特殊工況下土壓平衡盾構(gòu)機(jī)連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

徐耀斌（上海隧道工程有限公司，上海 200032）

盾構(gòu)機(jī)是一種使用盾構(gòu)法隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，可分為手掘式、半機(jī)械式以及機(jī)械式這三大類?，F(xiàn)代機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)集光、電、液、傳感、控制于一體，主要分為泥水平衡盾構(gòu)、土壓平衡盾構(gòu)、全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine，TBM）等形式，對(duì)城市地下鐵道、上下水道、電力通訊、市政公用設(shè)施等隧道建設(shè)帶來諸多便利。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測(cè)量導(dǎo)向糾偏等功能。其基本結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，主要由刀盤、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、盾體、管片拼裝機(jī)、螺旋機(jī)、皮帶機(jī)、管片儲(chǔ)運(yùn)機(jī)構(gòu)、連接機(jī)構(gòu)、工作平臺(tái)、后續(xù)配套車架等組成。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的基本原理：由刀盤切削土層，切削后的泥土進(jìn)入土腔，土腔內(nèi)的泥土與開挖面壓力取得平衡的同時(shí)由土腔內(nèi)的螺旋輸送機(jī)出土，裝于排土口的排土裝置在出土量與推進(jìn)量取得平衡的狀態(tài)下，進(jìn)行連續(xù)出土。

圖1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)基本結(jié)構(gòu)

連接機(jī)構(gòu)連接的是盾構(gòu)主體以及后續(xù)的配套車架，其最主要的作用就是傳遞推進(jìn)油缸的推進(jìn)力來牽引后續(xù)的配套車架，除此之外，連接機(jī)構(gòu)還承擔(dān)著盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎；預(yù)留行人、管線通道；預(yù)留“口”子件翻身、鋪設(shè)位置；車架軌道鋪設(shè)位置等作用。

一般連接機(jī)構(gòu)的類型有牽引梁、牽引橋架、牽引車架這三種，根據(jù)其不同的形式而得名。牽引梁為兩側(cè)單獨(dú)的梁形式，所占用的空間最小，最為靈活；牽引橋架則是懸空的橋架結(jié)構(gòu)，橋架整體結(jié)構(gòu)較為強(qiáng)壯，其上面所能利用的空間也較多；而牽引車架則是輪子落地的結(jié)構(gòu)形式，受力情況最好，連接機(jī)構(gòu)上所能利用的空間也最多。

1 項(xiàng)目技術(shù)難點(diǎn)

本項(xiàng)目依托于上海市龍水南路越江隧道工程，采用的是Φ11660 mm 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，最大坡度為 5.9%。該土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有三大難點(diǎn)：

（1）出洞時(shí)在加固區(qū)便面臨 400 m 的轉(zhuǎn)彎半徑，轉(zhuǎn)彎半徑小，對(duì)于通過性提出了高要求；

（2）始發(fā)時(shí)，后續(xù)車架軸線與盾構(gòu)主機(jī)軸線存在最大 1130 mm 的高差，需要通過連接機(jī)構(gòu)來過渡掉這部分高差。

（3）本項(xiàng)目由于采用地面出入式盾構(gòu)法（Ground Penetrating Shield Technology，GPST）進(jìn)行進(jìn)洞，施工過程中需要穿越淺覆土、超淺覆土等各種復(fù)雜多變的工況，需設(shè)計(jì)管片穩(wěn)定機(jī)構(gòu)。針對(duì)在零覆土、超淺覆土工況下，管片自立性差、結(jié)構(gòu)易變形的問題，設(shè)計(jì)管片支撐裝置對(duì)管片的變形進(jìn)行限制，將管片變形控制在合理范圍內(nèi)。管片穩(wěn)定裝置位于連接結(jié)構(gòu)前部，需要對(duì)其加以設(shè)計(jì)排布。

2 連接機(jī)構(gòu)方案排布設(shè)計(jì)與確定

首先，連接機(jī)構(gòu)的總長(zhǎng)可由皮帶機(jī)確定，根據(jù)皮帶機(jī)的高差 △h=3448mm以及傾斜角度 α=12°，可得連接機(jī)構(gòu)的總長(zhǎng) s 如式（1）所示。

