肖俊祥，袁文征

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南鄭州 4 50016)

0 引言

盾構是集機械、電氣、液壓、測量、控制等多種學科技術于一體，專門用于地下隧道工程開挖的技術密集型重大工程裝備［1-3］。近年來，隨著國內(nèi)城市地鐵的大量修建，作為隧道掘進設備的盾構在國內(nèi)地鐵隧道工程上的應用越來越廣泛。目前，國內(nèi)地鐵隧道襯砌最常用地鐵隧道襯砌預制鋼筋混凝土管片以φ6m外徑為主，不同城市采用的管片分度不同，所以預制的管片縱向螺栓連接孔分度主要有22．5°分度(16顆徑向螺栓)及36°分度(10顆徑向螺栓)2種規(guī)格。為滿足不同分度管片洞內(nèi)封頂塊拼裝，推進油缸典型布置為:22．5°分度管片的推進油缸采用16組雙缸均布設計(共32根油缸)，36°分度管片的推進油缸采用20組單雙油缸(共30根油缸)交叉布置設計［4-6］。

目前國內(nèi)現(xiàn)有的盾構掘進設備的推進油缸布置僅能適應一種分度管片施工，盾構設備只能在管片規(guī)格相同的工程間調(diào)動使用，在管片分度不同的工程施工需要進行設備改造，耗費資金、增加人力、占用工期。通過對各個城市地鐵管片的統(tǒng)計分析，仔細研究盾構推進系統(tǒng)，設計了一種可以適用2種分度管片拼裝的盾構設備。優(yōu)化的設計方案能提高設備的適應性，減少重大工程裝備的投入，同時在減少重大工程裝備生產(chǎn)、促進節(jié)能減排［7］方面有一定的積極意義。

1 盾構推進油缸分區(qū)布置設計原則

在國內(nèi)，分度為22．5°分度或者36°分度的管片均有通用環(huán)設計。在管片拼裝過程中，封頂塊可能在任意拼裝點位置［8］。本文推進油缸設計分析均考慮通用環(huán)管片對推進油缸帶來的影響。

在推進油缸布置設計時，主要滿足管片封頂塊(以下簡稱K塊)、標準塊和臨接塊的拼裝，并考慮管片結構受力、縱縫分布方位、受力點布置、管片組裝施工方便性等因素。盾構推進時，推進油缸直接作用在管片上以獲得前進的反力。因此，推進油缸布置需要滿足管片錯縫拼裝;K塊可以出現(xiàn)在圓周任意拼裝點;無論管片如何錯動，推進油缸布置保證每塊管片所受推進力均等，尤其保證K塊插入時的受力對稱。

基于隧道工程管片通用環(huán)拼裝要求，K塊位置可能出現(xiàn)在所有分度位置，K塊分布點位數(shù)量

式中:Fn(或fn)為封頂塊拼裝點數(shù);α為連接螺栓的間隔角度。

所以，連接螺栓為22．5°分度的K塊拼裝點有16個，連接螺栓為36°分度的K塊拼裝點有10個。

22．5°分度管片間縱向螺栓為16個，沿圓周方向均布，相鄰的2個環(huán)向螺栓孔與管片中心所成角度為22．5°。為保證管片間的環(huán)向連接，管片沿環(huán)向有16個拼裝位置，每個位置稱為K封頂塊插入點，即管片的一個拼裝點，管片拼裝點位(F1～F16)布置如圖1所示。

圖1 22．5°分度管片拼裝點(Fn)布置圖Fig．1 Layout of erection points(Fn)of segment ring with 22．5°division

36°分度管片間縱向螺栓為10個，沿圓周方向均布，相鄰的2個環(huán)向螺栓孔與管片中心所成角度為36°。為保證管片間的環(huán)向連接，管片沿環(huán)向有10個拼裝位置，每個位置稱為K封頂塊插入點，即管片的一個拼裝點。管片拼裝點位(f1～f10)布置如圖2所示。

2 同時適應2種分度管片的盾構推進油缸分區(qū)方法

在滿足錯縫及封頂塊可以在任意拼裝點拼裝，所有環(huán)片受力低于最小承壓比的前提下，根據(jù)式(1)，當連接螺栓間隔角度為22．5°時，滿足16個拼裝點(F1～F16)要求，推進油缸總數(shù)至少為16組，設計上采用16組雙缸(雙撐靴)周向均勻布置;當連接螺栓間隔角度為36°時，滿足10個拼裝點(f1～f10)要求，推進油缸總數(shù)至少為10組。根據(jù)空間布置及受力要求，設計上采用10組單缸(單撐靴)和10雙缸(雙撐靴)周向均勻交錯布置形式，2種布置形式在目前盾構設備上已經(jīng)有成熟應用。

圖2 36°分度管片拼裝點(fn)布置圖Fig．2 Layout of erection points(fn)of segment ring with 36°division

