袁瑋皓（上海隧道工程有限公司，上海 200137）

目前，異型斷面隧道掘進(jìn)機(jī)在城市的施工過(guò)程中會(huì)受到已有建筑物、管線(xiàn)以及設(shè)計(jì)規(guī)劃的制約，需要進(jìn)行較小轉(zhuǎn)彎半徑的掘進(jìn)施工。另外，相對(duì)于圓形常規(guī)掘進(jìn)設(shè)備，異形斷面掘進(jìn)機(jī)由于被切削的土層土質(zhì)條件比較復(fù)雜，殼體各個(gè)部分受到的土壓力不一致，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際掘機(jī)方向會(huì)與原設(shè)計(jì)的中心線(xiàn)有偏差。為了減小偏差，提高工程質(zhì)量，異形斷面隧道掘進(jìn)機(jī)就更需要鉸接裝置進(jìn)行糾偏轉(zhuǎn)向。

1 現(xiàn)有技術(shù)調(diào)查研究

搜索論文及專(zhuān)利，調(diào)研現(xiàn)有的鉸接裝置，發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)圓形盾構(gòu)機(jī)鉸接裝置普遍采用 2 種方法，即被動(dòng)鉸接和主動(dòng)鉸接。被動(dòng)鉸接是依靠外力使鉸接油缸伸縮，從而使盾構(gòu)前體和盾構(gòu)后體形成夾角，推進(jìn)油缸用一組擺動(dòng)軸承固定在盾構(gòu)前體，另一端頂在管壁上，推進(jìn)油缸作用在盾構(gòu)前體。主動(dòng)鉸接是直接使用鉸接油缸的主動(dòng)伸縮使盾構(gòu)前體和盾構(gòu)后體形成夾角，盾構(gòu)的推進(jìn)油缸固定在盾構(gòu)后體。見(jiàn)圖 1、圖 2。

圖1 被動(dòng)鉸接結(jié)構(gòu)

圖2 主動(dòng)鉸接結(jié)構(gòu)

主動(dòng)鉸接和被動(dòng)鉸接兩種鉸接方式中的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)見(jiàn)圖 3，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)鉸接和被動(dòng)鉸接的結(jié)構(gòu)密封方式基本相同。在鉸接密封結(jié)構(gòu)中，盾構(gòu)前體殼體直徑略大于盾構(gòu)后體殼體直徑，盾構(gòu)前體殼體套在后體殼體外，依靠密封圈、緊急充氣密封圈以及注入油脂來(lái)進(jìn)行殼體間的密封。這樣的密封方式，在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行糾偏或轉(zhuǎn)向使用鉸接裝置時(shí)，其整個(gè)密封圈的壓密量不是恒定的，固然需要緊急充氣密封圈和油脂來(lái)加強(qiáng)密封能力[1-2]。

圖3 主動(dòng)鉸接與被動(dòng)鉸接密封結(jié)構(gòu)

對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的類(lèi)矩形盾構(gòu)中鉸接裝置進(jìn)行了研究，其主要鉸接形式、鉸接密封形式和圓形盾構(gòu)機(jī)的基本相同。圓形盾構(gòu)機(jī)前體和后體發(fā)生鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，殼體間密封圈的壓密量雖然不恒定，但由于圓形殼體曲率相同，其擠壓變形的趨勢(shì)是可以預(yù)測(cè)的。而類(lèi)矩形盾構(gòu)殼體是不同曲率的，所以殼體之間密封圈的壓密量以及擠壓變形的趨勢(shì)是很難預(yù)測(cè)的，因而其鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)角度不宜太大；另外還增加了可調(diào)式鉸接密封裝置，進(jìn)一步加強(qiáng)了其鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的密封性能[3]。

2 研究設(shè)計(jì)方向

根據(jù)上述調(diào)查研究，傳統(tǒng)的鉸接結(jié)構(gòu)形式用于異型斷面掘進(jìn)機(jī)上，不具有通用性、大角度轉(zhuǎn)動(dòng)以及密封安全等性能。而異形斷面掘進(jìn)機(jī)鉸接裝置需要具備這 3 方面的性能，具體如下所示。

