大直徑盾構隧道預制襯砌吊運系統(tǒng)設計

摘" 要：為適應大直徑盾構隧道襯砌環(huán)管片和整體式預制箱涵件安全吊運拼裝的需求，解決目前管片吊機和箱涵吊機起重能力小、吊裝所需凈空尺寸大等問題，研制出一套管片吊運和整體式預制箱涵吊運設備，并應用于上海新建機場聯(lián)絡線2標工程。實踐表明，單管片吊機的吊運效率可以滿足盾構機的掘進需求，箱涵吊運設備可實現(xiàn)大尺寸、重載預制箱涵件在低凈空條件下安全抓取與快速吊運，為整體預制式箱涵的推廣應用提供裝備技術支撐。

關鍵詞：大直徑盾構隧道；管片吊運；整體式預制箱涵；低凈空抓??；快速吊運

中圖分類號：U45" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0115-04

Abstract： To meet the requirements of safe hoisting and assembly of lining ring segments and integral precast box culverts in large diameter shield tunnels， and to solve the problems of small lifting capacity and large clearance required for hoisting of segment cranes and box culvert cranes， a set of segment hoisting and integral prefabricated box culvert hoisting equipment has been developed and applied to the second bid project of Shanghai Airport tie Line. The practice shows that the lifting efficiency of the single segment crane can meet the tunneling needs of the shield machine， and the box culvert lifting equipment can realize the safe grasping and fast lifting of large-size and heavy-duty prefabricated box culverts under the condition of low headroom， which provides equipment and technical support for the popularization and application of the whole prefabricated box culvert.

Keywords： large diameter shield tunnel; segment hoisting; integral prefabricated box culvert; low headroom grasping; rapid lifting

盾構法施工過程中，掘進和預制件拼裝2個工序相互聯(lián)系、互相影響。掘進是盾構法隧道施工的主要工序，而要保證隧道的實際軸線和設計軸線相吻合，預制件吊運拼裝則必須確保已完成隧道的圓環(huán)拼裝質量，使隧道不漏水，地面不產生大的變形，這2個工序共同決定了施工的質量和進度[1-2]。目前，隧道管片都是采用預制成形，同步吊運拼裝，而大直徑隧道下部結構主要以中間箱涵預制+邊箱涵現(xiàn)澆成型為主，利用箱涵吊機對中間箱涵預制件進行同步拼裝施工，在盾構機施工成形后的隧道，采用現(xiàn)澆工藝進行邊側牛腿及行車道板施工[3]。該方法在揚州瘦西湖隧道、常德沅江隧道、長沙湘雅路過江隧道、杭州艮山東路過江隧道、北京東六環(huán)改造工程等典型隧道工程中大量應用[4-5]。

上海新建機場聯(lián)絡線工程隧道管片結構類似，箱涵底部采用單塊整體式預制箱涵件，具有結構尺寸大、負載重、吊運凈空低等特點。針對管片結構和整體式預制箱涵件的特點，設計一套采用齒輪齒條行走、電液混合驅動吊具、能夠滿足新型預制件的吊運拼裝系統(tǒng)，實現(xiàn)在狹小空間內對管片和整體式箱涵件的快速吊運拼裝，并依托上述工程驗證其安裝質量和可靠性，為我國盾構隧道整體式預制箱涵的推廣應用提供可靠的裝備技術保障。

1" 工程概況

上海新建機場聯(lián)絡線工程項目為單洞雙線隧道，襯砌環(huán)外徑13.6 m，內徑12.5 m，管片厚度550 mm，環(huán)寬2 m。襯砌采用通用楔形環(huán)，采用9分塊形式。襯砌環(huán)平均幅寬2.0 m，楔形量68 mm，采用雙面楔形；管片采用錯縫拼裝，襯砌環(huán)單塊最大重量約13 t，如圖1和圖2所示。

襯砌管片、底部箱涵、中隔墻及附屬構件均采用全預制設計。箱涵預制件尺寸為9 500 mm×2 000 mm×2 834 mm（長×寬×高），下部為圓弧形襯砌機構，中間掏空，預制箱涵件整體約重34 t。整體式預制箱涵件具有結構尺寸大，自重大的特點。結合隧道內有限的空間，如何安全且高效的搬運、拼裝箱涵件，這成為一個必須解決的工程難題。

2" 襯砌環(huán)管片與整體式預制箱涵吊運系統(tǒng)設計

2.1" 系統(tǒng)組成

襯砌環(huán)管片吊運與整體式預制箱涵吊運系統(tǒng)主要由安裝在盾構機后配套上的管片吊機和重載、低凈空箱涵吊機系統(tǒng)組成。

2.2" 管片吊機和箱涵吊機結構原理

管片吊機的結構原理：起升機構由安裝在橫移架上的4臺8 t電動葫蘆同時動作來完成起升、下放功能；通過2個橫移油缸調節(jié)管片起吊位置；使用機械式、油缸驅動的抓取夾對管片進行抓取和釋放；通過安裝在起升機構兩側的2個齒輪驅動管片吊機在裝有齒條的軌道上行走、運輸管片。

箱涵吊機采用4臺20 t電動葫蘆控制其上升和下降動作；采用液壓缸驅動控制其左右平移動作。箱涵吊具上設置減速電機、壓緊油缸和夾持油缸分別實現(xiàn)箱涵吊具±90°回轉、定位導向和安全夾持功能。為適應大坡度、小曲線等復雜工況，以及降低箱涵吊機溜車、爬坡抓持力不足、箱涵滑落等風險，對箱涵吊機行走驅動、箱涵吊具等進行針對性設計。

