王亞威，王秀全，寧向可，李子洲

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（以下簡稱TBM）施工具有經(jīng)濟(jì)性好、快速高效、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為城市軌道交通、高鐵、水利水電等領(lǐng)域隧道工程的主要施工方法[1]。管片拼裝機(jī)作為護(hù)盾式TBM 的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要是用來快速地完成管片拼砌，將管片拼成固定的形式從而形成隧道穩(wěn)定的永久性支護(hù)，其工作效率、穩(wěn)定性、安全性直接影響整個(gè)隧道掘進(jìn)進(jìn)度[2-3]。

目前，針對(duì)小直徑、低凈空的管片拼裝機(jī)設(shè)計(jì)的研究相對(duì)淺顯，也缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用不強(qiáng)[4-6]。由于隧道施工的空間狹小，關(guān)鍵部件若出現(xiàn)問題會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目窩工、延期。隨著TBM的多樣化發(fā)展，小直徑TBM應(yīng)用越來越多，管片拼裝機(jī)的關(guān)鍵和主要部件的可靠性設(shè)計(jì)方法研究具有重要意義。國內(nèi)某引水工程隧道采用雙護(hù)盾TBM 進(jìn)行施工，因隧道開挖洞徑小、管片厚度大，大大壓縮了隧道凈空，擠占了管片拼裝的空間，給管片拼裝機(jī)的設(shè)計(jì)帶來了很大難度。本文以該工程為例，對(duì)小直徑、低凈空TBM 管片拼裝機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件如主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、回轉(zhuǎn)支承以及抓舉裝置等進(jìn)行了較為深入的研究，依據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與工程實(shí)踐，取得了很好的效果。

1 工程概況

河南安陽市境內(nèi)某引水工程隧洞跨越地貌單元主要為丘陵～平原過渡、山前沖洪積傾斜平原、丘陵及低山地貌。隧洞穿越段地層為石灰?guī)r分布，沿線地下水大部分地段埋深度較大，隧洞穿越范圍內(nèi)未見地下水未發(fā)現(xiàn)有害氣體和放射性物質(zhì)。隧洞開挖采用雙護(hù)盾式TBM 施工，擬掘進(jìn)總里程11.5km，開挖洞徑?4 330mm。管片采用六邊形外形設(shè)計(jì)，外徑?4 100mm，厚度為300mm，環(huán)寬1 200mm。

2 管片拼裝機(jī)工作原理

管片拼裝機(jī)，其作用就是將管片按照隧道施工要求安裝成環(huán)。它包括搬運(yùn)管片的夾持系統(tǒng)和伸縮、回轉(zhuǎn)及拼裝系統(tǒng)。對(duì)其功能要求是能把管片上舉、旋轉(zhuǎn)及夾持管片向外側(cè)移動(dòng)。管片是通過管片運(yùn)輸機(jī)構(gòu)經(jīng)單、雙軌粱上的電動(dòng)環(huán)鏈葫蘆將管片從管片運(yùn)輸車上吊起，把管片放在儲(chǔ)存區(qū)，在拼裝時(shí)，再將管片從管片儲(chǔ)存區(qū)吊起運(yùn)輸?shù)焦芷囱b機(jī)下部，通過拼裝機(jī)完成管片的拼裝。管片拼裝除管片夾持動(dòng)作外，每個(gè)自由度動(dòng)作對(duì)應(yīng)管片的運(yùn)動(dòng)需調(diào)整6 個(gè)自由度，為進(jìn)一步清晰描述，設(shè)定盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閤向，管片環(huán)周運(yùn)動(dòng)為y向，掘進(jìn)斷面的徑向方向?yàn)閦向，如圖1 所示，三者同時(shí)與管片軸向移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和徑向伸縮相對(duì)應(yīng)，而rx、ry、rz分別對(duì)應(yīng)管片的側(cè)傾、仰俯和擺動(dòng)。完整的工作流程首先將管片運(yùn)輸車首先將管片運(yùn)輸?shù)剿淼纼?nèi)部，然后通過管片吊機(jī)裝載到管片輸送裝置上，管片輸送裝置把每塊管片送到管片拼裝機(jī)底部抓取位置，通過管片抓取裝置進(jìn)行抓緊，最后依靠管片拼裝運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)依次拼接緊固成管片環(huán)，管片襯砌安裝后通過螺栓連接固定。

圖1 管片拼裝機(jī)運(yùn)動(dòng)方向示意圖

3 管片拼裝機(jī)設(shè)計(jì)

