盾構機鉸接系統淺析

高丙歡 任 潔

（濟南重工股份有限公司，濟南 250109）

盾構機作為一種集機械、電氣、液壓以及流體于一體的高端地下施工設備，伴隨著我國地鐵建設、公路隧道和城市管道等地下建筑工程的飛速發展，已經廣泛應用于地下工程施工[1]。此外，由于地層地質的環境越來越復雜，盾構施工的難度也隨之增加，盾構機各零部件的結構與性能要求更加嚴格。

盾構機在工程施工過程中需要完成左右轉向和上下俯仰等動作。由于施工范圍內的土層地質環境比較復雜，盾體不同部位受到的土層壓力并不均勻，從而導致盾構機的行進方向與最初設計的隧道中心線產生偏差。為了減小上述偏差，保證工程質量，使盾構機按照正常的路線前進，需要對盾構機的姿態進行相應的調整[2]。因此，盾構機盾體內部配置了鉸接系統用以輔助盾構設備實現地下的姿態變化[3]。

目前，鉸接系統主要分為三種形式：主動鉸接、被動鉸接和復合式鉸接。三種鉸接形式的執行機構均為鉸接油缸，相應的盾構機機體也具有三種結構形式：主動形式、被動形式和復合結構形式。結合濟南重工股份有限公司的生產需要，本文主要討論主動鉸接和被動鉸接兩種形式[4]。

1 鉸接系統

1.1 主動鉸接

主動形式盾構機被分為前盾、中盾前部、中盾后部以及尾盾四部分，中盾前部和中盾后部由鉸接油缸連接，形成鉸接裝置，可以實現盾構機的上下前后左右轉動，其中鉸接密封安裝在中間分割部位。

主動鉸接盾構機主要依靠推進油缸推管片的推力帶動中盾后部一端鉸接油缸的產生相應的動作，從而實現中盾前部以及前盾進行掘進。具體過程如下所述：

主動鉸接是指將推進油缸固定在中盾后部上，推進油缸推管片時的推力，首先傳遞到中盾后部法蘭上進而作用在整個中盾后部機體上，再依次傳遞到鉸接油缸上，通過鉸接油缸的伸出量與收縮量的改變，產生作用在中盾前部以及前盾上的反作用力，進而實現盾構機的俯仰與左右轉動。具體結構如圖1所示。

1.2 被動鉸接

被動形式盾構機被分為前盾、中盾、尾盾三大部分，中盾和尾盾由鉸接油缸連接，形成鉸接裝置，可以實現盾構機的上下前后左右轉動，其中鉸接密封安裝在尾盾前端的鉸接環上。

圖1 主動鉸接結構示意圖

被動鉸接盾構機主要依靠推進油缸推管片的推力反作用于中盾法蘭以及前盾上，往前掘進實現盾構機的俯仰與左右轉動，進而由中盾帶動鉸接油缸前端進行伸縮，鉸接油缸通過相應的動作帶動尾盾行進。具體結構如圖2所示。

圖2 被動鉸接結構示意圖

1.3 主動鉸接和被動鉸接的比較

主動鉸接和被動鉸接的區別在于盾構機的鉸接狀態是否由鉸接油缸帶動產生，若盾構機的鉸接狀態是由鉸接油缸推動前盾和中盾前部形成的，則屬于主動鉸接；若盾構機的鉸接狀態是由推進油缸推動前盾和中盾形成的，進而帶動鉸接油缸伸縮，則屬于被動鉸接，具體比較如表1所示[5]。

表1 主動鉸接和被動鉸接比較

1.4 本單位盾構機特點

下面結合濟南重工股份有限公司實際生產情況對不同直徑盾構機鉸接系統的特點予以說明。

首先，盾構機外形尺寸由隧道中鋪設的管片外徑決定，通過管片厚度以及盾尾間隙計算得出盾體內徑及殼體厚度。由于不同地方的隧道規劃尺寸和用途各不相同，這就決定了不同尺寸盾構機的生產設計需求。在不同尺寸盾構機的設計過程中，如何合理地實現鉸接系統的變化是其中最為重要的設計關鍵點和難點之一。

濟南重工股份有限公司生產的盾構機均屬于中型盾構機，其鉸接系統如上所述，與普通中型盾構機鉸接特點基本一致。當盾構機尺寸發生變動時，需要注意其鉸接系統是否需要相應調整，主要包括鉸接油缸分布圓直徑是否變動、鉸接環長度是否合適以及相應的轉彎半徑是否符合要求等。

在濟南重工股份有限公司已生產的盾構機中，其中第39和40臺盾構機為主動形式，由于所用地域隧道管片比之前所有管片直徑減小200mm，盾構機整體尺寸也隨之減小200mm。此時需驗證鉸接系統是否需要做出相應調整，具體計算模型如圖3所示[6]。

圖3 隧道極限半徑與盾構機（鉸接系統）尺寸關系計算簡圖

L1為盾構機前體長度，L2為盾構機后體長度，W為盾構機寬度，R2為線路外徑，R1為線路內徑，R0為線路中心曲線半徑，θ為鉸接角度。經過模型化設計和理論計算可知，當鉸接油缸的分布圓直徑隨之減小200mm時，盾構機的轉彎半徑可以達到客戶要求，滿足施工需要。

