小曲線TBM隧道出渣用調(diào)車平轉(zhuǎn)橋研究及設(shè)計

嚴(yán)振林

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

TBM(全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī))法隧道施工具有速度快、工期短、作業(yè)環(huán)境好、綜合效益高等優(yōu)點(diǎn)，在隧道施工中扮演著越來越重要的角色，而保障TBM隧道內(nèi)出渣運(yùn)輸系統(tǒng)的暢通是正常掘進(jìn)的關(guān)鍵問題[1－2]，TBM施工常用的出渣方式為連續(xù)皮帶機(jī)出渣、有軌車輛運(yùn)輸及無軌車輛運(yùn)輸[3－4]。

當(dāng)隧道斷面較大、掘進(jìn)施工里程較長時，采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣，可明顯減少轉(zhuǎn)載卸渣時間，提高出渣效率。齊夢學(xué)、王智遠(yuǎn)、唐志林等[5－7]對皮帶機(jī)出渣技術(shù)進(jìn)行了研究分析。王文勝[8]研究了渣土運(yùn)輸車、翻車機(jī)、皮帶輸送機(jī)與TBM合理匹配完成渣土運(yùn)輸問題。隧洞斷面較小時，受制洞內(nèi)出渣系統(tǒng)布置困難及連續(xù)皮帶機(jī)成本較高等因素，?？紤]有軌車輛運(yùn)輸出渣。邵云帆[9]結(jié)合那邦水電站引水隧道，研究了小直徑TBM施工中的有軌運(yùn)輸技術(shù)。毛錦波[10]研究了山西中部引黃工程和天山勝利隧道TBM施工中，采用軌道引導(dǎo)式多功能膠輪車MSV設(shè)備進(jìn)行出渣流程。在小曲線(轉(zhuǎn)彎半徑<10倍洞徑)非連續(xù)隧洞TBM施工中，受掘進(jìn)線路復(fù)雜、隧道斷面狹小和配套設(shè)備不成熟等因素影響，如采用傳統(tǒng)的出渣方式，會帶來出渣運(yùn)轉(zhuǎn)周期長、費(fèi)用投入大及工序協(xié)同性差等問題，無法發(fā)揮TBM高效連續(xù)掘進(jìn)的優(yōu)勢。鐘慶豐[11]等提出了一種適用于小洞徑隧道的儲備式連續(xù)出渣技術(shù)，該技術(shù)解決了小直徑TBM隧道內(nèi)物料運(yùn)輸連續(xù)性差、效率低等難題，但該套技術(shù)所配備的設(shè)備較多，投入較大。路振剛[12]等對超小轉(zhuǎn)彎半徑的緊湊型TBM設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出了皮帶機(jī)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動、重錘張緊局部收縮的一體化皮帶機(jī)設(shè)備。目前，針對小曲線隧道TBM施工出渣技術(shù)研究較少，國內(nèi)尚處在起步階段，但隨著能源礦山及抽水蓄能項目增多，小曲線隧道施工項目也將隨之增多，該項技術(shù)的研究將凸顯其重要性。

本文以河北撫寧抽水蓄能電站項目為依托，研究與小曲線隧道TBM施工相配套的出渣用調(diào)車平轉(zhuǎn)橋設(shè)備，以解決小曲線有限空間隧洞內(nèi)自卸出渣汽車調(diào)頭難題，以期對后續(xù)類似工程案例的出渣系統(tǒng)選擇提供參考。

2 項目工程概況

河北撫寧抽水蓄能電站項目是利用電力負(fù)荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫發(fā)電的水電站，電站裝機(jī)容量1 200 MW。其線路埋深80～300 m，線路總長2 226.7 m，開挖直徑9.53 m，交通洞最大坡度－6.6%，廠房最大坡度－9.02%。交通洞和通風(fēng)洞采用小曲線TBM施工，最小轉(zhuǎn)彎半徑為90 m。其施工布置如圖1所示。

圖1 撫寧抽水蓄能電站項目施工布置

針對該項目施工里程短、曲線半徑小、線路折角大等因素，經(jīng)綜合對比幾種物流運(yùn)輸方式，確定出渣環(huán)節(jié)采用大型自卸汽車運(yùn)輸，掘進(jìn)供給保障采用可雙向行駛的輪胎式工程車。但由于隧道內(nèi)空間有限，出渣自卸汽車在洞內(nèi)無法實現(xiàn)自主調(diào)頭，為保障出渣運(yùn)輸暢通，在TBM尾部設(shè)置車輛可自動調(diào)頭的調(diào)車平轉(zhuǎn)橋設(shè)備。