管片拼裝機(jī)是在尾盾內(nèi)部進(jìn)行工作，在施工過程中可以完成6 個(gè)自由度動(dòng)作，包括回轉(zhuǎn)、提升、前后移動(dòng)、俯仰、橫搖、偏轉(zhuǎn)以及管片的鎖緊等。目前設(shè)計(jì)制造的管片拼裝機(jī)一般有主梁環(huán)式、盤式、回轉(zhuǎn)搖臂式等3 種形式。使用盤式管片拼裝機(jī)一般用帶輪緣的支重輪定位安裝，使用主梁環(huán)式的盾構(gòu)管片拼裝機(jī)一般通過回轉(zhuǎn)支承定位，由于主梁環(huán)式的盾構(gòu)管片拼裝機(jī)具有定位精度高、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單等優(yōu)點(diǎn)，主要用于中大型隧道斷面管片安裝，也是目前最為主要的結(jié)構(gòu)型式。主梁環(huán)式盾構(gòu)管片拼裝機(jī)主要含有管片抓取裝置、管路支架、托梁、提升裝置以及移動(dòng)架、回轉(zhuǎn)架、工作平臺(tái)等；盤式管片拼裝機(jī)也稱為日式拼裝機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊，經(jīng)濟(jì)性好；回轉(zhuǎn)搖臂式管片拼裝機(jī)因其自身不能起吊大重量的管片，更適用于小直徑隧道斷面的開挖。結(jié)合本項(xiàng)目工程地質(zhì)及管片類型，管片拼裝機(jī)采用主梁環(huán)式設(shè)計(jì)。圖2 為該管片拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 管片拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 托梁設(shè)計(jì)

托梁通過螺栓固定在支承盾的H 梁上，隨著主機(jī)的向前掘進(jìn)一同移動(dòng)。托梁在隧道斷面上左右對(duì)稱布置2 根，中間通過尾部連接梁連接一體。TBM 管片拼裝機(jī)托梁中間布置有皮帶輸送機(jī)，因而要充分考慮設(shè)備空間問題。托梁受力復(fù)雜，而且是交變載荷，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)有著比較高的要求，材質(zhì)選用Q355 低合金高強(qiáng)鋼，焊縫做超聲波探傷。托梁在豎直方向主要承受移動(dòng)架、回轉(zhuǎn)架、管片、托梁自重以及尾部搭接設(shè)備橋的重力，最惡劣工況考慮管片拼裝機(jī)誤操作時(shí)拼裝頂塊頂住護(hù)盾時(shí)紅藍(lán)油缸向下的推力。而水平位置拼裝管片時(shí)還有管片和抓舉機(jī)構(gòu)施加的扭轉(zhuǎn)力矩?？梢酝ㄟ^建立三維模型，采用ANSYS分析其受力情況，保證應(yīng)力應(yīng)變?cè)诓牧系脑S用范圍之內(nèi)，撓度的允許值控制在1/1000～1/500 之間為宜。根據(jù)管片拼裝機(jī)托梁的受力分析結(jié)果，除去應(yīng)力集中點(diǎn)，鋼板最大內(nèi)應(yīng)力為75MPa 左右，梁端部最大變形量為6mm 左右。經(jīng)過分析，托梁材料的應(yīng)力、應(yīng)變均在設(shè)計(jì)安全系數(shù)范圍內(nèi)。

3.2 回轉(zhuǎn)支承選型設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)支撐作為管片拼裝機(jī)的關(guān)鍵重要部件，其可靠性直接關(guān)系到整套設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行?；剞D(zhuǎn)支撐的設(shè)計(jì)所需要的參數(shù)為最大承受的回轉(zhuǎn)力矩以及水平拼裝管片時(shí)平移油缸對(duì)其產(chǎn)生的傾覆力矩。另外回轉(zhuǎn)支承的使用壽命也要滿足掘進(jìn)里程的要求，特別是TBM 管片拼裝機(jī)，掘進(jìn)里程長，工況惡劣，其設(shè)計(jì)更應(yīng)該安全可靠。經(jīng)過計(jì)算，圖3 為本項(xiàng)目管片拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)支承選取的設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖3 回轉(zhuǎn)支承靜態(tài)負(fù)荷能力曲線圖

3.3 抓取裝置及提升油缸設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目管片拼裝機(jī)若采用常規(guī)的抓取機(jī)構(gòu)與提升缸布置空間不足，因此，結(jié)合管片外形與結(jié)構(gòu)型式，特設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型的管片抓取裝置與提升油缸接頭。

