陳 偉

(上海城建市政工程(集團(tuán))有限公司，上海 200065)

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加速發(fā)展，地下空間的非開(kāi)挖技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，頂管作為繼盾構(gòu)之后發(fā)展起來(lái)的一種非開(kāi)挖施工技術(shù)，它具有施工周期短，綜合成本低和社會(huì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)。頂管技術(shù)發(fā)展迅速，無(wú)論在理論上還是施工工藝上，都有了飛速的發(fā)展，為適應(yīng)各類管道工程的需要，頂管直徑趨于多樣化，目前頂管最小直徑僅有75 mm，最大直徑已達(dá)5 m(德國(guó))，超大直徑頂管已有取代小型盾構(gòu)的趨勢(shì)。同時(shí)，單程頂進(jìn)距離也越來(lái)越長(zhǎng)，因此超大口徑、長(zhǎng)距離頂管施工技術(shù)的研究顯得尤為重要。

本文依托上海市白龍港片區(qū)南線輸送干線完善工程南線東段輸送干管工程，其為DN4 000超大口徑長(zhǎng)距離混凝土頂管工程。以項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的大直徑頂管管材的吊裝難題為導(dǎo)向，針對(duì)管材的特點(diǎn)，詳細(xì)論述了吊裝翻轉(zhuǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)思路、設(shè)備的CAE分析結(jié)果和設(shè)備的應(yīng)用情況。為今后超大直徑長(zhǎng)距離頂管隧道的施工提供理論指導(dǎo)和依據(jù)，完善頂管隧道工程的細(xì)部設(shè)計(jì)理論，促進(jìn)頂管隧道工程向廣泛性、系統(tǒng)性、學(xué)科性發(fā)展。

1 工程概況

上海市污水治理白龍港片區(qū)南線輸送干線完善工程采用φ4 000鋼筋混凝土管，總長(zhǎng)度52 km，是目前世界上最大直徑的頂管項(xiàng)目。

頂管采用DN4 000 F型鋼筋混凝土管，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。接口型式為鋼承口式柔性接口，管內(nèi)徑為4 000 mm，管外徑為4 640 mm，管節(jié)有效長(zhǎng)度為2 500 mm，管壁厚為320 mm。管片在預(yù)制廠采用特制鋼模澆筑，一次成形，單節(jié)管片重約55 t。

2 存在的問(wèn)題

參考以往案例，大口徑管起吊時(shí)采用無(wú)動(dòng)力的橫擔(dān)式專用吊具。管子翻轉(zhuǎn)時(shí)利用行車副鉤動(dòng)力，用掛鉤鉤住管子下端，輕輕提升副鉤，緩慢翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)超過(guò)90°后掛鉤自動(dòng)脫開(kāi)。有時(shí)為了翻轉(zhuǎn)方便，利用吊點(diǎn)與重心不重合，在重力作用下完成管材翻轉(zhuǎn)。

這種翻轉(zhuǎn)方式往往存在一些隱患。如管材翻轉(zhuǎn)時(shí)有時(shí)翻轉(zhuǎn)速度太快，由于管材自身重量太大，慣性產(chǎn)生額外沖量，降低吊具安全性能，容易發(fā)生事故。另外，在生產(chǎn)單位完成管材翻轉(zhuǎn)相對(duì)容易些，但管材運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后需將管材再次翻轉(zhuǎn)90°，施工單位無(wú)法利用吊點(diǎn)與重心不重合原理翻轉(zhuǎn)管材，該原理反而阻礙管材的翻轉(zhuǎn)，使得管材翻轉(zhuǎn)成為施工現(xiàn)場(chǎng)一難題。

3 管材吊運(yùn)設(shè)備結(jié)構(gòu)研究

根據(jù)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中存在的安全問(wèn)題以及施工現(xiàn)場(chǎng)管材翻轉(zhuǎn)問(wèn)題，針對(duì)此次工程，專門設(shè)計(jì)了一套“專用吊裝翻管吊具”。該吊具由橫擔(dān)式吊架、吊索、吊臂動(dòng)力端和吊臂被動(dòng)端組成。吊臂動(dòng)力端和吊臂被動(dòng)端可以通過(guò)螺栓與吊裝孔連接。防止吊裝翻轉(zhuǎn)過(guò)程中吊臂從吊裝孔中脫離。

操作工可以通過(guò)拉動(dòng)鏈輪的快慢控制管材的翻轉(zhuǎn)速度。翻轉(zhuǎn)吊臂動(dòng)力端內(nèi)的蝸輪蝸桿組件的自鎖特性可以保持管材翻轉(zhuǎn)的角度，管材可以在任意角度狀態(tài)下保持停頓。從而使起吊翻轉(zhuǎn)管材平穩(wěn)、安全、可靠。

根據(jù)上述介紹，混凝土管翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要滿足以下要求：

模型數(shù)據(jù)庫(kù)采用標(biāo)準(zhǔn)的三層體系結(jié)構(gòu)，由數(shù)據(jù)層、中間邏輯實(shí)現(xiàn)層（事務(wù)層）和應(yīng)用層（表示層）組成，如圖3所示。

1)由于施工場(chǎng)所環(huán)境較差，且防止混凝土管在吊裝時(shí)晃動(dòng)，因此翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不適合采用柔性繩；

2)由于混凝土管質(zhì)量很大，且質(zhì)心較高，為了確保施工安全，翻轉(zhuǎn)速度必須很低；

3)盡可能降低翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的重量及制造成本，同時(shí)需要考慮施工便利性。

