泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)采石裝置研究與設(shè)計

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

泥水平衡盾構(gòu)憑借其開挖面壓力穩(wěn)定與控制精確、地表沉降小、施工清潔環(huán)保以及地層適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在地鐵隧道、公路隧道以及大埋深、高水壓的海底隧道得到了廣泛應(yīng)用。泥水盾構(gòu)依靠泥水環(huán)流系統(tǒng)中的泥漿泵和泥漿管路進(jìn)行排渣，因此泥水環(huán)流系統(tǒng)的滯排或堵塞將直接影響盾構(gòu)的出渣情況，進(jìn)而導(dǎo)致盾構(gòu)停機(jī)。針對富含大粒徑砂卵石和全斷面硬巖地層，為了避免泥水循環(huán)系統(tǒng)滯排或堵塞，通常在氣墊倉出渣口后方依次布置有破碎機(jī)和格柵，但由于破碎機(jī)工作效率和破碎能力有限，且格柵開口不能設(shè)計太小，以免引起氣墊倉底部積渣，因此需要在主排漿泵前設(shè)置大粒徑卵石或巖塊收集裝置，以緩解泥水環(huán)流系統(tǒng)的滯排或堵塞、減緩主排漿泵和排漿管路的磨損程度。

目前已應(yīng)用在泥水循環(huán)系統(tǒng)中的采石裝置按其對砂石的篩分收集方式主要可分為重力篩分式、格柵沖刷篩分式以及攪拌式等，如圖1～圖3 所示。重力篩分式采石箱具有篩選方式簡單、開箱取石方便等優(yōu)點(diǎn)，但其存在前部篩選網(wǎng)格容易堵塞、整體較長、進(jìn)出漿管路折返布置等缺點(diǎn)。格柵沖刷篩分式采石箱具有結(jié)構(gòu)簡單、泥漿管路順延布置以及并聯(lián)布置方便等優(yōu)點(diǎn)，因此該采石箱應(yīng)用較多，但其格柵在大粒徑砂石堆積一定量后容易積渣，增加了開箱取石的頻率。攪拌式采石箱與上述兩種采石箱主要區(qū)別在于具有攪拌動力，對箱體里的大塊卵石進(jìn)行攪拌以防止砂卵石在底部沉積而形成滯排，但攪拌軸和攪拌棒磨損較快，容易發(fā)生攪拌軸或攪拌葉片過載而斷裂的故障。

圖1 重力篩分式采石箱

圖2 格柵沖刷篩分式并聯(lián)采石箱

圖3 攪拌式采石箱

結(jié)合以上3 種采石箱的優(yōu)缺點(diǎn)，以開挖直徑為?6.5m 的地鐵隧道建設(shè)工程為應(yīng)用背景，設(shè)計一種同軸斜置滾動格柵式采石箱，根據(jù)功能需求進(jìn)行整體組成設(shè)計，并對其箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、驅(qū)動軸強(qiáng)度以及出渣過程控制進(jìn)行分析。

1 采石裝置整體設(shè)計

在進(jìn)行采石裝置設(shè)計時，應(yīng)先結(jié)合地層計算盾構(gòu)掘進(jìn)一環(huán)管片的渣土中大粒徑卵石的體積，得出采石箱的設(shè)計參考容量，再根據(jù)采石排渣的功能需求進(jìn)行整體設(shè)計。

1.1 設(shè)計參考容量

查閱項目地質(zhì)報告，了解地層中大粒徑卵石含量，根據(jù)開挖直徑和隧道管片尺寸可求得采石箱設(shè)計參考容量VS。

其中，Dk為隧道開挖直徑，Lg為管片長度，δ1為地層中卵石的含量，δ2為卵石地層中大粒徑卵石的含量，將參數(shù)值代入式（1)求得采石裝置設(shè)計參考容量約為4.5m3。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計參考容量，結(jié)合采石箱顆粒篩分、采石排渣、排漿順暢以及開箱取石方便的功能需求，對同軸斜置滾動格柵式采石箱進(jìn)行整體組成設(shè)計。采石箱由前端軸承組件、前端軸承組件、箱體、旁通接口、滾動格柵、箱蓋，驅(qū)動單元、底部沖刷接口以及出渣通道等部分組成，如圖4所示。

