翟 聰，鄭帥超，葉 超，張鵬豪，徐純杰

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

1 概述

隨著近年來(lái)我國(guó)在鐵路、公路和軌道交通等領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，地下管網(wǎng)和地下空間也不斷地被開(kāi)發(fā)。盾構(gòu)法施工以其安全環(huán)保、操作方便、勞動(dòng)強(qiáng)度低和快速經(jīng)濟(jì)性等諸多優(yōu)點(diǎn)，在全世界各種地層的隧道建設(shè)中起到了舉足輕重的作用[1-2]。

目前國(guó)內(nèi)盾構(gòu)法施工絕大多數(shù)采用土壓平衡盾構(gòu)或泥水平衡盾構(gòu)兩種模式盾構(gòu)施工。土壓平衡盾構(gòu)具有掘進(jìn)效率高、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)地表沉降控制能力較弱，易出現(xiàn)沉降過(guò)大等問(wèn)題；泥水平衡盾構(gòu)對(duì)地層擾動(dòng)小，可以很好地控制地面沉降，但排漿管容易堵塞，造成排渣不暢，加速刀具磨損，且其施工成本較高。隨著盾構(gòu)施工的水文地質(zhì)情況日益復(fù)雜，特別是針對(duì)裂隙、卵石、破碎帶等地層，同時(shí)地表沉降控制要求高的工程項(xiàng)目，土壓-泥水雙模式盾構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生[3-4]。

破碎裝置是盾構(gòu)的重要部件之一，其主要作用是破碎進(jìn)入倉(cāng)內(nèi)的大塊巖石，避免出現(xiàn)堵管堵泵情況，使環(huán)流系統(tǒng)運(yùn)行通暢。破碎裝置在盾構(gòu)上的布置形式有氣墊倉(cāng)內(nèi)和氣墊倉(cāng)外兩種，布置在泥水盾構(gòu)氣墊倉(cāng)內(nèi)的破碎裝置的主要形式為顎式破碎機(jī)，其由兩個(gè)顎板在液壓油缸的作用下對(duì)巖塊擠壓破碎，如圖1 所示[5]；布置在后配套拖車上的破碎機(jī)裝置的主要形式為輥齒式破碎機(jī)，如圖2 所示，此種破碎機(jī)雖然破碎效率高，維修方便，但其能夠破碎的石塊粒徑小，不能滿足大粒徑巖塊的破碎需求。

圖1 氣墊倉(cāng)內(nèi)部顎式破碎機(jī)

圖2 輥齒破碎機(jī)

本文以某隧道建設(shè)工程為應(yīng)用背景，提出一種在復(fù)雜地層下使用的倉(cāng)外破碎裝置，其可以在諸如裂隙、卵石、破碎帶等復(fù)雜地層進(jìn)行施工，不僅可以應(yīng)用到土壓-泥水雙模式盾構(gòu)上，也可用作單一模式泥水盾構(gòu)的倉(cāng)外破碎機(jī)或二次破碎機(jī)。其具備稀釋、渣石破碎和粒徑篩分功能，其布置在氣墊倉(cāng)外使其在維修時(shí)不用帶壓進(jìn)入氣墊倉(cāng)內(nèi)部，具有維修方便、實(shí)用性強(qiáng)、地層適應(yīng)能力高等特點(diǎn)。

2 雙模盾構(gòu)工作原理介紹

某在建隧道盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)條件以礫巖、砂巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，巖層石英含量較高，下穿河流，并存在裂隙、卵石、破碎帶等地層，地質(zhì)情況較為復(fù)雜。項(xiàng)目采用泥水-土壓雙模式盾構(gòu)進(jìn)行施工，在施工時(shí)可根據(jù)穿越地質(zhì)情況選擇土壓掘進(jìn)模式或泥水掘進(jìn)模式，以適應(yīng)復(fù)雜多變的地層，在最大程度控制工程風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效掘進(jìn)[6]。土壓-泥水雙模式盾構(gòu)的主機(jī)布置圖如圖3 所示。

圖3 雙模式盾構(gòu)主機(jī)布置圖

雙模式盾構(gòu)的土壓掘進(jìn)模式是將掌子面渣土經(jīng)刀盤切削下來(lái)并充滿土倉(cāng)，由土倉(cāng)壓力來(lái)平衡掌子面水土壓力，其通過(guò)螺旋輸送機(jī)輸送渣土。土壓掘進(jìn)模式適用于各種硬巖、軟巖和黏土地層等土體自穩(wěn)性較強(qiáng)的地層，具有施工工序簡(jiǎn)單、掘進(jìn)效率高、耗能少和施工成本低等優(yōu)點(diǎn)。

