湯曉俊

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

1 工程概況

項(xiàng)目工程位于加拿大埃德蒙頓市99街。該大道的原污水管線初建于1972年，由于使用時(shí)間較長(zhǎng)，隧道內(nèi)腐蝕嚴(yán)重，需進(jìn)行內(nèi)部維護(hù)作業(yè)。為完成此次維護(hù)工作，需在原管線旁重新挖掘一條內(nèi)徑1 800 mm的分流管道[1]。工程總長(zhǎng)度為1 625 m，共有3個(gè)區(qū)間段：243.16、393.23、955.44 m。

1.1 地質(zhì)概況

本次施工區(qū)域地質(zhì)分層主要包括表層回填土、湖底質(zhì)淤泥、冰磧性黏土并伴隨層間砂層、偶見凸起的基巖層、卵石層等。掘進(jìn)軸線深度主要地層結(jié)構(gòu)為冰磧性黏土層。

1.2 工程難點(diǎn)與設(shè)計(jì)需求

1）根據(jù)地質(zhì)資料顯示，冰磧性黏土n值在30～50之間，塑性指數(shù)約30，黏性極高，遇水后容易在刀盤表面附著，增加刀盤扭矩。

2）該土在吸水后有2%的膨脹率，如何有效降低掘進(jìn)時(shí)的摩阻力，成為在掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮和解決的問題。

3）所謂“冰磧”是指在冰川運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，所攜帶和搬運(yùn)的碎屑構(gòu)成的堆積物。工程地質(zhì)資料顯示，掘進(jìn)軸線會(huì)遇到大小不一的卵石塊，直徑在40～300 mm之間，最高強(qiáng)度可達(dá)240 MPa。因此該掘進(jìn)機(jī)的刀盤結(jié)構(gòu)形式既不能按軟土掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)，也不能按巖層掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)[2]。如何能有效地掘進(jìn)與出渣，成了該臺(tái)掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

4）掘進(jìn)軸線深度在地表下約30 m，這給主驅(qū)動(dòng)的密封性帶來(lái)較高的要求。

2 針對(duì)本工程的特殊設(shè)計(jì)

2.1 刀盤系統(tǒng)

2.1.1 刀盤結(jié)構(gòu)與開口率設(shè)計(jì)

通常情況下[3]，掘進(jìn)主軸線若在軟土層，刀盤開口率會(huì)設(shè)計(jì)為45%以上；若是在巖層，則會(huì)設(shè)計(jì)為10%～18%。本工程的掘進(jìn)軸線主要為冰磧性黏土，會(huì)遇基巖層、砂層、卵石層等，因此上述2種開口率的設(shè)計(jì)值都不適用。

因冰磧性黏土在遇水后黏性極高，故刀盤需對(duì)黏土附著而形成的“泥餅”現(xiàn)象進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

在綜合考慮了上述設(shè)計(jì)需求，本著減少?gòu)?fù)雜幾何尺寸、易加工、易裝配、易修復(fù)的基本原則，該臺(tái)φ2 230 mm掘進(jìn)機(jī)的刀盤框架采用了輻條加中圈板的結(jié)構(gòu)形式，開口率約為36%，全部采用Q345B鋼，抗壓強(qiáng)度σ約172 MPa[4]，可有效應(yīng)對(duì)強(qiáng)度為150 MPa的卵石。此外，針對(duì)積“泥餅”現(xiàn)象，刀盤內(nèi)圈設(shè)計(jì)了2處扇形大開口，可通過(guò)整圓φ300 mm的粒徑（見圖1中A、B處）。刀盤中心φ500 mm內(nèi)，設(shè)有2處高壓?jiǎn)蜗驀娝?，利用高水壓預(yù)防刀盤中心包覆“泥餅”。

圖1 刀盤布局

為了應(yīng)對(duì)砂層，刀盤體還需具有較高的抗磨損性。因此在可能磨損較大的部位堆焊了網(wǎng)格狀耐磨硬質(zhì)合金，如刀盤外周、攪拌棒、錐形泥水倉(cāng)等。

2.1.2 刀具的選擇和布局

因該工程地質(zhì)情況復(fù)雜，軟土層的全撕裂刀布局、巖層的全滾刀布局都不適用。且若過(guò)多地布置滾刀，黏土的附著和無(wú)法提供足夠反力的特性會(huì)使?jié)L刀無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，加快刀具的磨損，反使驅(qū)動(dòng)增加負(fù)載。

