特大斷面矩形隧道掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
——結(jié)合嘉興市長水路下穿南湖大道項(xiàng)目

賈連輝， 諶文濤， 范 磊， 袁 征

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

矩形頂管工法以其斷面利用率高、空間適應(yīng)性強(qiáng)、施工成本低以及環(huán)境友好等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于城市下穿隧道、地下綜合管廊、地下停車場等地下空間開發(fā)工程中[1]。矩形掘進(jìn)機(jī)最早于20世紀(jì)70年代應(yīng)用于日本，涉及地下鐵道區(qū)間、車站及地下綜合管廊等工程，斷面尺寸范圍為2.10 m×2.10 m～11.96 m×8.24 m，其中最大斷面應(yīng)用于2011年的東京相模縱貫川尻隧道工程。自2005年以來，隨著矩形頂管施工的不斷深入，國內(nèi)逐漸具備矩形掘進(jìn)機(jī)自主設(shè)計(jì)、生產(chǎn)能力，設(shè)備斷面尺寸為2.2 m×2.2 m～10.42 m×7.57 m，其中最大斷面掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用于2016年的天津下穿黑牛城道項(xiàng)目[2-4]。

依據(jù)國際隧道協(xié)會(ITA)對隧道橫斷面的劃分標(biāo)準(zhǔn)，開挖斷面面積50～100 m2的為大斷面隧道，面積大于100 m2的為特大斷面隧道。目前，國內(nèi)外在大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)及應(yīng)用領(lǐng)域已基本成熟，見表1，但特大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)尚無案例。

隨著我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的深入推進(jìn)，大跨度城市地下空間建設(shè)需求逐漸增多。在城市下穿隧道建設(shè)領(lǐng)域，由于受設(shè)備限制，隧道頂管法施工多局限于雙車道[5]，而城市主干道路多為3車道及以上，因此，研制出適用于下穿城市主干道路的特大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)，對促進(jìn)城市快速路網(wǎng)等交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有重要意義。

表1 國內(nèi)外矩形掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用典型案例

應(yīng)用于3車道的矩形隧道掘進(jìn)機(jī)，斷面跨度達(dá)到15 m級，相較于10 m級大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)，橫向跨度尺寸增加50%，斷面面積增加100%，設(shè)備面臨開挖系統(tǒng)、盾體、出渣等關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題。同時，在施工過程中，特大斷面主機(jī)易產(chǎn)生背土、姿態(tài)偏離以及滾轉(zhuǎn)等問題，影響掘進(jìn)沉降及姿態(tài)控制[6]。目前，矩形掘進(jìn)機(jī)工法及設(shè)備理論研究主要基于大斷面矩形隧道施工項(xiàng)目，如頂管施工擾動引起的地表沉降對周圍構(gòu)筑物影響，頂力計(jì)算，土體改良技術(shù)，減摩技術(shù)，背土效應(yīng)等[7-8]；設(shè)備方面，許有俊等[9]對矩形頂管多刀盤轉(zhuǎn)矩進(jìn)行理論與工程應(yīng)用對比分析；因此，對于特大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)的(15 m級)研制及應(yīng)用尚處于空白。

本文依托嘉興市長水路下穿南湖大道項(xiàng)目，對特大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)整機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探究。

1 依托工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于嘉興市快速環(huán)線南段——長水路下穿南湖大道暗挖段，頂管隧道長度為100.5 m，縱坡5‰，為雙向6車道設(shè)計(jì)。隧道橫斷面尺寸為14.8 m×9.426 m，相鄰隧道間距1.2 m(見圖1)，穿越地質(zhì)為素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，覆土厚度為5.68～6.54 m。

圖1 隧道橫斷面設(shè)計(jì)(單位： m)

1.2 基本橫斷面分析

頂管管節(jié)寬度越大，發(fā)生整體背土效應(yīng)破壞的頂程越短[6]。特大斷面矩形隧道斷面設(shè)計(jì)時，在滿足隧道限界的前提下，為防止淺覆土背土效應(yīng)、減小頂推力、降低管片質(zhì)量以及增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，一般需要對矩形斷面采用上下起拱的設(shè)計(jì)。根據(jù)地下道路機(jī)動車道規(guī)范要求以及現(xiàn)行《城市地下道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，取3車道隧道寬度B=13 m，高度H=5.2 m，如圖2所示。隧道起拱及圓角尺寸滿足式(1)：

