大直徑盾構(gòu)管片快速吊運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

任錦江

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司，湖南長(zhǎng)沙410100）

大直徑盾構(gòu)管片快速吊運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

任錦江

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司，湖南長(zhǎng)沙410100）

針對(duì)8m～10m直徑級(jí)盾構(gòu)機(jī)在城際鐵路隧道施工中的管片快速吊運(yùn)需求，設(shè)計(jì)了一種由重載大坡度管片吊機(jī)、管片卸載器組成的管片吊運(yùn)系統(tǒng)，完成了樣機(jī)研制與工業(yè)性試驗(yàn)。本管片吊運(yùn)系統(tǒng)具備管片一次卸載吊運(yùn)功能，可直接沿12°斜坡軌道將重型管片從卸載位置吊運(yùn)至管片拼裝位置，具有施工迅速、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，并成功應(yīng)用在廣珠城際鐵路珠海橫琴隧道工程的國(guó)產(chǎn)ZTE8800土壓平衡盾構(gòu)機(jī)上。

盾構(gòu)機(jī)；管片吊運(yùn)；真空吸盤(pán)；大坡度；重載

隨著我國(guó)珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海、長(zhǎng)株譚、成綿樂(lè)等城際鐵路[1]的不斷規(guī)劃建設(shè)，直徑在8 m~10 m的城際鐵路盾構(gòu)隧道累計(jì)建設(shè)歷程已達(dá)到50 km以上，處于世界領(lǐng)先水平；但是由于中國(guó)盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)業(yè)起步較晚，城際鐵路隧道施工用的大直徑盾構(gòu)機(jī)主要都由海瑞克[2]、羅賓斯、NFM、三菱、奧村、日立小松等歐系、日系企業(yè)生產(chǎn)或與國(guó)內(nèi)企業(yè)聯(lián)合制造[3]。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)自主研制的ZTE8800鐵路大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)總體要求，設(shè)計(jì)了一種由重載大坡度管片吊機(jī)、管片卸載器組成的管片吊運(yùn)系統(tǒng)，可直接適用12°斜坡齒條軌道將管片直接從卸載位置吊運(yùn)至管片拼裝位置。樣機(jī)研制完成后進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，并在廣珠城際鐵路珠海橫琴隧道工程中進(jìn)行了成功應(yīng)用。

1　管片吊運(yùn)系統(tǒng)概述

管片吊運(yùn)系統(tǒng)主要由管片吊機(jī)、喂片機(jī)等組成，其主要功能是：在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)期間，進(jìn)行管片卸載、轉(zhuǎn)運(yùn)、回轉(zhuǎn)下放及喂送作業(yè)，再由管片拼裝機(jī)逐塊拼接成整環(huán)隧道襯砌結(jié)構(gòu)。管片吊運(yùn)系統(tǒng)工作效率直接影響著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率。

目前海瑞克等歐系盾構(gòu)機(jī)的管片吊運(yùn)方式為：管片吊機(jī)從管片運(yùn)輸車上抓取管片沿直線軌道將管片吊運(yùn)下放至喂片機(jī)上，再由喂片機(jī)輸送到管片拼裝機(jī)的管片抓取區(qū)域進(jìn)行拼裝，如圖1所示。其存在的主要缺點(diǎn)是：管片需要喂片機(jī)的二次轉(zhuǎn)運(yùn)，而且當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在富水地層施工時(shí)，位于隧道底部的喂片機(jī)容易被主機(jī)處的積水淹沒(méi)發(fā)生故障導(dǎo)致管片無(wú)法轉(zhuǎn)運(yùn)，盾構(gòu)機(jī)只能停工維修。

圖1　歐系盾構(gòu)機(jī)管片吊運(yùn)系統(tǒng)

小松等日系盾構(gòu)機(jī)的管片吊運(yùn)方式為：采用兩臺(tái)管片吊機(jī)分別在雙層高低梁軌道上連續(xù)交替吊運(yùn)管片，將管片轉(zhuǎn)運(yùn)至管片拼裝機(jī)下方在進(jìn)行拼裝如圖2所示。其存在的主要缺點(diǎn)是：兩臺(tái)管片吊機(jī)功能配置簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度低，故障率高，并需要兩人交替作業(yè)，工序繁瑣，故障率高。

圖2　日系盾構(gòu)機(jī)管片吊運(yùn)系統(tǒng)

2　大直徑盾構(gòu)管片吊運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)依據(jù)

隧道管片外徑為8 500 mm、內(nèi)徑為7 700 mm、寬度為1 600 mm、隧道最大坡度5%，整環(huán)管片結(jié)構(gòu)采用3+2+1結(jié)構(gòu)型式、單塊管片最大重量約7 t，盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)掘進(jìn)速度12環(huán)/天，管片拼裝機(jī)拼裝速度45 min/環(huán)。