根據(jù)傳統(tǒng)連接機(jī)構(gòu)的方式以及為滿足管片穩(wěn)定裝置的結(jié)構(gòu)需求，排布了兩個(gè)方案：方案一：牽引梁內(nèi)穿管片穩(wěn)定裝置；方案二：管片穩(wěn)定裝置和牽引車架做為一體。

其中方案一牽引梁內(nèi)穿管片穩(wěn)定裝置中，管片穩(wěn)定裝置與牽引梁都為拼裝平臺(tái)獨(dú)立牽引，管片穩(wěn)定裝置因?yàn)槭艿街芟虻耐翂毫Γ杪涞?；而牽引梁為懸空?nèi)穿管片穩(wěn)定裝置，管片穩(wěn)定裝置與牽引梁之間會(huì)有相對(duì)移動(dòng)，工程始發(fā)時(shí)的最大 1130 mm 高差使得牽引梁的行人以及管路通過性難以保證。

而方案二使用牽引車架的方案，則在始發(fā)階段，因存在1130 mm 高差且前方底部軌道難以鋪設(shè)，導(dǎo)致整節(jié)牽引車架在始發(fā)階段難以落地，且不利于保證 400 mm 的最小轉(zhuǎn)彎半徑。

分析方案一和方案二兩種較為傳統(tǒng)的連接機(jī)構(gòu)方式在此項(xiàng)目中的優(yōu)劣勢(shì)，為了同時(shí)滿足前部管片穩(wěn)定裝置的落地要求以及始發(fā)時(shí)存在的最大 1130 mm 高差。綜合方案一和方案二，把整個(gè)連接機(jī)構(gòu)做前后的分段式設(shè)計(jì)，初步為此特殊工況設(shè)計(jì)確定出連接機(jī)構(gòu)方案，其中前部為了滿足管片穩(wěn)定裝置的受力情況，做牽引車架的形式，五環(huán)管片穩(wěn)定裝置做可拆式設(shè)計(jì)，總長(zhǎng)為 6585 mm，牽引車架整體斜輪落地，受拼裝平臺(tái)單側(cè)油缸單側(cè)拉桿牽引；后部則為了保證通過性以及靈活性，做牽引梁設(shè)計(jì)，軸向距離為 8725 mm，其中牽引梁的前后連接結(jié)構(gòu)因?yàn)槭及l(fā)井中存在 1130 mm 較大高差需做特殊設(shè)計(jì)。

3 牽引梁的設(shè)計(jì)校核與計(jì)算

首先，先在 CAD 中排布一下牽引梁的邊界條件：① 排布一下牽引梁在 400 m 最小轉(zhuǎn)彎半徑時(shí)所需要的轉(zhuǎn)角以及牽引油缸所需要的行程。可知（牽引梁可借鑒車架長(zhǎng)度），400 m 最小轉(zhuǎn)彎半徑時(shí)所需要的轉(zhuǎn)角 ＜ 2°，牽引油缸所需要的單邊行程 ＜160 mm，即牽引油缸需要的行程為320 mm。② 根據(jù)在始發(fā)井中存在的最大 1130 mm 的高差，可知，倘若正常推進(jìn)狀態(tài)為水平一軸線的情況，則在始發(fā)最大高差 1130 mm時(shí)，牽引梁的傾角θ如式（2）所示。

為了避免過大的傾角，故把牽引梁正常推進(jìn)狀態(tài)下設(shè)計(jì)為帶有一定傾角的形式。設(shè)計(jì)始發(fā)最大高差時(shí)牽引梁的傾角為 5°，可得，在正常推進(jìn)狀態(tài)下牽引梁的傾角為 2.4°。始發(fā)時(shí)牽引梁最大傾角 5°。

根據(jù)牽引梁軸向長(zhǎng)度為 8725 mm 以及正常推進(jìn)情況下牽引梁的傾角為 2.4°，可以計(jì)算出牽引梁總長(zhǎng) L 如下式（3）所示。

常規(guī)牽引梁的連接結(jié)構(gòu)，單邊用牽引油缸加關(guān)節(jié)軸承的滑槽式設(shè)計(jì)，牽引油缸的伸縮行程以滿足轉(zhuǎn)彎時(shí)候兩條牽引梁之間的長(zhǎng)度差，底部做半圓形滑動(dòng)裝置支撐住牽引梁使油缸不受徑向力，兩側(cè)槽鋼進(jìn)行左右限位，以滿足轉(zhuǎn)彎時(shí)候的要求，油缸里套有關(guān)節(jié)軸承可滿足上下坡時(shí)候上下轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度；另一邊無牽引油缸，采用銷軸結(jié)構(gòu)；但是此設(shè)計(jì)不可滿足本工程中存在的較大高差的情況。