(1)

式中：R′為頂部圓拱半徑；B為內(nèi)輪廓凈寬；δ為矢跨比，取0.14[10]。

圖2 斷面內(nèi)輪廓尺寸

2 矩形掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 開挖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 刀盤分布及分組控制技術(shù)

2.1.1.1 多刀盤分布設(shè)計(jì)方法

矩形掘進(jìn)機(jī)通常采用中心回轉(zhuǎn)式以及偏心擺動式組合刀盤，其中中心回轉(zhuǎn)式刀盤適用于管線情況較復(fù)雜、沉降量要求控制嚴(yán)格的隧道工程，多應(yīng)用于軟土、砂卵石地層[11]。根據(jù)該項(xiàng)目地質(zhì)、覆土以及地下管線分布情況，選擇中心回轉(zhuǎn)式刀盤。依據(jù)現(xiàn)有大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)的中心回轉(zhuǎn)式刀盤分布設(shè)計(jì)，不同長寬比刀盤分布形式通常設(shè)置為3前3后或3前4后等，但對于特大斷面(123 m2)中心回轉(zhuǎn)式刀盤開挖系統(tǒng)的刀盤分布形式目前尚無案例。

特大斷面開挖系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要面臨大跨度下左右土艙壓力不平衡以及掌子面失穩(wěn)等問題。開挖系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要在保證斷面開挖率的前提下，提高渣土流動性以及掌子面穩(wěn)定性。對于本項(xiàng)目的矩形斷面(上下起拱帶圓角)，采用目前世界上已有的刀盤布置擬合分布法無法滿足設(shè)計(jì)要求。為得到適用于本項(xiàng)目斷面的最優(yōu)刀盤分布形式，根據(jù)刀盤分布控制參數(shù)建立邊界條件，采用迭代算法利用MATLAB進(jìn)行求解。刀盤分布控制參數(shù)見表2。

表2 刀盤分布控制參數(shù)

刀盤分布邊界條件為：

n={10，11,12，...，16}；

(2)

(3)

(4)

(5)

R，r=(1,1.1,1.2,...4.9,5)；

(6)

(7)

該計(jì)算模型設(shè)定刀盤數(shù)量n(10～16)依次進(jìn)行迭代，其中，刀盤中心坐標(biāo)位置保證刀盤輪廓在開挖輪廓內(nèi)，刀盤半徑取值范圍為1 000～5 000 mm，前刀盤驅(qū)動軸直徑保證與后刀盤輪廓無干涉；為保證姿態(tài)平衡，刀盤為左右對稱布置形式。依據(jù)上述條件，利用MATLAB以開挖率δ′最大為最優(yōu)解進(jìn)行迭代計(jì)算，其中刀盤中心坐標(biāo)迭代間隔為200 mm，刀盤半徑迭代間隔為100 mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，11刀盤方案(見圖3)及14刀盤方案(見圖4)開挖率能夠達(dá)到89%。對2種方案進(jìn)行分析比對，為滿足盾體分塊以及渣土流動性要求，選取14刀盤開挖形式，其中1—8號為后刀盤，9—14號為前刀盤，刀盤分布見圖5。

圖3 11刀盤分布形式

圖4 14刀盤分布形式

刀盤設(shè)計(jì)模擬參數(shù)見表3。刀具根據(jù)項(xiàng)目地質(zhì)情況采用切刀+魚尾刀形式。

刀盤整體開挖率為89%，渣土攪拌率為70%，滿足大跨度開挖率及渣土流動性需求；前后刀盤交錯成列布置形成5條向下的渣土流動通道(見圖6)，并結(jié)合三螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)保證渣土流動性；此外，9—14號前部大刀盤對大跨度掌子面具有支撐作用，保證其穩(wěn)定性。

圖5 刀盤分布圖

表3 刀盤設(shè)計(jì)模擬參數(shù)