雙模式盾構(gòu)的泥水掘進(jìn)模式即是用制好的泥膜和泥漿壓力平衡掌子面的水土壓力，通過(guò)泥漿管道輸送渣土。泥水掘進(jìn)模式可適用于砂層、淤泥、上軟下硬地層及對(duì)地表沉降控制高等地層掘進(jìn)施工，具備工作壓力高、地表沉降控制好、刀盤刀具壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

3 倉(cāng)外破碎裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

3.1 倉(cāng)外破碎裝置結(jié)構(gòu)組成

本文提出的氣墊倉(cāng)外破碎裝置的整體結(jié)構(gòu)組成如圖4 所示，其主要由排漿管、格柵、破碎機(jī)、安裝法蘭、稀釋箱、備用進(jìn)漿管、箱體和出渣門等組成。

圖4 倉(cāng)外破碎裝置結(jié)構(gòu)組成

從圖4 可看出，安裝法蘭布置在整個(gè)破碎裝置上部進(jìn)漿口處，整個(gè)破碎裝置通過(guò)安裝法蘭螺栓連接在螺旋輸送機(jī)出渣口法蘭上。倉(cāng)外破碎裝置的箱體上布置有排漿管、安裝法蘭、備用進(jìn)漿管、沖刷管和出渣門，其中格柵和破碎機(jī)安裝在箱體內(nèi)部。排漿管布置在箱體的外側(cè)右端，并且在格柵的后面，與盾構(gòu)泥水循環(huán)系統(tǒng)的排漿管路連接；兩個(gè)泥漿沖刷管對(duì)稱傾斜布置在箱體左側(cè)底部，可對(duì)堆積在破碎區(qū)域的渣石進(jìn)行沖刷，防止渣石阻塞或大量沉積，并加速破碎后的渣石通過(guò)格柵進(jìn)入排漿泵中；破碎機(jī)可對(duì)進(jìn)入箱體內(nèi)的渣石破碎，降低排漿管和泥漿管路的磨損，同時(shí)破碎機(jī)設(shè)計(jì)有攪拌功能，可有效降低底部渣土的堆積。破碎機(jī)采用液壓動(dòng)力，潤(rùn)滑方式采用自動(dòng)注脂，通過(guò)遞進(jìn)式分配閥對(duì)注入量可以方便地控制，且破碎機(jī)關(guān)鍵銷軸處設(shè)置有自動(dòng)油脂潤(rùn)滑注入孔，提高銷軸可靠性。破碎機(jī)迎渣面焊接有耐磨復(fù)合鋼板，提高破碎機(jī)的耐磨性能；格柵布置在箱體的右側(cè)，用于限制破碎機(jī)破碎后進(jìn)入排漿管的石塊粒徑，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)外破碎機(jī)粒徑篩分功能，避免排漿管堵倉(cāng)堵管。壓力傳感器安裝在排漿管上部的封蓋上，可實(shí)時(shí)檢測(cè)倉(cāng)外破碎裝置的內(nèi)部壓力，當(dāng)壓力過(guò)大時(shí)，說(shuō)明其內(nèi)部出現(xiàn)堵倉(cāng)滯排現(xiàn)象，需及時(shí)停止盾構(gòu)掘進(jìn)，通過(guò)打開(kāi)出渣門等方式對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行清理。

綜上所述，倉(cāng)外破碎裝置主要由顎式破碎機(jī)、稀釋箱和格柵3 部分組成，其制造完成后的實(shí)物如圖5 所示。

圖5 制造完成的倉(cāng)外破碎裝置

3.2 箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

箱體是倉(cāng)外破碎裝置的基體，排漿管、格柵、備用進(jìn)漿管、出渣口以及破碎機(jī)通過(guò)破碎機(jī)支座安裝固定在箱體上。故箱體是倉(cāng)外破碎裝置受力情況和結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的零部件，不僅箱體的強(qiáng)度、剛度要滿足使用要求，其設(shè)計(jì)還要滿足重量輕、制造方便等要求，故需要箱體整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析和計(jì)算。

3.3 箱體有限元模型建立

由于倉(cāng)外破碎裝置的箱體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故可先應(yīng)用三維建模軟件Creo 建立此箱體的三維模型。在建模時(shí)，可以對(duì)計(jì)算非常耗時(shí)的螺紋通孔、圓角，以及吊耳、安裝孔等不影響箱體強(qiáng)度分析結(jié)果而又增加仿真復(fù)雜程度的特征因素予以簡(jiǎn)化忽略，以減小后續(xù)有限元分析的計(jì)算量，提升有限元分析速度[7-8]。將三維模型轉(zhuǎn)化為STP 格式后，導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，并采用布爾運(yùn)算方法對(duì)排漿管、備用進(jìn)漿管、出渣口和箱體進(jìn)行修正，將各個(gè)部件合成為1 個(gè)整體，便于網(wǎng)格劃分[9]。箱體有限元模型的材料及其相關(guān)屬性如表1 所示。