以上2種常見設計符合了推進油缸布置原則，能滿足各自的管片拼裝要求。利用以上原則，如果需要滿足2種分度管片封頂塊拼裝要求，并保證所有管片受力均勻，即要滿足26個封頂塊拼裝點位要求。如圖3所示，在3點和9點(鐘表方位)方位上，有2個封頂塊拼裝點重合，即F5與f4、F13與f9重合，實際只需要24個封頂塊拼裝點位。因此，為了滿足2種分度管片拼裝要求，至少需要24組油缸，并保證撐靴中心分布在拼裝點上，同時考慮好管片受力均勻時推進油缸整體布置。

根據(jù)以上分析，設計如圖4所示的24根推進油缸布置方案。采用剛好滿足2種分度管片所需最少拼裝點數(shù)的24根油缸進行布置，24根油缸在圓周第一象限的方位為 0°、18°、27°、45°、54°、67．5°、90°，其他 3個象限油缸布置按兩軸對稱布置。推進油缸撐靴布置根據(jù)適應管片的不同進行組合和調(diào)整。

圖3 適合2種分度推進油缸工作示意圖Fig．3 Layout of thrust cylinders fitting for both 2 types of segment divisions

圖4 適合2種分度油缸布置示意圖(第一象限)Fig．4 Layout of thrust cylinders fitting for both 2 types of segment divisions(the first quadrant)

3 適應2種分度管片的推進油缸布置形式

用于22．5°分度管片時，第18°，27°方位油缸(拼裝點位F2或f2處)共用1塊并聯(lián)的雙撐靴①推進油缸，其他3個象限均對稱布置，剩余拼裝點位油缸全布置為單撐靴②推進油缸(見圖3)。在全周需16個拼裝點位中，12個 K 塊拼裝點位(F1，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)6，F(xiàn)7，F(xiàn)9，F(xiàn)11，F(xiàn)12，F(xiàn)13，F(xiàn)14和F15)是1根單撐靴油缸拼裝，其余4個位置處(F2，F(xiàn)8，F(xiàn)10和F16)是2根油缸組成的雙撐靴拼裝封頂塊，16個點位布置均滿足22．5°分度管片拼裝要求。

用于36°分度管片時，方位第 18°，27°油缸(拼裝點位F2或f2處)更換成單撐靴推進油缸②，4個象限對稱點進行同樣更換操作，共采用24根單缸拼裝K塊，每個拼裝點采用單撐靴油缸進行封頂塊拼裝，能滿足36°分度管片f1～f10的10個K塊拼裝點位要求。推進油缸布置如圖5所示。

經(jīng)過對24組推進油缸優(yōu)化布置方案進行22．5°和36°分度管片的拼裝分析，能滿足錯縫拼裝，適合所有拼裝點封頂塊拼裝。受力點比36°分度推進系統(tǒng)20組油缸數(shù)量還多4組，最小承壓比低于設計要求，所有環(huán)片受力更均勻，推進油缸布置滿足管片受力要求。

圖536°分度油缸布置示意圖(第一象限)Fig．5 Layout of thrust cylinders for segment rings with 36°division(the first quadrant)

4 設計實例

根據(jù)以上盾構推進油缸分區(qū)方法及工作原理，設計一種同時適應2種分度管片的推進油缸布置方法，即推進油缸采用24根單油缸設計(設計24組閥塊)，具體如圖3設計。為表述方便，用安裝點位Fn和fn來代替推進油缸閥塊代號，24個安裝點位分別為閥塊第1至第24分組。在拼裝22．5°分度管片時，需將第f2和 F2、F8和 f6、f7和 F10、F16和 f1分組閥塊分別屏蔽其中一組，對應撐靴變?yōu)殡p缸撐靴，使之變?yōu)?組雙缸，分別對應F2、F8、F10和F16封頂塊拼裝點位，來滿足拼裝22．5°分度管片封頂塊所有可能位置的拼裝要求。本設計實例已經(jīng)在中鐵25號盾構武漢地鐵(22．5°分度管片)成功應用。

在拼裝36°分度管片時，直接采用24組閥塊進行所有可能位置的封頂塊進行拼裝。本設計實例已經(jīng)在中鐵38，39號南昌地鐵(36°分度管片)成功應用，并在后續(xù)調(diào)用至其他城市施工，使用效果良好。

5 結論與討論

本文對目前國內(nèi)最常用的2種分度管片的盾構推進油缸布置進行了研究，提出了能同時適用于2種管片分度推進油缸布置方案，為盾構推進油缸布置設計提供了一種新思路。優(yōu)化設計后的推進油缸布置方案提高了盾構在不同城市具有相同內(nèi)外徑隧道項目工程施工的適應性，減少了重大裝備重復性投入，能直接降低項目施工設備投入費用。在當前國內(nèi)地鐵隧道管片設計分度不一致，盾構設計制造廠家眾多，缺少盾構設計標準指導的情況下，新方案能引導盾構推進油缸布置設計進一步統(tǒng)一規(guī)范，并形成一種標準設計。

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