圖6 開挖系統(tǒng)渣土流動通道

2.1.1.2 多刀盤協(xié)同控制方法

相較于圓形掘進(jìn)機(jī)，多刀盤開挖系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)矩不平衡，容易造成特大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)偏轉(zhuǎn)。為保證刀盤轉(zhuǎn)矩平衡，減少姿態(tài)偏轉(zhuǎn)，需對刀盤進(jìn)行分組控制。多電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制一直是運(yùn)動控制研究領(lǐng)域的重要課題，被廣泛應(yīng)用于制造與生產(chǎn)過程中的自動化控制系統(tǒng)中[12]。矩形掘進(jìn)機(jī)刀盤在正常開挖頂進(jìn)過程中，需要保證同組對稱刀盤轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相反；當(dāng)遇到特殊地質(zhì)時，根據(jù)轉(zhuǎn)矩反饋對同組刀盤進(jìn)行轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩調(diào)整，防止轉(zhuǎn)矩不平衡造成主機(jī)滾轉(zhuǎn)。根據(jù)上述矩形掘進(jìn)機(jī)刀盤控制要求開發(fā)多刀盤協(xié)同控制系統(tǒng)，多刀盤分組控制方法見圖7?，F(xiàn)場應(yīng)用過程中，左、右兩側(cè)轉(zhuǎn)矩波動控制在10%以內(nèi)，有效地控制了主機(jī)姿態(tài)滾轉(zhuǎn)，降低了對地層的擾動。

P1、P2為各電機(jī)驅(qū)動單元之間的誤差補(bǔ)償控制器。

2.1.2 多刀盤驅(qū)動轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法

2.1.2.1 單刀盤驅(qū)動轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法

通常，掘進(jìn)機(jī)刀盤的轉(zhuǎn)矩計(jì)算參考日本盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建議的土壓平衡式盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)矩經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式

T=αD3[13]。

(8)

式中：T為刀盤總轉(zhuǎn)矩；α為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，α=α1α2α3(其中，α1為支撐系數(shù)，α2為土質(zhì)系數(shù)，α3為穩(wěn)定掘削轉(zhuǎn)矩系數(shù))；D為刀盤直徑。

2.1.2.2 多刀盤驅(qū)動轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法及優(yōu)化

范磊等[14]對組合刀盤進(jìn)行回歸分析，得到多刀盤轉(zhuǎn)矩系數(shù)計(jì)算公式

α=-14×D+42+α[1-(1-D/2)/h′]。

(9)

式中h′為刀盤深度。根據(jù)該計(jì)算公式對表3的5種直徑的刀盤進(jìn)行計(jì)算，得到實(shí)際轉(zhuǎn)矩與理論轉(zhuǎn)矩偏差，如圖8所示。

由圖8可知，1—8號刀盤偏差較為明顯，且均為后刀盤。根據(jù)刀盤開挖工況，當(dāng)前刀盤開挖完成之后，由于前、后刀盤存在開挖重疊區(qū)(見圖9)，后刀盤開挖面比理論小，因此引入后刀盤重疊率對后刀盤轉(zhuǎn)矩進(jìn)行修正計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，刀盤重疊率λ見表4。

圖8 刀盤轉(zhuǎn)矩偏差

圖9 前后刀盤重疊示意圖

表4 刀盤重疊率

對1—8號刀盤，在原有公式基礎(chǔ)上乘以重疊率影響系數(shù)，則

α=-14×D+42+α[1-(1-D/2)/h′](1-λ)。

(10)

刀盤轉(zhuǎn)矩優(yōu)化后，對轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步比對，如圖10所示。

圖10 刀盤轉(zhuǎn)矩優(yōu)化后的偏差

由圖10可知，在引入重疊率后1—8號后刀盤轉(zhuǎn)矩計(jì)算偏差率在10%以內(nèi)。由此可見，重疊率與后刀盤轉(zhuǎn)矩相關(guān)性較高。因此，前后組合式多刀盤轉(zhuǎn)矩計(jì)算可參照轉(zhuǎn)矩系數(shù)修正后的式(8)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 大跨度盾體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