3 調(diào)車平轉(zhuǎn)橋設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)組成

3.1 主要設(shè)計參數(shù)

(1)動態(tài)回轉(zhuǎn)承載能力:50 t；動載安全系數(shù)為3。

(2)接渣平臺承載能力:100 t；靜載安全系數(shù)為1.3。

(3)車輛通過速度:5 km/h。

(4)回轉(zhuǎn)速度:0～2 r/min可調(diào)。

(5)駐車精度:±10 mm。

(6)工位轉(zhuǎn)移方式:TBM臺車拖拽。

(7)設(shè)計壽命:≥10萬次。

(8)重心偏載能力:偏心1 000 mm內(nèi)系統(tǒng)具可靠性。

(9)使用頻率:滿足15 m3渣土車每天往返通過45次。

(10)施工環(huán)境:有單獨(dú)的密封系統(tǒng)，可適應(yīng)現(xiàn)場水、渣土飛濺環(huán)境。

(11)可滿足隧道轉(zhuǎn)彎半徑90 m的要求，前后引橋坡度小于10‰。

3.2 調(diào)車平轉(zhuǎn)橋結(jié)構(gòu)

調(diào)車平轉(zhuǎn)橋整機(jī)設(shè)計長度約71.8 m，總重量約120 t。為便于組裝及運(yùn)輸，結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)置，設(shè)計時合理安排各部件的尺寸及重量。主要組成結(jié)構(gòu)有前引橋、C型梁平臺、接渣平臺、姿態(tài)調(diào)整平臺、中心回轉(zhuǎn)調(diào)頭平臺、后引橋及走行輪系等部件。主體結(jié)構(gòu)件采用Q355B材質(zhì)，連接銷軸采用40Cr材質(zhì)，走行輪采用鑄鋼件，以滿足強(qiáng)度、剛度和疲勞性要求，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TBM尾部調(diào)車平轉(zhuǎn)橋結(jié)構(gòu)(單位:mm)

前后引橋為了實現(xiàn)車輛上下接渣及調(diào)頭平臺而設(shè)置，其坡度可通過引橋兩側(cè)的斜拉絲杠來調(diào)整，保證坡度始終小于10‰，以滿足重載車輛爬坡需求。C型梁平臺兩側(cè)通過銷軸與TBM最后一節(jié)作業(yè)臺車相連接，為調(diào)車平轉(zhuǎn)橋提供前進(jìn)動力，保證調(diào)車平轉(zhuǎn)橋始終跟隨TBM連續(xù)行走。

中心回轉(zhuǎn)調(diào)頭平臺是設(shè)備的核心部件，可實現(xiàn)重載50t出渣車輛0°～180°的自動回轉(zhuǎn)調(diào)頭，同時滿足雙向行駛的輪胎式工程車通過需求，車輛調(diào)頭狀態(tài)如圖3a所示。該平臺包含回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)潤滑系統(tǒng)、限位保護(hù)系統(tǒng)以及警示報警系統(tǒng)等。其中回轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用直徑2m大承載系列軸承，驅(qū)動部分采用6級11 kW電機(jī)減速機(jī)。為滿足0～2 r/min的可調(diào)回轉(zhuǎn)速度，驅(qū)動系統(tǒng)采用變頻調(diào)速控制，同時配備電磁制動器，以保證回轉(zhuǎn)啟動和停止時的平穩(wěn)性。

接渣平臺可同時滿足兩輛車輛通過及停放，以實現(xiàn)出渣車輛運(yùn)輸和停放接渣兩個工序同時進(jìn)行，避免了隧道有限空間內(nèi)物流工序干涉。車輛接渣狀態(tài)如圖3b所示。

圖3 車輛調(diào)頭狀態(tài)及車輛接渣狀態(tài)

調(diào)車平轉(zhuǎn)橋整機(jī)共設(shè)置64組雙輪緣走行輪，輪組的設(shè)置需同時滿足輪壓承載、行走時不脫軌及整機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑90 m需要。走行輪采用間歇無壓潤滑，每個輪組均配備有壓注油杯和潤滑通道。根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，輪組布置方式為:C型梁平臺長度尺寸小，采用2輪布置；前引橋只通過小載荷的雙向行駛工程車，采用4輪布置；整機(jī)其余通行重載出渣車單元均布置8組行走輪。為滿足90 m轉(zhuǎn)彎半徑需求，輪組踏面寬度設(shè)計為220 mm，在通過最小曲線半徑時輪緣距軌道間距為12 mm，以保證整機(jī)在通過最小曲線時所有輪組均不啃軌，其通過性模擬如圖4所示。

