布置在盾殼上,主要考慮吊點(diǎn)受最大力時所處位置結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。前體吊點(diǎn)緊挨著內(nèi)盾殼有三角斜支撐處;中體吊點(diǎn)選擇時候避開了中體外盾殼制造時候留下的四方起吊窗口,并對四方窗口補(bǔ)焊加強(qiáng)以保證吊點(diǎn)區(qū)域盾殼完整性,同時對中體與前體連接面進(jìn)行焊接加強(qiáng);盾尾吊點(diǎn)布置在60 mm厚環(huán)向加強(qiáng)筋處。這樣3組吊點(diǎn)所處的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性都有了保證。

        2.2 吊點(diǎn)處局部應(yīng)力

        中體40 mm厚殼體,內(nèi)徑11 060 mm條件下,吊耳與殼體連接處是否穩(wěn)定是作業(yè)過程中最大的一個風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。決這個問題考慮了2種方法:1)補(bǔ)強(qiáng)殼體厚度,可降低殼體局部應(yīng)力;2)依靠前體上的裙板對中體吊耳位置處兩邊進(jìn)行三角支撐加強(qiáng),同時對中前體接逢處焊接20 mm角焊縫加強(qiáng)中前體的連接。由于工期緊迫性及操作難易,決定采用第2種方式來解決中體吊點(diǎn)處局部應(yīng)力問題。

        2.3 吊耳的定位與焊接

        考慮到吊具連接的直線性,吊耳的定位沿重力方向,耳孔與隧道掘進(jìn)方向成90°,盾體上吊點(diǎn)與主軸承上吊點(diǎn)在同一平面上,這樣能減少一個作用在吊耳和殼體上的彎矩。

        吊耳焊接時候采用以下措施以避免焊接缺陷及焊縫開裂:

        1)吊耳材料選為Q345與盾構(gòu)機(jī)殼體材料相同;

        2)采用直流焊機(jī)進(jìn)行焊接;焊條采用焊接后焊縫有一定韌性的J507低氫焊條;焊條使用前保溫350~400°/h;

        3)采用對稱焊接,焊接前對焊接面進(jìn)行100℃預(yù)熱,每條焊縫完成后不容許急速降溫,清理完焊渣后用鐵錘敲擊消散應(yīng)力。

        2.4 吊點(diǎn)受力均衡性

        主軸承起吊和翻轉(zhuǎn)作業(yè)都是通過多個吊點(diǎn)進(jìn)行,如何確保吊點(diǎn)的受力均衡是起吊作業(yè)的重、難點(diǎn)。

        考慮空間掛距不夠及吊點(diǎn)間吊具偏移角度,放棄了采用2個吊點(diǎn)共用一根鋼絲繩的方案,而且,采用2個吊點(diǎn)共用一根鋼絲繩的話,中間還要增加一套非標(biāo)準(zhǔn)件的鋼絲繩偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以減小鋼絲繩與卸扣之間摩擦力,同時會改變鋼絲繩受力方向,這使本方案在實(shí)施中增加了一個風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

        通過加大吊具的承載能力來解決四點(diǎn)吊裝中因某個吊點(diǎn)受力不均的問題,吊具承載選擇要求由40 t提高到50 t;同時,加載可考慮成一個操作手能感覺到的斜坡過程,安排有經(jīng)驗(yàn)的操作手隨時關(guān)注手拉葫蘆鏈條的張緊程度及手拉鏈條的受力大小,以調(diào)整每個吊點(diǎn)的受力狀況。

        3 主軸承的起吊、翻轉(zhuǎn)現(xiàn)場實(shí)際施作

        2臺盾構(gòu)前后相距2個月成功完成了了主軸承的拆除工作,第1臺盾構(gòu)機(jī)主軸承拆除時完全依靠盾體內(nèi)吊點(diǎn)將主軸承起吊并翻轉(zhuǎn),第2臺盾構(gòu)機(jī)主軸承拆除時候在第1臺盾構(gòu)機(jī)拆接的基礎(chǔ)上又在主軸承邊安裝了滑軌支架,利用盾體內(nèi)吊點(diǎn)依托滑軌旋轉(zhuǎn)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。

        圖1所示為主軸承空翻,利用前體,中體上吊點(diǎn)將主軸承起吊,同時配合盾尾上吊點(diǎn)將主軸承翻轉(zhuǎn)。圖中箭頭表示主軸承翻轉(zhuǎn)時候手拉葫蘆動作方向。

        圖1 第1臺盾構(gòu)機(jī)主軸承翻轉(zhuǎn)示意圖Fig.1 Turning of the main bearing of the first shield machine

        圖2為利用滑軌進(jìn)行翻轉(zhuǎn),在主軸承邊增加安裝了支撐滑軌,主軸承上安裝2個行走輪與滑軌支撐,通過盾體內(nèi)吊點(diǎn)將主軸承以行走輪為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)翻平。