盾體結(jié)構(gòu)對已挖掘但尚未襯砌的隧道段起臨時支護(hù)作用。對于超淺覆土工況，特大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)盾體所受載荷除周圍土層的水土壓力及地面載荷壓力外，還需考慮項(xiàng)目地層的承載力，見圖11。

圖11 盾體受力示意圖

2.2.1 大跨度盾體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用梁-彈簧模型[15]計(jì)算可知，特大斷面矩形上部所受彎矩較大。為優(yōu)化盾體整體受力結(jié)構(gòu)，同時考慮加工及運(yùn)輸要求，采用左、中、右分塊方式，見圖12。

圖12 盾體分塊示意圖

2.2.2 基于敏感度的盾體輕量化設(shè)計(jì)

為避免主機(jī)質(zhì)量過大導(dǎo)致掘進(jìn)栽頭現(xiàn)象，盾體設(shè)計(jì)不僅要滿足結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、變形方面的嚴(yán)格要求，而且需要實(shí)現(xiàn)一定程度的輕量化[16]。本文采用基于敏感度的輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)，根據(jù)各個參數(shù)的靈敏度大小，最終選取靈敏度較高的若干參數(shù)作為輕量化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量，從而對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[17]。選取目標(biāo)函數(shù)為結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和質(zhì)量，參數(shù)為鋼板的厚度。由于結(jié)構(gòu)質(zhì)量的靈敏度與結(jié)構(gòu)體積的靈敏度呈正相關(guān)，而體積大小可由各個設(shè)計(jì)變量決定，因此根據(jù)盾體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取對主機(jī)質(zhì)量敏感度較高的影響參數(shù)，包括殼體厚度、隔板厚度、環(huán)向筋板厚度。前中盾結(jié)構(gòu)多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量如表5所示。

表5 前中盾結(jié)構(gòu)多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量

以前中盾結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力和質(zhì)量最小化作為目標(biāo)函數(shù)，對以上參數(shù)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，得到殼體厚度、隔板厚度、環(huán)向筋板厚度優(yōu)化目標(biāo)值,見表6。

表6 前中盾結(jié)構(gòu)多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化的最優(yōu)解

為驗(yàn)證前中盾結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的有效性，根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化得出的最優(yōu)值，對鋼板厚度重新賦值，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量比原先總量減輕了39 480 kg，占原始設(shè)計(jì)方案質(zhì)量的9%。隨后對賦值后的模型進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如圖13和圖14所示。

圖13 尺寸優(yōu)化后的前中盾結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖(單位: MPa)

圖14 尺寸優(yōu)化后的前中盾結(jié)構(gòu)總變形云圖(單位: mm)

前中盾盾體為Q355B鋼板焊接組對的大型結(jié)構(gòu)件，分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)所承受應(yīng)力主要在145 MPa以下，其最大應(yīng)力發(fā)生在盾體內(nèi)部鋼板連接的支撐筋處，最大值為249.12 MPa。該結(jié)構(gòu)變形量最大處發(fā)生在前隔板中間位置，變形量滿足刀盤的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。上述分析結(jié)果說明，選擇合理的優(yōu)化參數(shù)，在保證前中盾結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)要求的前提下，前中盾結(jié)構(gòu)質(zhì)量得到了合理的分配，實(shí)現(xiàn)了輕量化。

2.3 掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)及沉降控制

2.3.1 多螺旋輸送機(jī)出渣方式對主機(jī)姿態(tài)的影響

主動鉸接盾構(gòu)姿態(tài)通常由鉸接油缸和推進(jìn)油缸共同控制[18]，土艙壓力調(diào)節(jié)通過頂推系統(tǒng)與螺旋輸送機(jī)相互協(xié)同進(jìn)行控制。對于特大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)，如果采用常規(guī)的單個螺旋輸送機(jī)很難滿足出渣要求，需采用多臺螺旋輸送機(jī)聯(lián)合控制出渣，但多臺螺旋輸送機(jī)不同的出渣效率會對土艙的壓力均衡性產(chǎn)生影響，進(jìn)而造成大斷面掌子面的局部失穩(wěn)沉降以及掘進(jìn)機(jī)主機(jī)姿態(tài)發(fā)生偏離，見圖15。