圖4 調(diào)車平轉(zhuǎn)橋曲線通過性模擬狀態(tài)

4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分析

對于TBM尾部調(diào)車平轉(zhuǎn)橋而言，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件主要為接渣平臺、中心回轉(zhuǎn)調(diào)頭平臺以及輪組。接渣平臺的最大靜載荷為100 t，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度需滿足承載要求；中心回轉(zhuǎn)調(diào)頭平臺需滿足車輛重心偏載1 000 mm時的調(diào)頭可靠性，即偏載時其強(qiáng)度、剛度及抗傾覆性需同時滿足出渣車在回轉(zhuǎn)平臺上頻繁啟停帶來的沖擊疲勞要求；走行輪組需滿足所承重輪壓要求。

4.1 接渣平臺分析

4.1.1 結(jié)構(gòu)受力分析

當(dāng)兩輛滿載渣土車并排停在接渣平臺上時，接渣平臺所受載荷最大為100 t。接渣平臺所受載荷分布如圖5所示。對接渣平臺結(jié)構(gòu)建立三維模型，并添加固定約束和所受載荷進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果如表1所示，最大應(yīng)變?yōu)?.85 mm，最大應(yīng)力為109.7 MPa，接渣平臺所用材料為Q345B，屈服強(qiáng)度為345 MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求。

圖5 接渣平臺載荷分布

4.1.2 走行輪組輪壓計算

(1)滿載100 t時輪壓計算

當(dāng)兩輛渣土車分別停于接渣平臺，接渣平臺走行輪組車輪數(shù)n＝8，滿載渣土車重量為G，接渣平臺重為G1，則輪壓為:

可見，兩輛滿載渣土車同時停在接渣平臺時，其輪壓處于許用輪壓范圍內(nèi)，滿足實際工況需求。

(2)偏載50 t時偏載輪壓計算

當(dāng)一輛渣土車偏載停在接渣平臺上，偏載距離L1＝1 458.5 mm，此時走行輪組最大輪壓與最小輪壓分別為:

可見，一輛滿載渣土車偏載停在接渣平臺上時，走行輪組最大輪壓和最小輪壓均在許用輪壓范圍內(nèi)，滿足實際工況需求。

4.2 中心回轉(zhuǎn)調(diào)頭平臺受力分析

4.2.1 平臺結(jié)構(gòu)受力分析

滿載車輛偏心1 000 mm停在回轉(zhuǎn)調(diào)頭平臺上時為最不利工況，需對此工況下的平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和變形量分析，其強(qiáng)度需滿足材料屈服強(qiáng)度要求。為避免平臺受力變形后與底座結(jié)構(gòu)相互干涉，要求其變形量不能大于18 mm。其所受載荷分布如圖6所示，分析結(jié)果如表1所示，最大應(yīng)力為180 MPa，材料屈服強(qiáng)度為345 MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求；最大應(yīng)變?yōu)? mm，在回轉(zhuǎn)平臺的最外端，滿足設(shè)計變形量不大于18 mm的要求。

圖6 回轉(zhuǎn)調(diào)頭平臺偏載時載荷分布

表1 接渣平臺及回轉(zhuǎn)平臺應(yīng)力及應(yīng)變結(jié)果

4.2.2 回轉(zhuǎn)支承抗傾覆性分析

設(shè)計工況要求滿載車輛偏心1 000 mm內(nèi)調(diào)頭可靠，所以需分析滿載車輛在中心回轉(zhuǎn)調(diào)頭平臺回轉(zhuǎn)至90°的位置，且車輛重心與平臺中心偏心L＝1 000 mm時的抗傾覆性，此時為最不利工況。在該工況下，初選回轉(zhuǎn)支承型號為014.60.2000，需計算回轉(zhuǎn)支承承載角為45°時的當(dāng)量中心軸向力和當(dāng)量傾覆力矩，計算結(jié)果再與回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線圖進(jìn)行對比，然后判斷其抗傾覆性是否滿足要求。

回轉(zhuǎn)支承所受軸向力為滿載車輛的重力G，即軸向承載力為:

回轉(zhuǎn)支承的徑向承載力為:

回轉(zhuǎn)支承所受傾覆力矩為:

當(dāng)回轉(zhuǎn)支承承載角α＝45°時，當(dāng)量中心軸向力為:

回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量傾覆力矩為:

式中:n1為回轉(zhuǎn)安全系數(shù)，n1＝3；fs為回轉(zhuǎn)支承靜態(tài)工況下的安全系數(shù)，fs＝1.25。

圖7為回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線圖，承載角45°時的靜態(tài)當(dāng)量中心軸向力和當(dāng)量傾覆力矩(圖7中a點(diǎn))在靜態(tài)承載能力曲線之下。對比靜態(tài)承載能力曲線結(jié)果可知:承載角45°所對應(yīng)的當(dāng)量中心軸向力和當(dāng)量傾覆力矩均在靜態(tài)工況曲線下，即:回轉(zhuǎn)支承承載能力滿足重心偏載1 000 mm時的抗傾覆性要求。

圖7 回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線

4.2.3 回轉(zhuǎn)支承壽命校核

設(shè)計要求回轉(zhuǎn)支承的壽命需大于10萬次，所以需對其使用壽命進(jìn)行校核。

滿載車輛以最快速度5 km/h駛?cè)牖剞D(zhuǎn)調(diào)頭平臺，再減速停在回轉(zhuǎn)調(diào)頭平臺上進(jìn)行調(diào)頭，此工況下，滿載車輛的行程為7.7 m，回轉(zhuǎn)調(diào)頭平臺受到的荷載為滿載車輛重力G及減速沖擊動載荷Fr。

加速度為:

此時回轉(zhuǎn)支承受到的徑向力為:

回轉(zhuǎn)支承受到的軸向力為:

偏心L＝1 000 mm時，回轉(zhuǎn)支承受到的傾覆力矩為:

當(dāng)回轉(zhuǎn)支承承載角α＝45°時，回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量中心軸向力為:

回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量傾覆力矩為:

式中:fd為回轉(zhuǎn)支承動態(tài)工況下的安全系數(shù)，取fd＝1.5；n2為動態(tài)安全系數(shù)，取n2＝3。

比對結(jié)果顯示:45°承載角所對應(yīng)的當(dāng)量中心軸向力和當(dāng)量傾覆力矩(圖7中b點(diǎn))在動態(tài)承載能力曲線之下，即:回轉(zhuǎn)支承滿足動態(tài)工況下重心偏載1 000 mm時的抗傾覆性要求。

相比于傳統(tǒng)的滾動軸承，回轉(zhuǎn)支承壽命計算是依據(jù)回轉(zhuǎn)支承在帶載回轉(zhuǎn)運(yùn)行360°為整圈作為循環(huán)的基本單位，連續(xù)運(yùn)行30 000個工作循環(huán)試驗工況下，所統(tǒng)計樣品所能承受的最大負(fù)載而得出，即回轉(zhuǎn)支承壽命為:

式中:ε為壽命指數(shù)，回轉(zhuǎn)支承型號為014.60.2000，取球軸承ε＝3；Ma為圖7中原點(diǎn)至經(jīng)b點(diǎn)相交于動態(tài)承載能力曲線所對應(yīng)的傾覆力矩值，取Ma＝310×104N˙m。結(jié)果表明，最不利動態(tài)工況條件下，回轉(zhuǎn)支承壽命遠(yuǎn)大于設(shè)計要求壽命，滿足設(shè)計需求。

5 應(yīng)用效果

小曲線TBM隧道尾部調(diào)車平轉(zhuǎn)橋成功應(yīng)用于河北撫寧抽水蓄能電站項目交通洞和通風(fēng)洞的施工，解決了小曲線TBM隧道內(nèi)出渣和物流運(yùn)輸問題。該設(shè)備可快速實現(xiàn)洞內(nèi)車輛調(diào)頭，避免了不同工序物流組織的相互干涉。由于可以在接渣平臺上實現(xiàn)兩輛出渣車的連續(xù)接渣，相比于傳統(tǒng)的有軌車輛運(yùn)輸方式，至少提高一倍的出渣運(yùn)輸效率。調(diào)車平轉(zhuǎn)橋現(xiàn)場應(yīng)用效果如圖8所示。

圖8 調(diào)車平轉(zhuǎn)橋現(xiàn)場應(yīng)用

6 結(jié)論

為解決小曲線TBM隧道施工出渣車輛在洞內(nèi)有限空間快速調(diào)頭的難題，研制了與施工物流相匹配的TBM尾部調(diào)車平轉(zhuǎn)橋設(shè)備，能夠同時滿足出渣車輛的自動快速調(diào)頭和運(yùn)輸工程車的平穩(wěn)通行。該設(shè)備連接在TBM尾部，可以與TBM同步連續(xù)前進(jìn)，相比于采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣方式節(jié)省了大量的皮帶機(jī)費(fèi)用及轉(zhuǎn)接皮帶機(jī)工作量，同時極大地增加了洞內(nèi)運(yùn)輸能力，提高了運(yùn)輸及施工效率，對后續(xù)類似小曲線TBM施工出渣系統(tǒng)選擇提供有效參考。