2.2設(shè)備構(gòu)成及工作流程

ZTE8800土壓平衡盾構(gòu)機(jī)管片吊運(yùn)系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）主要由管片吊機(jī)、管片卸載器、電氣控制系統(tǒng)等組成，具體工作流程為：管片運(yùn)輸車將整環(huán)管片從隧道外運(yùn)輸至后配套拖車管片卸載位置，待3組管片卸載器定點(diǎn)將整環(huán)管片從管片運(yùn)輸車上卸載提升至安全高度，管片運(yùn)輸車倒車駛出管片卸載區(qū)域；3組卸載器再將整環(huán)管片放低后托起，管片吊機(jī)沿直斜軌道利用真空吸盤(pán)從管片卸載器上依次將管片吊運(yùn)至管片拼裝機(jī)抓取區(qū)域，直至吊運(yùn)完整環(huán)管片，見(jiàn)圖4.

圖3　ZTE8800土壓平衡盾構(gòu)機(jī)管片吊運(yùn)系統(tǒng)

圖4　ZTE8800土壓平衡盾構(gòu)機(jī)管片吊運(yùn)系統(tǒng)工作流程示意圖

2.3主要性能參數(shù)

管片吊運(yùn)系統(tǒng)額定起重量7.5 t，吊運(yùn)行程40 m，具備管片卸載、抓取、起升、回轉(zhuǎn)正負(fù)90°功能，管片在吊運(yùn)過(guò)程中始終保持水平狀態(tài)并能隨時(shí)下放。管片吊機(jī)整機(jī)工作級(jí)別A6、起升機(jī)構(gòu)工作級(jí)別M6；行走方式采用齒輪齒條行走，行走速度15 m/min ~35 m/min、適應(yīng)軌道傾角≤12°；起升機(jī)構(gòu)采用4×5 t電動(dòng)環(huán)鏈葫蘆同步起升，真空吸盤(pán)額定吸取重量7.5 t；單組管片卸載器額定提升量為22 t、提升高度為700 mm、提升速度為1 750 mm/min、橫移距離為170 mm.

3　主要組成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1管片卸載器

單個(gè)管片卸載器（見(jiàn)圖5）主要由內(nèi)外機(jī)架、提升油缸、導(dǎo)向部件、管片伸縮支腿、支腿伸縮油缸、電液控制系統(tǒng)等組成。其結(jié)構(gòu)原理為：外機(jī)架與后配套拖車固定，為整機(jī)提供支撐力；兩個(gè)提升油缸的活塞桿端與內(nèi)機(jī)架鉸接，提升油缸缸筒端與外機(jī)架鉸接，內(nèi)、外機(jī)架之間安裝有導(dǎo)向部件，避免提升油缸在伸縮過(guò)程中出現(xiàn)卡死偏載；微調(diào)管片伸縮支腿內(nèi)的伸縮油缸行程可滿足不同位置的管片卸載；6個(gè)管片卸載器成3組對(duì)稱安裝在后配套拖車內(nèi)側(cè)。

圖5　管片卸載器結(jié)構(gòu)原理圖

3.2管片吊機(jī)

管片吊機(jī)（見(jiàn)圖6）主要由工字形齒條行走軌道、主起升機(jī)構(gòu)、行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、輔助吊機(jī)、起升行走小車、驅(qū)動(dòng)行走小車、輔助吊機(jī)、鉸接連桿等組成，其結(jié)構(gòu)原理為：起升行走小車、驅(qū)動(dòng)行走小車對(duì)稱安裝在工字形行走軌道內(nèi)，主起升機(jī)構(gòu)通過(guò)銷軸與吊運(yùn)行走小車鉸接，行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)銷軸與驅(qū)動(dòng)行走小車鉸接，輔助吊機(jī)通過(guò)銷軸與吊運(yùn)行走小車鉸接；主起升與行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、工字形齒條行走軌道由直線軌道、9度傾斜軌道、弧形軌道連接而成，依次將盾構(gòu)機(jī)的管片拼裝抓取區(qū)域、連接橋、后配套管片卸載區(qū)域串通，為管片吊機(jī)主機(jī)行走提供運(yùn)行通道和承受管片吊運(yùn)載荷；主起升機(jī)構(gòu)由起升行走架、起吊架、4臺(tái)環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆、回轉(zhuǎn)吊具、真空吸盤(pán)、液壓平衡機(jī)構(gòu)組成，負(fù)責(zé)管片的起升、下放、回轉(zhuǎn)與管片水平狀態(tài)調(diào)節(jié)。行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由行走驅(qū)動(dòng)架、大功率變頻減速電機(jī)、行走齒輪傳動(dòng)部件等組成，利用變頻減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輔助吊機(jī)相互之間通過(guò)鉸接連桿鉸接。

