一種適應2種分度管片的盾構推進油缸布置優化方案

肖俊祥，袁文征

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南鄭州 4 50016)

0 引言

盾構是集機械、電氣、液壓、測量、控制等多種學科技術于一體，專門用于地下隧道工程開挖的技術密集型重大工程裝備［1-3］。近年來，隨著國內城市地鐵的大量修建，作為隧道掘進設備的盾構在國內地鐵隧道工程上的應用越來越廣泛。目前，國內地鐵隧道襯砌最常用地鐵隧道襯砌預制鋼筋混凝土管片以φ6m外徑為主，不同城市采用的管片分度不同，所以預制的管片縱向螺栓連接孔分度主要有22．5°分度(16顆徑向螺栓)及36°分度(10顆徑向螺栓)2種規格。為滿足不同分度管片洞內封頂塊拼裝，推進油缸典型布置為:22．5°分度管片的推進油缸采用16組雙缸均布設計(共32根油缸)，36°分度管片的推進油缸采用20組單雙油缸(共30根油缸)交叉布置設計［4-6］。

目前國內現有的盾構掘進設備的推進油缸布置僅能適應一種分度管片施工，盾構設備只能在管片規格相同的工程間調動使用，在管片分度不同的工程施工需要進行設備改造，耗費資金、增加人力、占用工期。通過對各個城市地鐵管片的統計分析，仔細研究盾構推進系統，設計了一種可以適用2種分度管片拼裝的盾構設備。優化的設計方案能提高設備的適應性，減少重大工程裝備的投入，同時在減少重大工程裝備生產、促進節能減排［7］方面有一定的積極意義。

1 盾構推進油缸分區布置設計原則

在國內，分度為22．5°分度或者36°分度的管片均有通用環設計。在管片拼裝過程中，封頂塊可能在任意拼裝點位置［8］。本文推進油缸設計分析均考慮通用環管片對推進油缸帶來的影響。

在推進油缸布置設計時，主要滿足管片封頂塊(以下簡稱K塊)、標準塊和臨接塊的拼裝，并考慮管片結構受力、縱縫分布方位、受力點布置、管片組裝施工方便性等因素。盾構推進時，推進油缸直接作用在管片上以獲得前進的反力。因此，推進油缸布置需要滿足管片錯縫拼裝;K塊可以出現在圓周任意拼裝點;無論管片如何錯動，推進油缸布置保證每塊管片所受推進力均等，尤其保證K塊插入時的受力對稱。

基于隧道工程管片通用環拼裝要求，K塊位置可能出現在所有分度位置，K塊分布點位數量

式中:Fn(或fn)為封頂塊拼裝點數;α為連接螺栓的間隔角度。

所以，連接螺栓為22．5°分度的K塊拼裝點有16個，連接螺栓為36°分度的K塊拼裝點有10個。

22．5°分度管片間縱向螺栓為16個，沿圓周方向均布，相鄰的2個環向螺栓孔與管片中心所成角度為22．5°。為保證管片間的環向連接，管片沿環向有16個拼裝位置，每個位置稱為K封頂塊插入點，即管片的一個拼裝點，管片拼裝點位(F1～F16)布置如圖1所示。

圖1 22．5°分度管片拼裝點(Fn)布置圖Fig．1 Layout of erection points(Fn)of segment ring with 22．5°division

36°分度管片間縱向螺栓為10個，沿圓周方向均布，相鄰的2個環向螺栓孔與管片中心所成角度為36°。為保證管片間的環向連接，管片沿環向有10個拼裝位置，每個位置稱為K封頂塊插入點，即管片的一個拼裝點。管片拼裝點位(f1～f10)布置如圖2所示。

2 同時適應2種分度管片的盾構推進油缸分區方法

在滿足錯縫及封頂塊可以在任意拼裝點拼裝，所有環片受力低于最小承壓比的前提下，根據式(1)，當連接螺栓間隔角度為22．5°時，滿足16個拼裝點(F1～F16)要求，推進油缸總數至少為16組，設計上采用16組雙缸(雙撐靴)周向均勻布置;當連接螺栓間隔角度為36°時，滿足10個拼裝點(f1～f10)要求，推進油缸總數至少為10組。根據空間布置及受力要求，設計上采用10組單缸(單撐靴)和10雙缸(雙撐靴)周向均勻交錯布置形式，2種布置形式在目前盾構設備上已經有成熟應用。

圖2 36°分度管片拼裝點(fn)布置圖Fig．2 Layout of erection points(fn)of segment ring with 36°division

