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(zhǎng)10.8 km，采用4臺(tái)NFM公司出產(chǎn)的φ11.18 m泥水盾構(gòu)兩兩相對(duì)掘進(jìn)，獅子洋江心對(duì)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(duì)2臺(tái)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(shí)，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(zhǎng)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(duì)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(gè)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(duì)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(gè)/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(shí)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(shí)候避開了中體外盾殼制造時(shí)候留下的四方起吊窗口，并對(duì)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(shí)對(duì)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(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。決這個(gè)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(duì)中體吊耳位置處兩邊進(jìn)行三角支撐加強(qiáng)，同時(shí)對(duì)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(gè)作用在吊耳和殼體上的彎矩。

吊耳焊接時(shí)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(duì)稱焊接，焊接前對(duì)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(gè)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(gè)吊點(diǎn)共用一根鋼絲繩的方案，而且，采用2個(gè)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(shí)會(huì)改變鋼絲繩受力方向，這使本方案在實(shí)施中增加了一個(gè)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(gè)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(shí)，加載可考慮成一個(gè)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(shí)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(gè)吊點(diǎn)的受力狀況。

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

2臺(tái)盾構(gòu)前后相距2個(gè)月成功完成了了主軸承的拆除工作，第1臺(tái)盾構(gòu)機(jī)主軸承拆除時(shí)完全依靠盾體內(nèi)吊點(diǎn)將主軸承起吊并翻轉(zhuǎn)，第2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)主軸承拆除時(shí)候在第1臺(tái)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(shí)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(shí)候手拉葫蘆動(dòng)作方向。

圖1 第1臺(tái)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(gè)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(tái)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(tái)盾構(gòu)機(jī)的拆解過程，第2臺(tái)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(shí)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(chǎng)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(duì)吊耳進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算與分析，同時(shí)利用有限元軟件［3］對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)吊耳與銷接觸分析，負(fù)載取50 t。分析結(jié)果見圖4?？梢姷醵壮休d面局部最高應(yīng)力350 MPa出現(xiàn)在銷孔的邊緣，加工吊耳時(shí)對(duì)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(duì)中體處單個(gè)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(shí)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(hào)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(duì)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(duì)盾體的后續(xù)維修費(fèi)用很高。

在小空間對(duì)大、重部件進(jìn)行吊裝時(shí)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(duì)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(chǎng)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(guó)計(jì)劃出版社.

［2］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)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.