齒輪在工字形齒條行走軌道上前后行走從而推拉主起升機(jī)構(gòu)、輔助吊機(jī)完成管片、輔助物料吊運(yùn)功能。

圖6　管片吊機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3真空吸盤(pán)

ZTE8800土壓平衡盾構(gòu)機(jī)管片吊運(yùn)系統(tǒng)中的真空吸盤(pán)主要由真空系統(tǒng)、吸盤(pán)體、法蘭盤(pán)、位置檢測(cè)系統(tǒng)等組成，其各種動(dòng)作與狀態(tài)參數(shù)都通過(guò)管片吊機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行操作與控制。

4　工業(yè)性試驗(yàn)

4.1真空吸盤(pán)保壓試驗(yàn)

（1）真空吸盤(pán)放置在標(biāo)準(zhǔn)管片上，通電后在真空泵抽取真空過(guò)程中，管片與密封條吸附緊密，各個(gè)真空腔真空度達(dá)到95%以上、消耗時(shí)間不得高于75 s；同時(shí)各儀器儀表顯示正常、真空壓力傳感器顯示壓力與真空表顯示壓力差不得超過(guò)5%（見(jiàn)圖7）。

圖7　真空吸盤(pán)保壓試驗(yàn)

（2）斷電關(guān)閉真空泵，要求各個(gè)真空腔真空度在30 min內(nèi)不得低于80%（此時(shí)7.5 t重的管片依然被吸附在真空吸盤(pán)上）。

4.2真空吸盤(pán)管片吸附斷電試驗(yàn)

（1）通電后吸附管片，吊機(jī)提升真空吸盤(pán)使管片與地面脫離約10~20 mm，觀察此時(shí)真空度是否大于95%，真空度顯示值是否穩(wěn)定（要求真空度穩(wěn)定且大于95%）。

（2）真空度穩(wěn)定大于95%至5 min后，切斷電源進(jìn)行斷電測(cè)試。實(shí)際測(cè)試中經(jīng)過(guò)450 min后，真空度降到43%時(shí)，管片掉落，遠(yuǎn)超過(guò)目前隧道施工要求的真空吸盤(pán)在意外斷電情況下30 min內(nèi)不得掉落的合格條件。

4.3起重特性試驗(yàn)

真空吸盤(pán)性能試驗(yàn)合格后，進(jìn)行管片吊機(jī)的起重特性試驗(yàn)，主要內(nèi)容包括：

（1）對(duì)主起升機(jī)構(gòu)的上下限位開(kāi)關(guān)、行走機(jī)構(gòu)限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行整定、校準(zhǔn)；

（2）起升機(jī)構(gòu)載荷升降速度試驗(yàn)：額定載荷條件下，四臺(tái)環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆上升速度誤差為（-5%，+10%）、下降速度為（-5%，+25%）為合格。進(jìn)行載荷升降速度試驗(yàn)過(guò)程時(shí)，載荷應(yīng)分段逐步加至額定載荷；加載過(guò)程中，應(yīng)安排專人注意觀察主起升機(jī)構(gòu)、真空吸盤(pán)的現(xiàn)場(chǎng)情況，如出現(xiàn)異常情況，必須排除后才能繼續(xù)加載。

（3）升降速度同步試驗(yàn)：四個(gè)環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆聯(lián)合升降時(shí)，選取1#葫蘆吊鉤為基準(zhǔn)鉤，2#、3#、4#葫蘆吊鉤對(duì)比偏差允許值為（-2.5%，+2.5%）。

（4）整機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，齒輪齒條無(wú)卡死、溜車現(xiàn)象；回轉(zhuǎn)吊具回轉(zhuǎn)角度與回轉(zhuǎn)速度偏差允許值為（-3.5%，+3.5%，），行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度偏差允許值為（-5%，+10%）；整機(jī)在全行程范圍內(nèi)，主起升機(jī)構(gòu)中的起升回轉(zhuǎn)真空吸盤(pán)部分在液壓平衡機(jī)構(gòu)作用下始終處于水平狀態(tài)，相對(duì)主起升行走架無(wú)明顯晃動(dòng)現(xiàn)象。

4.4載荷起升能力試驗(yàn)

（1）靜載試驗(yàn)

管片吊機(jī)停靠在斜線段軌道處，真空吸盤(pán)與試驗(yàn)荷載起升至離地面100~200 mm高處，依次按照25%、50%、75%、100%、125%額定載荷逐級(jí)加載試驗(yàn)荷載。每次加載懸空時(shí)間不得少于10 min.卸去載荷后檢查起升行走架、起吊架、驅(qū)動(dòng)行走架、鉸接連桿應(yīng)力測(cè)試值是否合格，如不合格，整改后重復(fù)試驗(yàn)，直到滿足設(shè)計(jì)要求。管片吊機(jī)靜載試驗(yàn)如圖8所示。