圖4 采石箱整體設(shè)計圖

為了縮減采石箱的設(shè)計體積，對滾動格柵與箱體進(jìn)行同軸設(shè)計，使?jié)L動格柵的回轉(zhuǎn)軸線與箱體上半圓軸線重合，同時可以通過箱體壁的擠壓將卡在滾動格柵孔中的大粒徑卵石擠壓回格柵內(nèi)，起到防堵塞的作用。采石箱整體傾斜布置，可使格柵內(nèi)的砂卵石在自身重力的傾斜分力和泥漿流動沖刷的作用下，首先漂流到格柵中距離出渣口較近的位置，防止砂卵石在滾筒格柵距離進(jìn)漿口較近的位置堆積。箱體傾斜布置和底部的高壓水沖刷可使經(jīng)格柵篩選出的小粒徑砂卵石快速漂流出漿口并及時排出，防止箱體底部渣石堆積而導(dǎo)致出漿口堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。箱體頂部旁通接口的設(shè)計都是為了促進(jìn)泥漿在箱體內(nèi)的循環(huán)，緩解堵塞情況。

同軸斜置滾動格柵式采石箱具備驅(qū)動單元，可使?jié)L動格柵在驅(qū)動軸的帶動下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在格柵旋轉(zhuǎn)和箱體壁擠壓的作用下，滾動格柵內(nèi)的卵石做往復(fù)的上升滑落運(yùn)動，間歇性的避讓出格柵開孔，使小粒徑卵石通過格柵開孔漂落到箱體底部，緩解格柵底部卵石堆積程度，提升采石箱工作效率。

2 箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

采石箱箱體是采石箱的基體，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且具承壓能力的壓力容器，因此需要對箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。該應(yīng)用項目中采石箱承壓能力需求是6bar，安全系數(shù)是1.5，因此箱體承受的極限壓力是9bar，采石箱箱體選用Q345B 作為主材料，屈服強(qiáng)度約為345MPa。借助分析軟件ANASYS 中的Workbench 模塊對箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。在仿真環(huán)境中對箱體內(nèi)壁施加9bar 的壓力，在箱體驅(qū)動單元安裝座上添加驅(qū)動扭矩，分析結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 采石箱箱體等效應(yīng)力云圖

圖6 采石箱箱體整體變形云圖

由分析結(jié)果可知，箱體在極限工作壓力和驅(qū)動單元滿載的情況下，等效應(yīng)力最大值約為239.05MPa，小于結(jié)構(gòu)鋼材料Q345B 的屈服極限強(qiáng)度，因此箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足強(qiáng)度要求；箱體整體最大變形量約為2.12mm，變形量較小，有利于驅(qū)動軸支撐端軸承和密封的選型和工作。

3 驅(qū)動軸校核計算

驅(qū)動軸是實現(xiàn)采石箱滾動格柵旋轉(zhuǎn)篩分砂卵石的關(guān)鍵部件，需要對其進(jìn)行受力分析、強(qiáng)度校核以及剛度校核，以保證其設(shè)計滿足工況要求。

3.1 驅(qū)動軸負(fù)載分析

在采石箱工作過程中，驅(qū)動軸受自身重力、滾動格柵及其內(nèi)部渣石的重力、驅(qū)動扭矩、前后端軸承的支撐力的作用，具體受力情況如圖7 所示。其中，F(xiàn)1、F2為軸承支撐力，L1、L2是F1和F2在豎直方向的作用力臂；Gz、Gg和Gs分別表示驅(qū)動軸重力、滾動格柵重力和格柵內(nèi)渣石的重力，TJ是驅(qū)動扭矩，a為驅(qū)動軸軸線相對水平面夾角。

圖7 驅(qū)動軸負(fù)載示意圖

驅(qū)動扭矩TJ可分解為

其中，Tq為驅(qū)動滾動格柵的扭矩，Tf為軸承摩擦扭矩。由于Tf值較小可忽略不計，則滾動格柵驅(qū)動扭矩TJ計算公式如下

其中，ρs為砂卵石堆積密度，在干燥狀態(tài)下ρs=（1.6～1.8)×103kg/m3，l為滾動格柵的長度，r1為滾動格柵的內(nèi)徑，r2為驅(qū)動軸半徑，φ表示格柵滾筒內(nèi)渣石的分布角度，如圖8 所示，當(dāng)φ=90°時滾動格柵內(nèi)作用在驅(qū)動軸上的扭矩最大，將式（3）中的參數(shù)值代入求得驅(qū)動扭矩最大值TJmax≈7015Nm。