以上2種常見設計符合了推進油缸布置原則，能滿足各自的管片拼裝要求。利用以上原則，如果需要滿足2種分度管片封頂塊拼裝要求，并保證所有管片受力均勻，即要滿足26個封頂塊拼裝點位要求。如圖3所示，在3點和9點(鐘表方位)方位上，有2個封頂塊拼裝點重合，即F5與f4、F13與f9重合，實際只需要24個封頂塊拼裝點位。因此，為了滿足2種分度管片拼裝要求，至少需要24組油缸，并保證撐靴中心分布在拼裝點上，同時考慮好管片受力均勻時推進油缸整體布置。

根據以上分析，設計如圖4所示的24根推進油缸布置方案。采用剛好滿足2種分度管片所需最少拼裝點數的24根油缸進行布置，24根油缸在圓周第一象限的方位為 0°、18°、27°、45°、54°、67．5°、90°，其他 3個象限油缸布置按兩軸對稱布置。推進油缸撐靴布置根據適應管片的不同進行組合和調整。

圖3 適合2種分度推進油缸工作示意圖Fig．3 Layout of thrust cylinders fitting for both 2 types of segment divisions

圖4 適合2種分度油缸布置示意圖(第一象限)Fig．4 Layout of thrust cylinders fitting for both 2 types of segment divisions(the first quadrant)

3 適應2種分度管片的推進油缸布置形式

用于22．5°分度管片時，第18°，27°方位油缸(拼裝點位F2或f2處)共用1塊并聯的雙撐靴①推進油缸，其他3個象限均對稱布置，剩余拼裝點位油缸全布置為單撐靴②推進油缸(見圖3)。在全周需16個拼裝點位中，12個 K 塊拼裝點位(F1，F3，F4，F5，F6，F7，F9，F11，F12，F13，F14和F15)是1根單撐靴油缸拼裝，其余4個位置處(F2，F8，F10和F16)是2根油缸組成的雙撐靴拼裝封頂塊，16個點位布置均滿足22．5°分度管片拼裝要求。

用于36°分度管片時，方位第 18°，27°油缸(拼裝點位F2或f2處)更換成單撐靴推進油缸②，4個象限對稱點進行同樣更換操作，共采用24根單缸拼裝K塊，每個拼裝點采用單撐靴油缸進行封頂塊拼裝，能滿足36°分度管片f1～f10的10個K塊拼裝點位要求。推進油缸布置如圖5所示。

經過對24組推進油缸優化布置方案進行22．5°和36°分度管片的拼裝分析，能滿足錯縫拼裝，適合所有拼裝點封頂塊拼裝。受力點比36°分度推進系統20組油缸數量還多4組，最小承壓比低于設計要求，所有環片受力更均勻，推進油缸布置滿足管片受力要求。

圖536°分度油缸布置示意圖(第一象限)Fig．5 Layout of thrust cylinders for segment rings with 36°division(the first quadrant)

4 設計實例

根據以上盾構推進油缸分區方法及工作原理，設計一種同時適應2種分度管片的推進油缸布置方法，即推進油缸采用24根單油缸設計(設計24組閥塊)，具體如圖3設計。為表述方便，用安裝點位Fn和fn來代替推進油缸閥塊代號，24個安裝點位分別為閥塊第1至第24分組。在拼裝22．5°分度管片時，需將第f2和 F2、F8和 f6、f7和 F10、F16和 f1分組閥塊分別屏蔽其中一組，對應撐靴變為雙缸撐靴，使之變為4組雙缸，分別對應F2、F8、F10和F16封頂塊拼裝點位，來滿足拼裝22．5°分度管片封頂塊所有可能位置的拼裝要求。本設計實例已經在中鐵25號盾構武漢地鐵(22．5°分度管片)成功應用。

在拼裝36°分度管片時，直接采用24組閥塊進行所有可能位置的封頂塊進行拼裝。本設計實例已經在中鐵38，39號南昌地鐵(36°分度管片)成功應用，并在后續調用至其他城市施工，使用效果良好。

5 結論與討論

本文對目前國內最常用的2種分度管片的盾構推進油缸布置進行了研究，提出了能同時適用于2種管片分度推進油缸布置方案，為盾構推進油缸布置設計提供了一種新思路。優化設計后的推進油缸布置方案提高了盾構在不同城市具有相同內外徑隧道項目工程施工的適應性，減少了重大裝備重復性投入，能直接降低項目施工設備投入費用。在當前國內地鐵隧道管片設計分度不一致，盾構設計制造廠家眾多，缺少盾構設計標準指導的情況下，新方案能引導盾構推進油缸布置設計進一步統一規范，并形成一種標準設計。

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