2.2.1" 行走驅動機構設計

為了同時解決箱涵吊機在大坡度、重載條件下穩(wěn)步行走和小曲線施工時行走驅動系統(tǒng)的浮動行走問題，降低其脫軌風險，針對性地將電機、驅動軸系和行走齒輪組成的部分通過鉸接軸、三點鉸接架與行走端梁進行柔性連接，再通過安裝在齒條側面的導向輪調整行走齒輪與齒條傳動間隙。該設計已成功應用于蕪湖城南過江隧道、長沙湘雅路過江隧道、北京東六環(huán)改造工程等多個超大直徑盾構機項目。

2.2.2" 整體式箱涵吊具設計

箱涵抓取機構主要由回轉驅動裝置、箱涵抓取裝置2部分組成。箱涵抓取裝置由C型托舉架、液壓頂緊裝置、液壓抓取夾等組成。C型托舉架從箱涵側面插入，利用液壓頂緊裝置將箱涵壓緊，防止箱涵件松動滑落。為進一步提高箱涵吊具的安全性，規(guī)避C型托舉架變形或壓緊油缸失效情況下箱涵滑落風險，增設液壓抓取夾從外側擋住箱涵件。

3" 主要受力結構件力學分析與仿真

為確保管片吊機和箱涵吊機的安全可靠性，分別采用理論計算和有限元分析法對主要受力構件進行強度校核。

3.1" 管片吊機和箱涵吊機靜力學強度校核

管片吊機和箱涵吊機應用于盾構機內，無風載，無特殊載荷，運行軌道平穩(wěn)結構強度依據(jù)GBT-3811—2008《起重機設計規(guī)范》，采用靜強度設計準則，即

根據(jù)實際工程情況，管片吊機和箱涵吊機應用于盾構機內，無風載，無特殊載荷，運行軌道平穩(wěn)。根據(jù)GBT-3811—2008《起重機設計規(guī)范》，適用于載荷組合I進行分析計算，主要受力構件均采用Q345鋼板或型鋼焊接而成，在壓彎模式下許用應力236 Mpa。整機結構形式類似于雙梁橋式起重機，行走軌道、行走梁、橫移架等關鍵構件以受彎或壓彎為主，扭轉可忽略不計，最大正應力用如下公式計算

3.1.1" 行走軌道計算應力

3.1.2" 左右側行走梁計算應力

3.1.3" 前后橫梁計算應力

3.1.4" 起升橫移架計算應力

3.1.5" C型箱涵抓取夾的計算應力

3.2" 模態(tài)分析

管片吊機與箱涵吊機均采用4個電動鋼絲繩葫蘆起吊。鋼絲繩葫蘆均通過螺栓底板安裝在起升橫移架上。對起升橫移架作模態(tài)分析，分析其前14階固有頻率表（表2）。

由表2可知，其1階固有頻率為56.7 Hz，遠高于其實際工作頻率（不大于2 Hz）。因此結構在實際使用過程中，不會因發(fā)生共振而導致結構失效。

其中1—3階振型主要由3根主梁的1階振型組合而成。1—3階振型區(qū)別由3根主梁振動的相位引起。4—6階由梁的側向彎曲與板的扭曲構成。主梁與板的振型都還是1階振型。7—8階振型則由梁的二次彎曲振型與板的二次彎扭振型組合而成。

3.3" 瞬態(tài)動力學分析

電動葫蘆為變頻電機啟動，其速度有0.8 m/min與5 m/min兩檔。在實際起吊過程中，可以看作是勻加速到指定速度后勻速起升。當以5 m/min高速檔啟動時，經(jīng)過3 s的勻加速后勻速上升。對該勻加速起升過程作瞬態(tài)動力分析。采用模態(tài)疊加法，求0～3 s勻加速過程中橫移架瞬態(tài)響應。求得橫移架最大位移與應力變化如圖3與圖4所示。

由圖2與圖3可知，勻加速起升時橫移架最大應力不超過105 MPa，最大變形不超過1.65 mm。符合GBT-3811—2008《起重機設計規(guī)范》要求。

4" 工程應用

依托上海新建機場聯(lián)絡線2標工程對單管片吊機和整體式預制箱涵吊運設備進行工程應用。

目前盾構機已完成2 km掘進，管片吊運系統(tǒng)已經(jīng)累計完成了10 000塊管片的吊運，管片輸送時間能夠滿足盾構機的掘進效率；箱涵吊運系統(tǒng)累計完成1 000塊箱涵件的吊運和拼裝。箱涵吊機一次卸載吊運時間約為30 min。

5" 結論

本文依托實際工程項目，基于機械設計與結構分析、運動學虛擬仿真等多學科技術，設計出管片吊運系統(tǒng)和整體式預制箱涵吊運設備，通過有限元分析驗證了設備的可靠性與高效性。

1）采用管片吊機和整體式預制箱涵吊運設備組合的運作方式，可以實現(xiàn)管片和箱涵快速吊運、拼裝，吊運和拼裝時間能夠滿足工程需求。

2）開發(fā)整體式預制箱涵吊運設備的技術路線是可靠的，能夠有效地在復雜盾構隧道環(huán)境下實現(xiàn)快速施工的要求，避免了在盾構機后方大量現(xiàn)澆混凝土產生的環(huán)境污染。

3）結構件的設計依照GBT-3811—2008《起重機設計規(guī)范》進行，采用理論計算與有限元模擬相結合。均驗證了結構強度可以滿足大尺寸大重量整體預制箱涵件的承載。

4）有限元分析模型與實際結果對比表明，相差較小，說明本裝備在滿足狹小空間布置要求的前提下進行適當輕量化設計是可行的。

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