經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算與設(shè)計(jì)，該復(fù)合式掘進(jìn)機(jī)由22把巖土撕裂刀、10把可更換巖土撕裂刀（在遇到巖層時(shí)可更換為滾刀）、20把可更換刮刀、8把可更換周邊刮刀、1把中心刀組成。

可更換刀具采用通用的約26.67 cm刀箱，刀具的高度則經(jīng)過(guò)了特別設(shè)計(jì)。使用巖土撕裂刀時(shí)，該刀具比不可更換的撕裂刀高出23 mm，這樣的錯(cuò)層設(shè)計(jì)，能有效減少不可更換刀具的磨損，延長(zhǎng)使用工時(shí)；使用滾刀時(shí)，該刀具與不可更換撕裂刀齊平，這樣的設(shè)計(jì)能有效保護(hù)滾刀，減少磨損，延長(zhǎng)使用工時(shí)。

通過(guò)上述刀盤結(jié)構(gòu)與刀具的設(shè)計(jì)，該復(fù)合式掘進(jìn)機(jī)的刀盤旋轉(zhuǎn)90°即可對(duì)正面土體進(jìn)行一次全斷面切削。結(jié)合最高2.37 rpm的刀盤轉(zhuǎn)速，為掘進(jìn)機(jī)4 cm/min的最高掘進(jìn)速度提供了有力的支撐。

2.2 二次破碎機(jī)構(gòu)

所謂二次破碎，即渣土或石塊經(jīng)過(guò)刀盤的第一次破碎后，在進(jìn)入排渣管路前，所遭遇的第二次破碎。

一般來(lái)說(shuō)，軟土掘進(jìn)機(jī)的泥水倉(cāng)會(huì)設(shè)計(jì)成矩形[5]，其優(yōu)點(diǎn)為：可在矩形的兩面都開進(jìn)渣口，提高掘進(jìn)效率；其缺點(diǎn)為：若遇到石塊、卵石等，不易被擠壓破碎，致使刀盤支撐腿區(qū)域?qū)糨^多渣塊，增加鋼結(jié)構(gòu)的磨損及驅(qū)動(dòng)的扭矩負(fù)荷，降低掘進(jìn)效率。因此該結(jié)構(gòu)并不適用本次含有基巖層、卵石層的地況（圖2）。

圖2 矩形泥水倉(cāng)剖面示意

為了更好地應(yīng)對(duì)本工程復(fù)雜的地況，該復(fù)合式泥水平衡掘進(jìn)機(jī)采用了①刀盤的4條支撐腿上加焊菠蘿刀；②泥水倉(cāng)設(shè)計(jì)成了圓錐形結(jié)構(gòu)。利用①和②之間的間隙，形成一個(gè)可擠壓渣土與石塊的破碎空間，從而實(shí)現(xiàn)二次破碎的功能（圖3）。在刀盤背面設(shè)有旋轉(zhuǎn)攪拌棒，其攪拌倉(cāng)內(nèi)泥渣塊的同時(shí)，還使渣塊更易進(jìn)入二次破碎區(qū)，提高掘進(jìn)機(jī)的排渣效率。

圖3 錐形泥水倉(cāng)剖面示意及模型

該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：圓錐形的泥水倉(cāng)結(jié)構(gòu)較矩形而言，使渣塊更易進(jìn)入二次破碎區(qū)域；因天然形成的石塊，其形狀更接近圓形，所以本次將渣塊進(jìn)口格柵設(shè)計(jì)成圓形，使被二次破碎的渣塊更易進(jìn)入泥水倉(cāng)；錐形泥水倉(cāng)上還堆焊有硬質(zhì)合金條，保護(hù)圓形格柵，防止其被損壞，提高使用工時(shí)。

經(jīng)過(guò)以上設(shè)計(jì)，該掘進(jìn)機(jī)在應(yīng)對(duì)復(fù)雜地況時(shí)也能保障出渣通暢，使掘進(jìn)效率得以提高。

2.3 主驅(qū)動(dòng)與密封

2.3.1 驅(qū)動(dòng)扭矩計(jì)算

因工程地質(zhì)情況復(fù)雜，故本次掘進(jìn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)著重點(diǎn)為：扭矩、強(qiáng)度、剛度。