3.3.1 抓取裝置

管片抓舉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與管片的型式與重量緊密相關(guān)。抓舉機(jī)構(gòu)總體來講分為機(jī)械式抓舉和真空吸盤式抓舉。機(jī)械式抓舉機(jī)構(gòu)動(dòng)作可靠性好，且具有安全聯(lián)鎖功能，但因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受限不能承受重型管片，通常適用于管片重量在3～5t 的中小型管片拼裝機(jī)。針對(duì)大直徑隧道的管片拼裝機(jī)，管片重量很重，能達(dá)到10t 以上，此時(shí)更適用安全性更高、適應(yīng)范圍更廣的真空吸盤式抓舉機(jī)構(gòu)[7]。本項(xiàng)目管片為六邊形管片，每環(huán)4 塊，每塊重量約3.5t。底管片與其它3 塊管片不同，底部有鋪軌平臺(tái)，不適用真空吸盤式抓舉，見圖4。因此設(shè)計(jì)為機(jī)械式抓取型式，見圖5。每塊管片上有2 個(gè)吊裝孔，兼做注漿孔。

圖4 管片型式

圖5 管片抓取裝置

抓取裝置上部左右設(shè)置2 處連接筒，與提升油缸的活塞桿通過螺栓連接，兩根提升油缸通過連接梁連接一體實(shí)現(xiàn)提升油缸同步動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)管片的提升與下降。下方的管片抓緊、微調(diào)機(jī)構(gòu)與連接梁通過關(guān)節(jié)軸承聯(lián)接。連接梁的前后左右設(shè)置4 個(gè)頂升油缸以及1 個(gè)左右轉(zhuǎn)動(dòng)油缸，可實(shí)現(xiàn)管片的側(cè)傾、俯仰、轉(zhuǎn)動(dòng)3 個(gè)自由度，在拼裝過程中實(shí)現(xiàn)管片位置的微調(diào)。管片的抓緊流程為，管片抓舉裝置下降，使抓舉裝置左右兩側(cè)的定位孔對(duì)準(zhǔn)管片吊裝孔，卡爪伸出頂緊管片吊裝孔內(nèi)壁，電氣接近開關(guān)檢測(cè)到位后，提起管片。旋轉(zhuǎn)管片至待拼裝位置后，松開卡爪，輔推油缸頂緊管片后管片抓舉裝置退出管片，完成管片的拼裝。圖6 為工廠抓取裝置調(diào)試狀況。

圖6 管片抓取、微調(diào)

3.3.2 提升油缸

對(duì)于提升紅藍(lán)油缸，由于需要頻繁地提起和推出管片而受到徑向力的作用，同時(shí)在水平90°方向拼裝管片時(shí)還要承受自身的重力、管片的重力和拼裝管片的擠壓力等側(cè)向力，所以油缸的設(shè)計(jì)采用油缸缸筒伸縮，外側(cè)作為導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)。加大缸筒直徑后，其承受彎矩的能力大大增強(qiáng)，見圖7。在設(shè)計(jì)計(jì)算油缸所受的側(cè)向力時(shí)，活塞桿要模擬油缸完全伸出的狀態(tài)，且附加管片重力及管片之間的擠壓力，油缸的提升能力一般按最大管片重量的3 倍來考慮。紅藍(lán)油缸行程應(yīng)保有裕量，活塞桿缸筒的完全伸出時(shí)，管片應(yīng)比理論拼裝位置靠外約100～200mm 左右，以更好地達(dá)到拼裝要求。另外，此項(xiàng)目為節(jié)省空間，與以往提升油缸活塞桿與抓舉機(jī)構(gòu)鉸接的形式不同之處在于，提升油缸的活塞桿端部設(shè)計(jì)為螺栓孔，與抓舉機(jī)構(gòu)采用螺栓連接，活塞桿與抓舉機(jī)構(gòu)兩端的連接筒為小間隙配合關(guān)系。

圖7 紅藍(lán)油缸示意圖及受力模型

4 實(shí)際應(yīng)用及結(jié)論

項(xiàng)目于2020 年10 月30 號(hào)試掘進(jìn)正式環(huán)以來，截至2021 年10 月20 日已完成掘進(jìn)里程6 628m（含導(dǎo)洞13m），創(chuàng)造了最高單班進(jìn)尺26.7m，最高日進(jìn)尺43.4m，最高月進(jìn)尺812m的好成績。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，管片拼裝機(jī)在實(shí)際使用過程中未出現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)損壞的情況，總體設(shè)計(jì)合理，使用效果良好。

管片拼裝機(jī)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)型式仍然可以采用主梁環(huán)式結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化托梁及管片抓取結(jié)構(gòu)，合理的設(shè)計(jì)紅藍(lán)油缸接頭型式可以獲得良好的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與實(shí)際應(yīng)用效果。