盾構管片拼裝機的結構分析

李文福

隨著我國基礎建設的快速發展,在城市土地資源日趨緊張的形勢下,地下空間進入了一個前所未有的發展階段。盾構法隧道施工技術作為地下空間開發中的核心技術,已在能源、交通等領域的隧道建設中得到廣泛的應用。在盾構施工過程中,隧道管片肩負著隧道成型擋土、止水等重要功能。管片拼裝的質量直接影響著地下水土的滲透和地表沉降,而完成這一重要工序的就是盾構機中的管片拼裝機。在盾構機掘進施工過程中,管片拼裝機的主要功用是平穩、快速、準確地將預制的混凝土管片,按預定要求拼裝于開挖出的隧道內壁四周,形成襯砌,以此來支護剛開挖的隧道表面。

1 管片拼裝機的結構分析

1.1 整體結構

以下主要針對應用于黔貴鐵路定水壩隧道的某土壓平衡盾構機的環式拼裝機進行分析。

此環式管片拼裝機主要由回轉系統、提升系統、平移系統和管片夾取裝置構成,其中主要部件有馬達、傳動軸、傳動齒輪、回轉盤體、擋托輪、配重塊、懸臂梁、提升橫梁、油缸、導向柱及管片夾取裝置等,如圖1所示。

精確完成一片管片的拼裝,必須對該管片的6個自由度進行定位,如圖2所示,即軸向伸縮(沿隧道軸線 z方向),水平伸縮(沿隧道斷面 x方向),軸向回轉(沿隧道壁周向y方向)以及現實管片姿態調整的三個方向的轉動(偏轉 θx,俯仰 θy,搖擺θz)[2]。該北京地鐵六號線所使用的盾構機上的管片拼裝機,只能對管片進行5個自由度的定位,即對軸向回轉、水平伸縮、軸向伸縮、管片的俯仰θy及周向搖擺θz進行定位。剩余一個自由度即偏轉θx,依靠推進油缸的頂推來實現,此拼裝機結構較簡單,且有較大的作業空間。

1.2 回轉系統

回轉系統主要由液壓馬達、傳動軸、傳動齒輪、回轉盤體、擋托輪和配重塊構成,主要功能是在拼裝管片的過程中提供回轉力矩,并且為整個拼裝系統提供支撐。整個回轉系統的動力傳遞過程是:液壓馬達→減速器→傳動軸→傳動齒輪→回轉盤體。

拼裝機在拼裝管片時要進行旋轉,所以在回轉過程中將產生回轉力矩,過大的回轉力矩將對擋托輪和回轉盤體帶來破壞,為了減小回轉力矩,在回轉盤體上端設置有配重塊。配重塊可以平衡回轉力矩的一半,并且能夠有效地減小回轉阻力矩。

1.3 提升系統

提升系統主要由提升橫梁和兩個懸臂梁組成。懸臂梁通過安裝板由螺栓固定在回轉盤體上,兩個懸臂梁主要用來承受管片拼裝機工作時所產生的彎矩和扭矩,受力較復雜。其中一個懸臂梁內置有液壓系統的油箱,用來為液壓油路提供液壓油。整個懸臂梁由油箱的底板、頂板、后板、前板、連接隔板和垂直導向裝置組成,相互焊接為一個整體。液壓泵組和電氣控制組安裝在一個懸臂梁的上部,在拼裝管片過程中隨拼裝機一起回轉。將拼裝系統的液壓系統設置在懸臂梁上,有效地減少了拼裝機回轉時電纜和油路管纏繞帶來的不便。

油箱內置主動加壓系統,用來保證拼裝機回轉工作時油箱容積變化帶來的油壓波動。箱蓋上設置有安全閥,用來避免箱體因壓力過高而損壞結構和內部設備;此外,懸臂梁內置油箱的密閉性良好,確保隨拼裝回轉時油箱內不產生氣泡,以便減少液壓控制組件的噪聲。

提升橫梁主要由兩個提升油缸和兩個導桿組成,兩個升降油缸用來完成對管片的提升和上推,兩個升降垂直導桿用來導向。油缸和導桿導向套都與懸臂梁相連,導桿的導向套與懸臂梁固結為剛體。在加工和裝配過程中,要保證兩個垂直導桿的平行度達到一定要求,以防止在提升和上推管片時兩個提升油缸的活塞桿受彎矩,從而造成油缸的卡死或活塞桿彎曲。同時要使兩個垂直導桿保持良好的潤滑,以便使導桿在導桿軸套中能順利滑動。

1.4 平移系統

平移系統主要由一個雙作用水平移動油缸、兩根水平導桿和四個微調油缸組成。水平導桿起導向和支撐的作用,是承受管片重量的主要部件,因此在管片平移的過程中,要確保兩導桿的最大彎曲變形量在規定范圍內,并且兩導桿的平行度要好。水平導桿的加工和安裝都有較高要求,否則將造成平移過程中油缸活塞桿受力彎曲或折斷。

在水平移動系統中,設置有四個微調油缸,油缸的行程比較小,主要是在對管片進行定位時,調節管片俯仰θy及周向搖擺 θz。另外,微調油缸同時也用來固定管片,防止拼裝機運動時管片晃動。

1.5 管片夾取裝置

為了提高管片拼裝時的工作效率,并且減輕操作工人的勞動強度,管片夾取裝置采用了銷連接。每個管片中心都設置有螺栓孔,拼裝管片時在螺栓孔內擰入吊環螺栓,此吊環螺栓下端為螺紋,上端為帶有銷孔的方頭。在拼裝機的夾取裝置中置有與吊環螺栓方頭相對應的倒U形凹槽,凹槽上設置相應的銷孔。夾取管片時,將吊環螺栓上的銷孔與凹槽上的銷孔對齊,然后插入吊環連接銷,即可完成管片的夾取。管片夾取裝置示意圖見圖3。

1.6 真圓保持器

真圓保持器支柱上裝有上下伸縮的千斤頂。千斤頂的上下兩端裝有圓弧形的支架,該支架可在動力車架的伸縮梁上滑動,當一管環拼裝結束后,就把真圓保持器移到該管環內,當支柱上的千斤頂使支架緊貼管環后,盾構就可以推進。盾構推進后由于真圓保持器的作用,故管環不產生變形,并且一直保持真圓狀態[3]。

2 管片拼裝機的拼裝要求

管片拼裝是盾構隧道施工中的重要環節,管片拼裝的質量直接影響著隧道的質量,所以對管片的拼裝有著較高的要求,具體如下:1)拼裝好的管片環面要平整,不同塊之間不能存在凸凹不平現象;2)拼裝完的管片環面與隧道設計軸線垂直度要好;3)在拼裝過程中不能使管片破損;4)拼裝機在拼裝管片時,運動要平穩,不能有過大沖擊,定位要準確。由于管片在隧道中起著很重要的作用,所以拼裝機在拼裝管片時必須達到一定的運動精度。

3 結語

管片拼裝是盾構施工中關鍵技術之一,管片拼裝機的正常工作是拼裝管片的基礎。目前,我國盾構施工中仍然是采用人工進行拼裝管片,不但會增加工人的勞動強度,并且拼裝效率和拼裝精度都較低。在以后管片拼裝機的發展過程中,管片的拼裝將朝著實現自動化方向發展。本文通過對管片拼裝機的結構進行系統地分析,提出了拼裝管片時的要求,將為盾構機的設計制造及盾構的安全施工提供有益借鑒。

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