圖8 格柵內(nèi)渣石分布示意圖

3.2 驅(qū)動軸強(qiáng)度校核

對驅(qū)動軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核，應(yīng)用第三強(qiáng)度理論計算軸危險截面的應(yīng)力[2]，第三強(qiáng)度理論公式如下

其中，a為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的折合系數(shù)，由于驅(qū)動軸單向旋轉(zhuǎn)，受到的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τ為脈動循環(huán)變應(yīng)力，a≈0.6，驅(qū)動軸上的彎矩M=0。因此

其中，W為軸的抗彎截面系數(shù)，電機(jī)輸出端軸徑截面為危險截面，將相關(guān)參數(shù)值帶入式（5)得危險截面應(yīng)力σca=49.6MPa。驅(qū)動軸材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理后的許用彎曲應(yīng)力[σ-1]=60MPa，因此σca＜[σ-1]，驅(qū)動軸的設(shè)計滿足強(qiáng)度要求。

對驅(qū)動軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，確定變應(yīng)力情況下的安全程度。僅有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力時，安全系數(shù)校核公式如下

其中，安全系數(shù)Sp=1.3～1.5，脈動循環(huán)變應(yīng)力的平均應(yīng)力及應(yīng)力幅均為

將查閱參考文獻(xiàn)[4]獲得的參數(shù)值和τa值，代入式（6）求得系數(shù)Sτ=1.8 ≥Sp，因此驅(qū)動軸的危險截面安全。

3.3 驅(qū)動軸剛度校核

3.3.1 軸的彎曲剛度校核計算

驅(qū)動軸的當(dāng)量直徑

最大撓度為

最大轉(zhuǎn)角為

其中，F(xiàn)為軸所受力豎直分力，其值F=（GZ+GG+GS)cosa，E為彈性模量，L為驅(qū)動軸支撐跨距，I為慣性矩。將相關(guān)參數(shù)代入式（9)和式（10)可得最大撓度wmax=0.003mm，最大轉(zhuǎn)角θr=0.0007°/rad。一般軸允許撓度[y]=（0.0002～0.0005)l，圓錐滾子軸承和調(diào)心球軸承正常工作的允許偏轉(zhuǎn)角為[θ]=0.0016°/rad 和[θ]=0.05°/rad，因此驅(qū)動軸的彎曲剛度滿足要求。

3.3.2 軸的彎曲剛度校核計算

驅(qū)動軸的扭轉(zhuǎn)角計算公式為

將參數(shù)值代入求得Jmax=0.048°/m，一般傳動軸，[φ]=（0.5°～1°)/m，因此驅(qū)動軸的扭轉(zhuǎn)剛度滿足設(shè)計要求。

4 采石箱出渣過程控制

采石箱出渣是在盾構(gòu)停止掘進(jìn)拼裝管片的時間間隙里完成的。采石箱出渣過程中需要關(guān)閉進(jìn)出漿口閘閥，并進(jìn)行泄壓處理。電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計有高低速轉(zhuǎn)換感應(yīng)開關(guān)、定點(diǎn)止停感應(yīng)開關(guān)和點(diǎn)動開關(guān)，通過速度轉(zhuǎn)換和定點(diǎn)啟停使渣石從格柵滾筒中流出，并找到合適的開箱采石位置。采石箱出渣的具體控制流程如圖9 所示。

5 結(jié)論

1）根據(jù)地層中大粒徑砂石的含量、隧道開挖直徑以及管片的尺寸，計算出盾構(gòu)掘進(jìn)一環(huán)大粒徑砂石的體積VS，將其作為采石箱的設(shè)計容積。

圖9 采石箱出渣過程控制流程圖

2）將采石箱設(shè)計成同軸斜置的方式，并在箱體底部增加沖刷，頂部加上旁通管路，促進(jìn)采石箱內(nèi)泥漿的循環(huán)。

3）通過箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和驅(qū)動軸的校核計算，得出采石箱強(qiáng)度設(shè)計滿足泥水循環(huán)系統(tǒng)的需求。