故為滿足龍水南路特殊工況，設(shè)計(jì)有如圖 2 所示的牽引梁連接結(jié)構(gòu)，取消螺栓連接的形式，分別設(shè)計(jì)為上下鉸接和左右鉸接的耳座形式分別與前端的牽引橋架以及后端的車架進(jìn)行連接。對(duì)于單邊有牽引油缸連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：首先，限制原來滑槽結(jié)構(gòu)上下轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，使?fàn)恳涸谏舷罗D(zhuǎn)動(dòng)的過程中不讓牽引油缸受到徑向力；其次，在原來結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)可以上下轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸接以滿足上下轉(zhuǎn)動(dòng)的角度要求，并在耳座中間設(shè)計(jì)有關(guān)節(jié)軸承，使其能夠滿足轉(zhuǎn)彎時(shí)候的角度。對(duì)于另一邊沒有牽引油缸連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，則是設(shè)計(jì)有左右鉸接的耳座，耳座中同樣是設(shè)計(jì)有關(guān)節(jié)軸承，以滿足最大為 5° 的轉(zhuǎn)動(dòng)，且此處左右鉸座的設(shè)計(jì)可以完成對(duì)于牽引梁上下鉸機(jī)械限位的要求。

圖2 龍水南路牽引梁的連接結(jié)構(gòu)

在完成連接結(jié)構(gòu)的初步預(yù)想設(shè)計(jì)，需對(duì)于前后連接處的牽引油缸、關(guān)節(jié)軸承、銷軸、耳座結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型、計(jì)算與校核。

① 牽引油缸：牽引油缸的行程根據(jù)最小轉(zhuǎn)彎半徑選用320 mm；還需校核牽引油缸的牽引力，后續(xù)四節(jié)車架總重約為 400 t，綜合坡度、摩擦系數(shù)、過臺(tái)階的情況以及放安全系數(shù)，取綜合拉力系數(shù)為 μ=0.3，F(xiàn)= μ×G=0.3×400=120 t。則單邊牽引油缸拉力需 60 t，根據(jù)油缸壓力以及截面積校核，如式（4）所示。

故校核通過。

② 關(guān)節(jié)軸承：關(guān)節(jié)軸承的選型需綜合考慮所受載荷以及轉(zhuǎn)動(dòng)角度，根據(jù)所受載荷 60 t 以及最大轉(zhuǎn)角為 5°，選用 GE100ES 的潤(rùn)滑型向心關(guān)節(jié)軸承，其額定動(dòng)載荷為607 kN，最大轉(zhuǎn)角為 6°。

③ 銷軸：銷軸需校核其所受剪力，根據(jù)所選用的關(guān)節(jié)軸承，其直徑 d=100 mm，校核其剪力如（5）所示。

故校核通過。

④ 耳座結(jié)構(gòu)：耳座的結(jié)構(gòu)做機(jī)械限位設(shè)計(jì)，需校核機(jī)械限位的角度是否滿足最大轉(zhuǎn)角5°。耳座的最遠(yuǎn)處到軸心的距離為 150 mm，而耳座兩邊間隙留的各位 15 mm，通過軸套去做軸向定位，校核機(jī)械限位的角度，如式（6）所示。

故校核通過。

最后完成對(duì)于牽引梁的整體設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語

本文依托于上海市龍水南路越江隧道工程的特殊工況，因傳統(tǒng)連接機(jī)構(gòu)形式的各種局限性，對(duì)于 Φ11660 mm 的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)提出并采用了全新的分段式連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。除此之外，因?yàn)榫哂泻币姼卟畹氖及l(fā)井結(jié)構(gòu)，對(duì)于牽引梁的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)與校核。新式的牽引梁連接結(jié)構(gòu)還具備進(jìn)一步的改造潛力，以滿足更大角度轉(zhuǎn)動(dòng)、更大載荷牽引的能力，對(duì)于擁有各自由度重載懸臂鉸接的連接結(jié)構(gòu)具備一定的借鑒意義。