一種大直徑盾構隧道箱涵運輸支撐轉動裝置的研制

王書超,劉彥玲

(鄭州新大方重工科技有限公司,鄭州 450064)

1 研制背景

盾構工法的誕生迄今已有180 多年的歷史，其關鍵技術主要由德國、日本等國外企業壟斷[1]。近年來，隨著我國基礎設施大規模建設，通過對國外技術的引進吸收和自我技術創新[2]，盾構工法的關鍵技術已被我國相關企業掌握[3]。由于大直徑斷面利用率高[4]，當前國內盾構工法隧道工程技術已經向大斷面、大深度、長距離方向發展[5]。在大直徑盾構隧道施工中，箱涵(又名預制口子件)是安裝在由管片組成的環形隧道襯砌內的重要構件[6-7]，因而箱涵的運輸和吊裝對整個工程的施工安全和施工進度影響很大[8]。

采用大直徑盾構工法的隧道工程中，傳統箱涵運輸采用與管片運輸相同的方式[9]，直接放置在平板車的固定支座上[10-11]，橫向平躺(圖1)或者縱向(圖2)放置。當前國內大直徑隧道箱涵外形尺寸一般為：長2 500 mm，寬4 100 mm，高2 500 mm，質量約35 t[12]。如圖1采用橫向平躺放置，運輸車寬度一般2 500 mm內[9]，運輸時寬度增大到4 100 mm，這樣造成進入隧道內運輸時超寬，影響其他車輛通行，降低了施工效率。然而更嚴重的問題是盾構機箱涵吊具需要增加翻轉裝置，箱涵吊具起吊箱涵到達安裝位置前，要將箱涵由平躺翻轉90°豎起才能安放箱涵，如圖3所示。如圖2縱向放置，盾構機箱涵吊具需要增加回轉裝置，箱涵吊具起吊箱涵到達安裝位置前將箱涵旋轉90°才能安放箱涵，如圖4所示。隧道施工中作業空間狹小，盾構機內空間更狹小，因此盾構機后配套設備外形尺寸是越小越好[13]。而傳統施工中箱涵吊具需增加輔助裝置，吊具設計比較復雜，其制造和安裝也比較困難。隧道斷面較小的情況下，因空間尺寸的限制就會出現以降低安全性來滿足使用要求的情況，如選用較小結構尺寸的裝置或簡化的裝置來完成輔助動作。狹小空間吊裝35 t重物時增加輔助動作，這樣增加吊裝作業的風險，也降低了施工效率。另外傳統的運輸方式在長距離大坡道隧道內運輸時，沒有縱向保護措施，在運輸過程中存在安全隱患。

隨著國內基礎設施建設飛速發展，對大直徑盾構工法要求越來越高，如何安全、高效運輸和吊裝箱涵是技術人員亟待解決的問題。

圖1 平躺橫向放置

圖2 縱向放置

圖3 吊起箱涵翻轉

圖4 吊起箱涵回轉

2 研制思路

根據大盾構工法隧道施工的實際需求，該裝置在運輸過程中縱向承載箱涵；其要求具備輔助功能，具有簡化箱涵吊裝的作用；其安裝在液壓平板車上，動力源直接取自車輛動力系統，可直接在車上單獨操作，操作簡單高效；其適應箱涵長距離大坡度運輸；整體高度不能影響箱涵吊裝；滿足箱涵運輸的同時兼顧管片運輸。圖5為大直徑盾構隧道箱涵運輸支撐轉動裝置三維圖。

圖5 大直徑盾構隧道箱涵運輸支撐轉動裝置

3 裝置的作業原理

3.1 箱涵運輸

在箱涵運輸吊裝施工過程中，箱涵直接放置在托架上，4個夾緊油缸伸出夾緊箱涵，如圖6所示；箱涵運到盾構機后配套箱涵起吊位置，平板車整體降低，縮回夾緊油缸，拔下油缸中間銷軸，將油缸放平躺下以降低高度，將托架回轉90°，如圖7所示；箱涵吊機到位掛上箱涵起吊，如圖8所示。

3.2 箱涵運輸

運送管片時，夾緊油缸水平放置狀態，將管片放置在托架上(圖6)；平板車開到盾構機后配套管片吊機起吊位置，平板車整體降低，管片吊機到位掛上管片起吊，如圖9所示。

圖6 運輸箱涵/管片

圖7 箱涵90°回轉到位

圖8 箱涵吊裝

圖9 管片吊裝

4 關鍵技術

大直徑盾構隧道箱涵運輸支撐轉動裝置研制是否成功，實際使用是否安全高效，需要解決以下關鍵技術問題。

4.1 托架設計

托架作為運輸過程中的重要承力部件，既要具備很好的強度和剛度，又要保證結構整體高度低[14]。采用工字梁組成的框架結構，上面圓弧形設計，弧形與箱涵或管片弧形近似，中間低兩側高，寬度方向要方便管片吊裝。同時要考慮到箱涵外形尺寸和重心位置，保證在使用過程中盡量減小慣性力，重載運輸過程中托架受力均勻。另外，頂面鋪設橡膠墊保護箱涵或管片。如圖10所示。

圖10 托架結構

4.2 回轉機構設計

回轉機構起到傳遞荷載及回轉的功能，是托架與運輸車連接的重要部分。本方案回轉機構半潛在車架內，嚴格控制其突出車頂面的高度。通過回轉油缸的伸縮可實現支承托架的回轉[14]，回轉油缸安裝有液壓鎖在運輸箱涵或管片時鎖定位置，油缸動力源取自平板車動力系統，可單獨。如圖11所示。

圖11 回轉機構

4.3 夾緊機構設計

夾緊機構起到縱向支撐作用，保證運輸時放置在托架上箱涵安全牢固，該裝置高度在箱涵吊裝時又不能高于托架上弧面最低點高度。本方案采用帶有安全閥的夾緊油缸，油缸中間和后端分別固定連接，前段安裝有夾緊塊。油缸動力源取自平板車動力系統，可單獨或者分組聯動操作。如圖12所示。

圖12 夾緊機構

5 現場應用

太原鐵路樞紐西南環線隧道為單洞雙線大斷面鐵路隧道，直徑12.14 m，長4 850 m，坡度1.3%。應用新研制的隧道箱涵運輸支撐轉動裝置，箱涵運輸時不影響箱涵側翼板現場澆筑施工及其他車輛作業，夾緊裝置提高了長距離運輸的安全性，調整箱涵方向的過程不占用吊具使用時間，吊起箱涵后可直接對位安裝，省去了吊裝過程中翻轉或回轉等輔助動作，降低了吊裝過程的風險。單個吊裝過程相比傳統方式節省約10 min，按照太原項目一天掘進長度達到18 m計算，一天需安裝9個箱涵，該裝置的應用一天就能節省約90 min，提高了箱涵吊裝的施工效率。同類裝置也在廣深港客運專線益田路隧道成功應用，益田路隧道箱涵運輸道路坡度達6%。通過現場應用證明該裝置安全可靠，有利于提高施工效率，節約施工成本[15-16]?，F場應用情況如圖13所示。

圖13 支撐轉動裝置應用情況

6 結語

大直徑盾構隧道箱涵運輸支撐轉動裝置通過工程實際應用，證明其安全高效，效果很好。隨著基礎設施的大力建設，我國盾構裝備技術發展迅速，盾構工法越來越多的應用于高速鐵路、城市軌道交通、特高壓輸變電線和城市地下管網等的建設，此項技術對于大直徑盾構施工技術的發展具有很好的借鑒意義。該裝置及技術已獲國家專利局發明專利(ZL201520233444.X)。