該掘進(jìn)機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)、周邊傳動(dòng)的刀盤驅(qū)動(dòng)形式。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于：脫困扭矩大、所需扭矩可調(diào)，液壓發(fā)動(dòng)機(jī)體積小于電機(jī)，所以液壓驅(qū)動(dòng)更適用于本工程工況和設(shè)備尺寸。

周邊傳動(dòng)和中心傳動(dòng)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：轉(zhuǎn)盤軸承比滾動(dòng)軸承能承受更大的軸向和徑向力，使掘進(jìn)機(jī)整體強(qiáng)度更高，更適合本工程的地況。若使用中心傳動(dòng)，人閘門將無(wú)法布置，這就導(dǎo)致可更換刀具無(wú)法在隧道掘進(jìn)時(shí)進(jìn)行更換。因此，該掘進(jìn)機(jī)刀盤的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式確定為：液壓驅(qū)動(dòng)、周邊傳動(dòng)。

在綜合考慮該工程的復(fù)雜地況及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范后，最終該掘進(jìn)機(jī)的額定扭矩定為290 kN·m；需脫困時(shí)，可調(diào)至16 MPa。

2.3.2 主驅(qū)動(dòng)密封選材

在掘進(jìn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，主軸承相當(dāng)于掘進(jìn)機(jī)的“心臟”，在掘進(jìn)施工時(shí)，主軸承是無(wú)法進(jìn)行維修或更換的。

主驅(qū)動(dòng)密封則是保護(hù)“心臟”的最關(guān)鍵部件，若其發(fā)生破損，外界的泥砂將會(huì)進(jìn)入主軸承，造成其損壞，從而使整個(gè)工程中斷。研究制造高耐磨、高承壓的適合本工程使用的止水密封系統(tǒng)就成為了該工程的核心難點(diǎn)。

在現(xiàn)代工業(yè)中，常用密封件的材料多達(dá)幾十種，各類材質(zhì)的物理性能、化學(xué)性能、適用工況各不相同。在本領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用的主要有氯丁橡膠CR、丁腈橡膠NBR和聚氨酯膠PU。

不同廠家所生產(chǎn)的密封件，其性能各有差異[6]。

氯丁橡膠CR有優(yōu)良的加工性能，物理性能接近NBR，但其缺陷在于不耐低溫，溫度越低，其物理性能越差。

丁腈橡膠NBR加工性能略低于CR，各物理性能略高于CR、低于PU。與其他橡膠相比，NBR有更寬裕的使用溫度范圍，最高的長(zhǎng)期使用溫度為120 ℃，同時(shí)NBR最低玻璃化溫度可達(dá)－55 ℃。

聚氨酯膠PU優(yōu)點(diǎn)在于各物理性能都遠(yuǎn)高于CR、NBR，其缺陷在于不耐水、不耐高溫、不同直徑的密封件都需重新開模制作，因此造價(jià)高。

本文所述工程在加拿大埃德蒙頓市，該地區(qū)屬北半球，夏季短冬季長(zhǎng)，冬季溫度一般在－30～－20 ℃。CR因其不耐低溫的特性首先被排除選擇范圍；PU各物理性能雖最好，但其存在一個(gè)不耐水的缺陷，這對(duì)掘進(jìn)軸線深度在地表下約30 m的該工程來(lái)說(shuō)是致命缺點(diǎn)；NBR有寬裕的使用溫度范圍，其2%的遇水膨脹性的特點(diǎn)，能降低對(duì)設(shè)備制作精度的要求，使設(shè)備密封性更好，尤其適用于本工程。

經(jīng)多方面綜合考慮，NBR材質(zhì)的密封件最適合作為本文所述的掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封。此外，掘進(jìn)機(jī)的主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，還配有密封壓條、油脂潤(rùn)滑的輔助設(shè)計(jì)，在有效保護(hù)密封件的同時(shí)，還能減少磨損量、降低發(fā)熱，提高其使用壽命。

2.4 潤(rùn)滑系統(tǒng)

該掘進(jìn)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)由密封油脂潤(rùn)滑、軸承油液潤(rùn)滑這2個(gè)部分組成。

2.4.1 密封油脂潤(rùn)滑

該掘進(jìn)機(jī)的主驅(qū)動(dòng)密封是由內(nèi)、外周各兩組丁腈橡膠NBR（每組含3道）的唇形密封件組合而成（圖4）。

圖4 主驅(qū)動(dòng)密封剖面示意

油脂潤(rùn)滑系統(tǒng)采用了集中、自動(dòng)、間斷式供脂。氣動(dòng)油脂泵通過(guò)分配器，間斷地向兩組驅(qū)動(dòng)密封之間，注入具有一定壓力的油脂。可通過(guò)定時(shí)器或氣壓調(diào)節(jié)注入油脂的量和調(diào)控壓力。