        圖2 第2臺盾構(gòu)機(jī)主軸承利用滑軌翻轉(zhuǎn)示意圖Fig.2 Turning by means of slide track of the second shield machine

        相較第1臺盾構(gòu)機(jī)的拆解過程,第2臺盾構(gòu)機(jī)主軸承翻轉(zhuǎn)作業(yè)中吊點(diǎn)處盾殼的結(jié)構(gòu)保留的較好,同時主軸承翻轉(zhuǎn)過程中有了支架依托,降低了主軸承在翻轉(zhuǎn)過程中吊具及盾構(gòu)機(jī)殼體負(fù)載,作業(yè)安全性提高。

        4 相關(guān)計(jì)算與分析

        主軸承拆解中使用的吊耳參考一些規(guī)范[1]進(jìn)行設(shè)計(jì),現(xiàn)場使用的吊耳及焊縫要求見圖3。在主軸承拆解作業(yè)前依據(jù)《GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]對吊耳進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算與分析,同時利用有限元軟件[3]對進(jìn)行了局部應(yīng)力[4]分析。

        圖3 吊耳示意圖Fig.3 Lifting eye

        4.1 吊耳剪切及拉應(yīng)力校核

        吊耳材料為Q345。

        對危險(xiǎn)截面A-A進(jìn)行剪應(yīng)力計(jì)算:τ=0.5FK/S1=48.13 MPa<[τ]。

        對危險(xiǎn)截面B-B進(jìn)行拉應(yīng)力計(jì)算:σ=FK/S2=48.13 MPa<[σ]。

        K 取1.65,F(xiàn) 按50 t選取,[τ]取84.4 MPa[σ]取140.6 MPa。

        4.2 吊耳孔與卸扣銷應(yīng)力分析

        利用ANSYS軟件,對吊耳與銷接觸分析,負(fù)載取50 t。分析結(jié)果見圖4。可見吊耳孔承載面局部最高應(yīng)力350 MPa出現(xiàn)在銷孔的邊緣,加工吊耳時對孔邊緣進(jìn)行了圓角處理,以消除局部集中應(yīng)力。其他部分應(yīng)力主要220~270 MPa,小于Q345屈服強(qiáng)度。

        圖4 受力分析圖Fig.4 Stress analyzing

        4.3 吊耳焊縫計(jì)算

        焊條采用J507。

        綜合作用[(σf/β)2+]1/2=45.83 MPa < ffw。

        4.4 吊耳基座分析

        利用Ansys軟件對中體處單個吊耳基礎(chǔ)建立模型進(jìn)行局部應(yīng)力分析,負(fù)載取50 t,分析結(jié)果見圖5,最大應(yīng)力為106 MPa,位置在吊耳與殼體的間角處,應(yīng)是尖銳點(diǎn)集中應(yīng)力的表現(xiàn),此處實(shí)際施工時候用焊縫包裹并焊接加強(qiáng)筋;吊耳70 mm邊(窄邊)中部與殼體連接處的應(yīng)力為94~83 MPa,應(yīng)為所求最大應(yīng)力,盾殼殼體最大變形處也在此處,這也與WRC107號公報(bào)所描述的最大應(yīng)力及形變位置相符合。從圖5來看,中體殼體上吊耳周圍的加固措施還是有效果的。

        圖5 受力分析圖Fig.5 Stress analyzing

        5 結(jié)論與討論

        主軸承拆卸是在破壞盾構(gòu)機(jī)殼體的情況下完成的,對設(shè)備管理來說,主軸承的起吊過程變得不是太復(fù)雜,但是對盾體的后續(xù)維修費(fèi)用很高。

        在小空間對大、重部件進(jìn)行吊裝時候,盡量采用降低吊點(diǎn)載荷的措施,如采用輔助工裝支撐,可以降低對起吊結(jié)構(gòu)、吊具的要求,使作業(yè)安全性提高。

        主軸承拆解過程設(shè)計(jì)的吊耳在實(shí)際作業(yè)使用效果正常,可為以后類似作業(yè)吊耳設(shè)計(jì)做參考。

        廣深港盾構(gòu)機(jī)主軸承隧道內(nèi)拆解沒有先例可循,現(xiàn)場采用的機(jī)具也沒有標(biāo)準(zhǔn)可參照,隧道內(nèi)主軸承的拆解還有考慮不周及可以改進(jìn)的地方。

        [1] HGT 21574—2008化工設(shè)備吊耳及工程技術(shù)要求[S].北京:中國計(jì)劃出版社.

        [2] 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

        [3] 曾攀.有限元分析基礎(chǔ)教程[M].北京:清華大學(xué),2008.

        [4] Wichman K R,Hopper A G,Mershon J L.Local stresses in spherical and cylindrical shells due to external loadings[J].Welding Research Council Bulketion 107,1965.

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