2 鉸接系統的特點及應用

2.1 鉸接系統在姿態調整中的應用

根據鉸接系統的特點，當盾構機進行直線挖掘或者進行輕微調整姿態時，首先需要選擇適當的操作模式，同時協調每個推進油缸的壓力來共同實現。此時，主動鉸接一般不適合使用，因為使用主動鉸接后，隨著鉸接油缸的伸縮，隧道會與原設計中心線產生一定角度的偏差。當盾構機在曲線段施工時，設備的行進路線需要通過鉸接油缸和推進油缸的聯合工作來實現，主動鉸接能使前盾和中盾前部主動改變掘進方向，有助于盾構機沿原設計中心線掘進，提高施工質量。

在曲線施工時，當曲線內側作為曲線段支點的鉸接油缸處于鎖定狀態時，通過伸出外側的鉸接油缸使前盾和中盾前部發生鉸接。當外側鉸接油缸伸出一定長度獲得所需的鉸接角度后，鎖定所有鉸接油缸，保持現有的鉸接姿勢，然后通過對推進油缸壓力分布進行局部調整，達到盾構曲線施工的目的。鉸接油缸以及推進油缸分布示意圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 鉸接油缸分布示意圖

圖5 推進油缸分布示意圖

2.2 鉸接密封的特點及應用

鉸接密封系統具有兩種運動形式：一是掘進方向的往復運動，即前后方向的運動，二是圓周方向的擺動，即上下左右方向的運動。其中，前后方向的運動源于鉸接油缸的伸縮，與盾構機掘進速度和鉸接油油缸伸縮速度相關，而圓周方向的擺動則受盾構姿態調整過程的影響。

鉸接油缸的往復運動與推進油缸間的不同步運動會導致盾體前后兩部分產生縫隙，為了實現盾體內部壓力的穩定，以及各重要零部件的正常運轉，設備必須達到實時與外部隔離的效果，因此需要在盾體鉸接部位添加密封裝置來保證盾體內部空間與盾體外土層的隔離。盾構鉸接密封的主要作用為防止盾體外的泥土、砂礫等進入盾體內，如果密封失效，盾體內部的主機部分各精密零部件將受到外部雜質的污染甚至破損，最終引起功能失效，影響盾構機的正常使用。

鉸接密封系統的密封作用根據其運動方式不同分為兩種形式：一是盾構機主要依靠鉸接密封圈自身壓縮量對盾體進行密封，此種形式常見于主動密封形式，此時對鉸接密封的材料及壓縮變形能力要求較高；二是當盾構機處于小半徑轉向工況或鉸接密封自身發生塑性變形不能滿足密封要求時，通過對環形凹槽內的緊急氣囊進行充氣以滿足密封的需要，作為對鉸接密封圈密封能力不足的補償，此種形式常見于被動鉸接形式。兩種鉸接密封形式分別如圖6、圖7所示。

圖6 主動鉸接結構示意圖

圖7 被動鉸接結構示意圖

為了保證鉸接密封在各種復雜工況下的可靠性，需要對盾構機鉸接密封的承壓性能進行量化研究，確定鉸接密封承載臨界點，為盾構機鉸接密封研發設計提供理論支持和依據[7-8]。

相關研究結果表明，當外部土壓高于579kPa時，盾構機鉸接密封變形量將超出其承受范圍，出現滲漏現象時，需要采用承載能力較高的密封材料，或者增加其他密封方式；在鉸接系統內填充油脂，增強密封效果以滿足不同工況需要，延長鉸接密封系統壽命；使用承載能力較強的密封材料，增加鉸接密封的密度，從而提高密封的試驗壓力，增強鉸接密封的密封效果。

另外，為了盡可能減小盾構機在使用過程中對鉸接密封的損壞，避免滲漏等現象的發生，必須做到以下幾個方面：首先，需要在技術上和管理上對施工過程精確控制，尤其是在小半徑曲線施工時，做到盾構姿態調整符合施工設計曲線；其次，鉸接系統作為調整盾構機姿態的輔助手段，需要根據糾偏實時調整，避免大角度折彎，減少對鉸接密封的硬性傷害；最后，配合使用鉸接系統、推進系統，并做到維持土倉壓力、推進速度等的穩定，以便盾構機的軸線沿既定線路推進，從而實現對鉸接密封的保護。

3 結論

鉸接系統有助于盾構機實現更小的曲線半徑，對于地形復雜的地段能夠精確控制隧道的轉彎等；主動鉸接適合用于隧道曲線變化較為復雜的情況，被動鉸接適合用于隧道曲線較為簡單的情況。通過理論計算可知，鉸接密封所用材料的壓力承載能力對密封效果的影響較大，需根據具體施工壓力選取合適的密封材料，延長鉸接密封壽命。盾構機施工時，人們盡可能做到多系統、多功能配合使用，精確控制，規范化操作，在盾構機正常運行的同時減少對重要部件和易損部件的損害，這樣既能延長使用壽命，還可以保證施工質量。