表1 箱體所用材料及其屬性

有限元網(wǎng)格劃分是有限元分析至關(guān)重要的一步，其劃分大小和精度直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于倉(cāng)外破碎裝置箱體模型的體積較大，外輪廓尺寸為2828mm×3350mm×2412mm。為保證網(wǎng)格劃分的準(zhǔn)確性，應(yīng)在連接法蘭和破碎機(jī)的連接處等局部載荷較大的地方進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理[10]。

3.4 倉(cāng)外破碎裝置箱體應(yīng)力分析結(jié)果

在對(duì)倉(cāng)外破碎裝置箱體的有限元模型施加約束和載荷后，可運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對(duì)模型進(jìn)行強(qiáng)度分析，并得出如圖6和圖7 所示的箱體有限元模型的等效應(yīng)力云圖和整體變形云圖。

圖6 箱體等效應(yīng)力云圖

圖7 箱體整體變形云圖

從箱體模型等效應(yīng)力云圖可以看出，箱體等效應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在筋板處，其值為252.98MPa，小于箱體所用材料的屈服極限強(qiáng)度，且箱體的受力大致來(lái)講比較均勻，箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。從箱體模型的整體變形云圖中可以看出，箱體變形最大的地方在排漿管處，其最大變形量為7.85mm，可在排漿管與箱體連接的四周增加周向筋板等措施進(jìn)一步減小此處的變形量。箱體其余部位的變形量較小，滿足箱體的剛度要求[11]。

4 破碎機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析

4.1 破碎機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安裝在倉(cāng)外破碎裝置箱體內(nèi)部的破碎機(jī)是倉(cāng)外破碎裝置的核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖8 所示。破碎機(jī)主要由破碎機(jī)支座，破碎機(jī)左右油缸、右側(cè)顎板、左側(cè)顎板以及銷軸組成。

圖8 破碎機(jī)結(jié)構(gòu)組成

圖中破碎機(jī)支座安裝在破碎裝置箱體右端上部封板的凹槽里，并且由蓋板封堵。破碎機(jī)油缸左右對(duì)稱布置在箱體內(nèi)部左右兩側(cè)，油缸的推桿耳座與破碎機(jī)支座通過(guò)銷軸連接，油缸缸體耳座與顎板通過(guò)銷軸連接，顎板在油缸推力作用下對(duì)進(jìn)入箱體內(nèi)的大粒徑石塊破碎。

4.2 破碎機(jī)破巖能力計(jì)算

破碎機(jī)在工作的過(guò)程中主要依靠油缸3 的推力作用于顎板對(duì)石塊進(jìn)行破碎，對(duì)破碎機(jī)左側(cè)顎板7 的受力情況如圖9 所示。

圖9 破碎機(jī)鄂版受力分析

對(duì)圖中的C點(diǎn)取力矩平衡方程式，可得

式（1）中，F(xiàn)1表示油缸3 對(duì)顎板的作用力，其值可通過(guò)式（2）算得；F2表示巖石對(duì)顎齒的作用力，L1表示F1到C點(diǎn)的力臂，L2表示F2到C點(diǎn)的力臂，兩者的值分別為479.5mm 和331mm，得

式（2）中，p表示油缸壓力，r表示油缸推桿的半徑55mm，將上述值代入式（2）中，可得油缸的推力F1的值為333kN，將F1的值代入式（1）中，可得巖石對(duì)顎齒的作用力F2的值為482.4kN。

破碎機(jī)的破碎能力可由式（3）算得

式（3）中，F(xiàn)2為顎齒作用于巖石的作用力，S為顎齒與巖石的接觸面積，將上述值帶入式（3）中，可得破碎機(jī)的破碎巖石強(qiáng)度σ的值為198.4MPa，滿足項(xiàng)目的使用要求。

5 倉(cāng)外破碎裝置渣石流動(dòng)原理

在螺旋輸送機(jī)出渣口配備的具有稀釋、破碎和渣石過(guò)濾功能的倉(cāng)外破碎裝置，其主要由顎式破碎機(jī)、稀釋箱和格柵組成。下面對(duì)其分別在土壓掘進(jìn)模式和泥水掘進(jìn)模式下的渣石排出過(guò)程分別進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