(1) 通用性，適用于不同異型斷面的鉸接要求。

(2) 大角度的鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)。

(3) 可靠的密封安全性能。

根據(jù)上述的要求，研究設(shè)計(jì)了球型鉸接結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖 4。鉸接油缸分別連接前殼體和后殼體，而通過(guò)前球面殼體和后球面殼體球面接觸進(jìn)行定位配合，前球面殼體和后球面殼體之間安裝有密封圈。

圖4 球型鉸接結(jié)構(gòu)

球型鉸接結(jié)構(gòu)相對(duì)原有主動(dòng)鉸接與被動(dòng)鉸接結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

(1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)球面接觸進(jìn)行定位配合，能夠適應(yīng)絕大多數(shù)的異形斷面掘進(jìn)機(jī)。

(2) 鉸接能力較強(qiáng)，通過(guò)球面接觸，其接觸面積較大，并不會(huì)發(fā)生殼體之間擠壓的情況，能進(jìn)行大角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)中方向易于控制。

(3) 其結(jié)構(gòu)通過(guò)球面接觸，鉸接密封圈的壓縮量是恒定的。密封效果穩(wěn)定，具有可靠的安全性能。

球型鉸接這種結(jié)構(gòu)形式的鉸接裝置在國(guó)內(nèi)還未被應(yīng)用過(guò)，為了檢驗(yàn)其各項(xiàng)性能，固然有必要設(shè)計(jì)一套試驗(yàn)裝置。

3 試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)球型鉸接結(jié)構(gòu)的研究，設(shè)計(jì)了 1.0 m×1.3 m 的異形斷面球型鉸接試驗(yàn)裝置，具體見(jiàn)圖 5，用以驗(yàn)證球型鉸接結(jié)構(gòu)的性能。其性能參數(shù)如下所示。

(1) 鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)能力：各方向 0～5°。

(2) 前后殼體回轉(zhuǎn)能力（包括止轉(zhuǎn)）：0～2°。

(3) 密封能力：0～1.2 MPa。

(4) 模擬掘進(jìn)機(jī)推力：0～100 t。

圖5 球型鉸接試驗(yàn)裝置三維效果圖

試驗(yàn)裝置由前殼體和后殼體通過(guò)前球面殼體和后球面殼體球面接觸進(jìn)行定位配合，具體見(jiàn)圖 6。4 組鉸接油缸的兩端分別連接前殼體和后殼體提供鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力。在前殼體和后殼體中間增加了一組夾緊裝置。其貫穿了整個(gè)試驗(yàn)裝置，用以模擬掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)力作用在鉸接裝置的夾緊力。

圖6 球型鉸接試驗(yàn)裝置剖面圖

在前球面殼體上設(shè)置了 2 組密封圈安裝槽，用于安裝、測(cè)試不同形式的密封圈。2 組密封圈安裝槽的形式不同，外圈密封圈安裝槽根據(jù)異型斷面在球面上的投影加工而成，其槽體的中心線(xiàn)是 1 條三維曲線(xiàn)。外圈密封圈安裝槽是圓形的。在 2 組密封圈之間、前殼體腔內(nèi)的后球殼體面形成 1 個(gè)密閉的可加壓水腔。加壓水腔可以模擬掘進(jìn)機(jī)在一定地下水壓力下，測(cè)量鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的密封安全性能。見(jiàn)圖 7、圖 8。

圖7 前球面殼體

圖8 地下水壓模擬試驗(yàn)涉及的裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)異型斷面球型鉸接試驗(yàn)裝置進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，其鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)性能以及密封安全性能均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。由于其球面接觸配合的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)性能以及密封安全性能相對(duì)現(xiàn)有的鉸接裝置具有一定的優(yōu)勢(shì)。但加工整個(gè)試驗(yàn)裝置，尤其是加工異型斷面的球面殼體，有一定的技術(shù)難度，且加工成本略高。在后面的研究中，會(huì)對(duì)異型斷面球型鉸接裝置的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。尤其是會(huì)注重大尺寸異型斷面掘進(jìn)機(jī)鉸接裝置的生產(chǎn)，那將使得球型鉸接的殼體加工更具有可操作性，其安裝方式更加簡(jiǎn)易便捷，提高球型鉸接裝置在大尺寸異型斷面掘進(jìn)機(jī)中的利用率。