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

考慮到便利性及經(jīng)濟(jì)性，故將翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)由人工手動(dòng)驅(qū)動(dòng)。如圖1所示，在吊起混凝土管后操作工人拉動(dòng)右端鏈條8，驅(qū)動(dòng)減速器帶動(dòng)混凝土管旋轉(zhuǎn)，即可翻轉(zhuǎn)混凝土管。由于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是剛性而非柔性機(jī)構(gòu)，因此需要通過(guò)調(diào)節(jié)兩吊臂間的間距，故需將被動(dòng)臂做成可調(diào)節(jié)的(見(jiàn)圖1)，被動(dòng)臂通過(guò)滾動(dòng)輪支撐在主動(dòng)端裝配總成上，同時(shí)被動(dòng)臂上裝有伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這樣即可以通過(guò)手動(dòng)拉左端的鏈條來(lái)調(diào)整被動(dòng)臂與主動(dòng)臂間的間距。下面介紹各主要組成結(jié)構(gòu)件。

3.1 被動(dòng)臂總成

被動(dòng)臂上端通過(guò)兩對(duì)深溝球軸承支撐在主動(dòng)臂總成上面，下端設(shè)有插入混凝土管中間吊孔的軸，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于主動(dòng)端安裝有旋轉(zhuǎn)混凝土管的裝置，故為了使得左右臂重量均衡，需要在被動(dòng)臂上安裝配重塊，圖1中與被動(dòng)端吊裝結(jié)構(gòu)相連接的圓柱即為配重塊。

3.2 主動(dòng)端裝配總成

主動(dòng)端裝配總成主要由主動(dòng)端橫梁和蝸輪蝸桿減速器組成。

由于混凝土管質(zhì)量較大，因此在翻轉(zhuǎn)時(shí)必須保證整個(gè)翻轉(zhuǎn)過(guò)程比較緩慢，以防止速度過(guò)大，混凝土管瞬間旋轉(zhuǎn)帶來(lái)巨大的加速度，可能導(dǎo)致整個(gè)吊裝過(guò)程晃動(dòng)很大，使得混凝土管吊裝孔出現(xiàn)破裂現(xiàn)象等不可預(yù)知事故的發(fā)生，為了確保施工安全，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要具有自鎖功能，蝸輪蝸桿具有很好的自鎖功能，本設(shè)計(jì)采用該原理來(lái)設(shè)計(jì)。圖3為蝸輪蝸桿減速器的三維模型圖。

4 管材吊運(yùn)設(shè)備CAE分析

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)模型是否具有足夠的強(qiáng)度保證施工安全，故需要對(duì)模型進(jìn)行必要的CAE分析。

4.1 計(jì)算模型

4.1.1單元格劃分

有限元模型六面體劃分，單元基本尺寸為20 mm，有限元模型如圖4所示。

4.1.2材料屬性

材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

4.1.3邊界條件確定

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)邊界條件如圖5所示，混凝土管的質(zhì)量約為60 t，故翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)每個(gè)支撐軸承載300 kN的力，支撐軸伸出端插入混凝土管的吊裝孔內(nèi)，呈懸臂梁結(jié)構(gòu)受力形式。

4.2 各主要結(jié)構(gòu)件CAE分析

4.2.1主動(dòng)臂橫梁

主動(dòng)臂橫梁的主要部件的應(yīng)力應(yīng)變的CAE計(jì)算結(jié)果如圖6～圖8所示。從圖中可以看到，在吊起質(zhì)量為60 t的混凝土管時(shí)，主動(dòng)臂橫梁的最大應(yīng)變?yōu)?4.29 mm，最大應(yīng)力為259 MPa，最小安全系數(shù)為1.33。吊耳受到的最大應(yīng)力為172.3 MPa，最小安全系數(shù)為2。根據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)可知，各主要結(jié)構(gòu)部分受應(yīng)力均比材料的屈服強(qiáng)度小很多。

4.2.2被動(dòng)臂

由于支撐軸為懸臂梁結(jié)構(gòu)，所以吊裝時(shí)被動(dòng)臂在x方向上有應(yīng)變，如圖9所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得x向最大位移為10.23 mm，此時(shí)被動(dòng)臂與z軸的夾角為0.18°，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

4.2.3被動(dòng)端支撐軸

被動(dòng)端支撐結(jié)構(gòu)如圖10所示。通過(guò)CAE計(jì)算，可得該結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為226.7 MPa，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)(見(jiàn)圖11)。

4.2.4主動(dòng)端支撐軸

主動(dòng)端支撐結(jié)構(gòu)如圖12所示。通過(guò)CAE計(jì)算，可得該結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為186.4 MPa，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)(見(jiàn)圖13)。

4.2.5被動(dòng)臂調(diào)節(jié)軸

被動(dòng)臂調(diào)節(jié)軸如圖14所示。通過(guò)CAE計(jì)算，可得該結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為77.8 MPa，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)(見(jiàn)圖15)。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)起吊大口徑管的經(jīng)驗(yàn)，大口徑管起吊時(shí)采用無(wú)動(dòng)力的橫擔(dān)式專用吊具，這種翻轉(zhuǎn)方式往往存在一些隱患，如管材翻轉(zhuǎn)時(shí)有時(shí)翻轉(zhuǎn)速度太快，由于管材自身重量太大，慣性產(chǎn)生額外沖量，降低吊具安全性能，容易發(fā)生事故。針對(duì)該工程，設(shè)計(jì)了一套專用吊裝翻管吊具，由橫擔(dān)式吊架、吊索、吊臂動(dòng)力端和吊臂被動(dòng)端組成。通過(guò)對(duì)吊具進(jìn)行三維建模、運(yùn)動(dòng)學(xué)力學(xué)仿真分析、輕量化設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制運(yùn)行，一改、二該、定型，效果非常好。專用吊具的使用使得起吊翻轉(zhuǎn)管材更加平穩(wěn)、安全、可靠。

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