5.1 土壓掘進(jìn)模式

當(dāng)盾構(gòu)處于土壓掘進(jìn)模式時(shí)，由刀盤開(kāi)挖下來(lái)的隧道掌子面的渣土在螺旋輸送機(jī)內(nèi)形成土塞效應(yīng)，并在螺旋軸帶動(dòng)下，通過(guò)螺旋輸送機(jī)兩道后出渣閘門，進(jìn)入到與螺旋輸送機(jī)相連的氣墊倉(cāng)外破碎裝置內(nèi)，并經(jīng)由其內(nèi)部的傾斜導(dǎo)渣板作用下進(jìn)入破碎機(jī)的破碎區(qū)域。渣石經(jīng)由破碎機(jī)的顎板破碎后，再經(jīng)過(guò)格柵進(jìn)行篩分，經(jīng)破碎機(jī)破碎后可以通過(guò)格柵的石塊，進(jìn)入與排漿管連接的排漿管路排出；經(jīng)破碎機(jī)破碎后無(wú)法通過(guò)格柵的石塊則再需破碎機(jī)破碎，直至滿足格柵的粒徑要求。

5.2 泥水掘進(jìn)模式

當(dāng)盾構(gòu)處于泥水掘進(jìn)模式時(shí)，可根據(jù)由刀盤開(kāi)挖下來(lái)的隧道掌子面的渣石粒徑和實(shí)際地質(zhì)條件選擇如下幾種方式出渣。

1）螺旋輸送機(jī)+破碎機(jī)出渣模式 刀盤切削下來(lái)的掌子面的渣土在土倉(cāng)里由螺旋機(jī)的土塞效應(yīng)進(jìn)入到螺旋輸送機(jī)內(nèi)，通過(guò)螺旋輸送機(jī)兩道后出渣閘門，進(jìn)入到與螺旋輸送機(jī)相連的倉(cāng)外破碎裝置中，再通過(guò)破碎機(jī)顎板的破碎和格柵的粒徑篩選后，經(jīng)與破碎機(jī)連接的排漿管路排出，如圖10 所示。

圖10 螺旋輸送機(jī)+破碎機(jī)出渣模式

2）直排管出渣模式 當(dāng)?shù)侗P切削下來(lái)的掌子面的渣土可通過(guò)前隔板底部的直排管直接排出，可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件和渣土粒徑，既可以通過(guò)倉(cāng)外破碎裝置的備用排漿管進(jìn)入其箱體內(nèi)部，再通過(guò)其稀釋、破碎和粒徑過(guò)濾后，通過(guò)與倉(cāng)外破碎裝置的排漿管排出；也可不經(jīng)過(guò)倉(cāng)外破碎裝置直接由主排漿管排出，如圖11 所示。

圖11 直排管掘進(jìn)模式

當(dāng)盾構(gòu)處于泥水掘進(jìn)模式時(shí)，通過(guò)上述渣石排出模式，可使不同地層、不同粒徑的渣石順利排出，實(shí)現(xiàn)雙模式盾構(gòu)排渣效率最大化。

6 結(jié)論

1）以某隧道建設(shè)工程為應(yīng)用背景，提出一種在復(fù)雜地層下使用的倉(cāng)外破碎裝置，對(duì)其主要結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行詳細(xì)介紹。其應(yīng)用在單一模式或雙模式盾構(gòu)，具有稀釋、破碎和渣石過(guò)濾功能，使盾構(gòu)可在諸如裂隙、卵石、破碎帶等復(fù)雜地層順利施工，且其具有拆裝、維修和清渣簡(jiǎn)便快捷等優(yōu)點(diǎn)。

2）通過(guò)三維建模軟件Creo 建立了倉(cāng)外破碎裝置的三維模型，并利用有限元分析軟件對(duì)倉(cāng)外破碎裝置的箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，得出其箱體在受最大載荷工況下的等效應(yīng)力和整體變形云圖。并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)箱體強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化，使其滿足使用工況要求。

3）對(duì)倉(cāng)外破碎裝置的核心部件破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行詳細(xì)介紹，并對(duì)破碎機(jī)的破巖能力進(jìn)行分析計(jì)算。

4）倉(cāng)外破碎裝置可根據(jù)施工地質(zhì)條件，一鍵切換土壓掘進(jìn)模式和泥水掘進(jìn)模式，實(shí)現(xiàn)不同地層、不同粒徑的渣石順利排出，避免堵倉(cāng)滯排，實(shí)現(xiàn)排渣效率最大化。在雙模式盾構(gòu)分別處于土壓掘進(jìn)模式和泥水掘進(jìn)模式下，倉(cāng)外破碎裝置的工作原理及渣石排出流程進(jìn)行詳細(xì)闡述。