一號(hào)鋰基脂的注入，能充分地起到減少泥砂涌入、減少密封磨損、為密封降溫的顯著效果。

2.4.2 驅(qū)動(dòng)軸承潤(rùn)滑裝置

本文所述的掘進(jìn)機(jī)，其主軸承為定制的3排圓柱滾子軸承，采用220#重負(fù)荷工業(yè)齒輪油強(qiáng)制潤(rùn)滑的結(jié)構(gòu)形式。

使用帶有磁性濾清器的油泵，將油池中的220#潤(rùn)滑油注入軸承內(nèi)的滾子處，強(qiáng)制潤(rùn)滑滾子與滾道。潤(rùn)滑油經(jīng)過(guò)軸承密封回到油池中（圖5）。

圖5 三排圓柱滾子軸承剖面示意

注入220#潤(rùn)滑油能有效地起到減少滾子與滾道的磨損、帶出滾子與滾道摩擦后產(chǎn)生的鐵屑、為軸承內(nèi)部降溫的作用。

此外，該裝置還設(shè)有壓力和流量傳感器，當(dāng)磁性濾清器或油泵發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)將聯(lián)鎖強(qiáng)制停止刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，為主軸承提供了雙保險(xiǎn)的防護(hù)機(jī)制。

2.5 糾偏系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

糾偏系統(tǒng)是指當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)軸線出現(xiàn)偏差并需要糾正時(shí)所用的功能。該功能由4組液壓千斤頂?shù)纳炜s動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)，糾偏時(shí)，千斤頂兩兩一組（左右、上下），從而使掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)方向回到設(shè)計(jì)的軸線上。

糾偏力矩計(jì)算如下式[7]（圖6）：

圖6 糾偏力矩示意

式中：f——掘進(jìn)機(jī)殼體在投影面上所受的力，kN；

P——經(jīng)驗(yàn)壓力，取150 kN/m2；

D——掘進(jìn)機(jī)外徑，m；

L——?dú)んw長(zhǎng)度，m；

OA——千斤頂力臂，即行程，m；

F——每?jī)山M千斤頂?shù)耐屏χ?，kN。

根據(jù)式（1）求得：F＝1 632.65 kN。因此，單個(gè)千斤頂需滿足816.33 kN的頂力需求。根據(jù)該理論計(jì)算結(jié)果，為能更好地應(yīng)對(duì)冰磧性黏土、卵石層等復(fù)雜地況，本文所述的掘進(jìn)機(jī)最終選用單個(gè)推力為1 200 kN的液壓千斤頂，是理論計(jì)算值的1.47倍。糾偏角度為（上下、左右）±2°，以滿足該工程復(fù)雜地況的需求。

3 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合式泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)，既不能參考軟土掘進(jìn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩等參數(shù)設(shè)計(jì)，也不能參考硬巖掘進(jìn)機(jī)的刀盤布局設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)人員有足夠多的設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)及大量的理論計(jì)算作為設(shè)計(jì)的支撐依據(jù)。

該臺(tái)φ2 230 mm復(fù)合式泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)于2020年6月制造完畢（圖7）。本文撰寫時(shí)，該工程正進(jìn)行955.44 m區(qū)間段的掘進(jìn)施工，已掘進(jìn)約707 m，此掘進(jìn)距離已是當(dāng)?shù)貑未巫罴丫蜻M(jìn)記錄。

圖7 頂管掘進(jìn)機(jī)模型

目前該掘進(jìn)機(jī)各系統(tǒng)運(yùn)行正常，可遠(yuǎn)程操控的駕駛系統(tǒng)，大大改善了掘進(jìn)機(jī)駕駛員的工作環(huán)境，獲得國(guó)外友人的諸多贊賞。

通過(guò)以上項(xiàng)目部反饋情況可證，該臺(tái)掘進(jìn)機(jī)的刀盤、扭矩、密封、排渣等針對(duì)性設(shè)計(jì)均能滿足該工程的地況需求，為我司打開北美地區(qū)非開挖工程這一市場(chǎng)提供了堅(jiān)實(shí)有力的保障。