圖8　管片吊機(jī)靜載試驗(yàn)

（2）動(dòng)載試驗(yàn)

管片吊機(jī)在全行程范圍內(nèi)，真空吸盤(pán)與試驗(yàn)荷載起升至設(shè)計(jì)要求位置，依次按照25%、50%、75%、100%、110%額定載荷逐級(jí)加載試驗(yàn)荷載；每種試驗(yàn)載荷狀態(tài)下全行程運(yùn)行3次，檢查起升行走架、起吊架、驅(qū)動(dòng)行走架、鉸接連桿應(yīng)力測(cè)試值是否合格，各組成機(jī)構(gòu)是否運(yùn)行正常、行走電機(jī)是否運(yùn)行正常，如不合格，整改后重復(fù)試驗(yàn)，直到滿足設(shè)計(jì)要求。管片吊機(jī)動(dòng)載試驗(yàn)如圖9所示。

圖9　管片吊機(jī)動(dòng)載試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，管片吊機(jī)應(yīng)嚴(yán)格按操作規(guī)章進(jìn)行控制，且必須注意把加速度、減速度和行走速度限制在管片吊機(jī)正常工作范圍內(nèi)。

（3）起重量顯示及超負(fù)荷保護(hù)試驗(yàn)

主要檢查管片吊機(jī)四臺(tái)環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆在正常起升條件下，超載保護(hù)、松繩保護(hù)裝置運(yùn)行是否正常，真空吸盤(pán)與主機(jī)聯(lián)鎖、自鎖保護(hù)是否正常。

4.5現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

ZTE8800土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的施工區(qū)間為廣珠城際鐵路新建鐵路珠海市區(qū)至珠海機(jī)場(chǎng)線橫琴隧道1號(hào)井至港仔北區(qū)間，盾構(gòu)隧道全長(zhǎng)1.237 km；分別設(shè)置半徑R=400 m、800 m、500 m轉(zhuǎn)彎段，區(qū)間盾構(gòu)段縱斷面為下坡，最大坡度為15.7‰，轉(zhuǎn)彎半徑R=413 m；隧道開(kāi)挖斷面主要為粗砂層、粉質(zhì)粘土層，局部含孤石；隧道中后段開(kāi)挖面多為弱風(fēng)化花崗巖，線路左側(cè)臨海，建筑多為工業(yè)廠房。

盾構(gòu)機(jī)2016年3月正式始發(fā)掘進(jìn)，截止2016年9月5日，累計(jì)掘進(jìn)里程1 306 m，最高日進(jìn)尺達(dá)18 m.

與其它同類型盾構(gòu)機(jī)設(shè)備應(yīng)用結(jié)果相比，該管片吊運(yùn)系統(tǒng)的一環(huán)管片卸載吊運(yùn)速度為其2倍以上，但操作人員只有其一半，這就對(duì)城際鐵路盾構(gòu)隧道的施工效率提高和施工成本降低具有顯著意義。

[1]孫洪濤，戴新鎏，楊華峰，等，我國(guó)城際鐵路重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域分析[J].中國(guó)鐵路，2015，（11）：20-24.

[2]唐衛(wèi)平，趙林，鄭勇.大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)12‰下坡隧道雙機(jī)同井洞內(nèi)始發(fā)控制技術(shù)[J].鐵路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013，（9）：75-81.

[3]薛學(xué)偉.大直徑盾構(gòu)機(jī)給力城市地鐵建設(shè)[J].建筑機(jī)械技術(shù)與管理，2011，（7）：55-56.

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[5]葉忠.盾構(gòu)管片拼裝機(jī)原理及故障診斷與預(yù)防[J].隧道建設(shè)，2010，30（4）：486-491.

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The Design and Application of Rapid Lifting System for Large Diameter Shield Segment

RENG Jing-jiang
（China Railway Construction Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410100，China）

According to the demands of 8m~10m diameter grade shield machine in intercity railway tunnel construction segment fast lifting，the segment hoisting system consisting of a heavy large slope segment crane and segment unloader are designed，the prototype development and industrial test are completed.This system have one time unloading and lifting function，and can directly lift segment from the unloading position to the segment assembly position along the rail ramp 12°with rapid construction and high degree of automation features.They are successfully applied in domestic ZTE8800 EPB shield machine for Guangzhou-Zhuhai intercity railway tunnel project in zhuhai hengqin.

shield machine；segment lifting；vacuum chuck；large slope；overload

U455.3

A

1672-545X（2016）10-0055-04

2016-07-06

國(guó)家科技支撐計(jì)劃-煤礦長(zhǎng)距離斜井盾構(gòu)原位地下拆解及配套技術(shù)2013BAB10B05

作者信息：任錦江（1985-），男，四川廣元人，工程師，碩士，研究方向：全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。