圖15 邊側(cè)螺旋輸送機(jī)出渣速度對掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)影響示意圖

2.3.2 大跨度土壓控制與鉸接系統(tǒng)協(xié)同糾偏技術(shù)

為保持大跨度土艙壓力平衡，防止掌子面失穩(wěn)、姿態(tài)發(fā)生偏離，開發(fā)多螺旋輸送機(jī)自動控制系統(tǒng)，將計(jì)算機(jī)控制器與PLC進(jìn)行結(jié)合，為多螺旋輸送機(jī)出渣提供一種新的控制方法。同時，為實(shí)時掌握土艙各部位壓力，給螺旋輸送機(jī)控制提供輸入?yún)?shù)，在土艙隔板上中下、左中右位置布置19個土壓傳感器，其分布位置如圖16所示。

圖16 壓力傳感器布置圖

上位機(jī)通過OPC通訊協(xié)議與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，控制器采集土艙壓力分布、各螺旋輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)等發(fā)送到上位機(jī)；上位機(jī)將優(yōu)化運(yùn)算后的參數(shù)發(fā)給控制器；然后，控制器完成對多螺旋輸送機(jī)的控制。通過多螺旋輸送機(jī)的協(xié)調(diào)控制，減小同等高度下各部位土艙壓力差及壓力波動，完成左右及上下土艙壓力實(shí)時、精準(zhǔn)控制。多螺旋輸送機(jī)控制框如圖17所示。

圖17 多螺旋輸送機(jī)控制框

基于以上控制模式，提出了一種針對大跨度斷面的土壓與鉸接系統(tǒng)協(xié)同糾偏技術(shù)。當(dāng)主機(jī)姿態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，通過控制單側(cè)螺旋輸送機(jī)出渣速度控制單側(cè)土壓，并結(jié)合糾偏系統(tǒng)進(jìn)行糾偏。

項(xiàng)目左線施工過程中，經(jīng)過姿態(tài)復(fù)測，主機(jī)頂進(jìn)至第30環(huán)時向左偏移40 mm，將左側(cè)螺旋輸送機(jī)出渣效率調(diào)整為40 m3/h，右側(cè)螺機(jī)出渣效率為10 m3/h，左右側(cè)初始鉸接行程為40 mm(見圖18和圖19)。采用該糾偏模式，左側(cè)鉸接推力下降，行程逐漸增長(見圖18)，右側(cè)鉸接推力及行程保持穩(wěn)定(見圖19)，在2 h之內(nèi)達(dá)到預(yù)定的糾偏行程，糾偏效果明顯。

圖18 出渣速度為40 m3/h時鉸接系統(tǒng)響應(yīng)情況

圖19 出渣速度為10 m3/h時鉸接系統(tǒng)響應(yīng)情況

3 工程應(yīng)用與優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 工程應(yīng)用情況

項(xiàng)目在施工掘進(jìn)過程中，實(shí)測上、中、下土艙壓力平均維持在70、135、175 kPa，如圖20所示。同時，螺旋輸送機(jī)的協(xié)調(diào)控制也較好地保持了左、右土艙渣土壓力的均衡性，使其基本保持一致。

以南、北線隧道里程中點(diǎn)為地表沉降監(jiān)測點(diǎn)，見圖21。頂進(jìn)過程中，受土艙壓力及黏土注入量影響，南、北線隧道頂推過程中沉降均控制在30 mm以內(nèi)(見圖22)，主機(jī)姿態(tài)控制在±50 mm，滿足設(shè)計(jì)施工要求。

圖20 土艙壓力分布

圖21 監(jiān)測點(diǎn)分布

(a) 南線隧道

(b) 北線隧道

目前該項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)隧道雙向貫通，見圖23。設(shè)備在掘進(jìn)過程中，各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，掘進(jìn)效率達(dá)到最高日掘進(jìn)4.5 m，創(chuàng)造了15 m級矩形隧道掘進(jìn)機(jī)施工的世界紀(jì)錄。

(a)

(b)

3.2 工程問題與優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 邊側(cè)螺旋輸送機(jī)出渣問題

設(shè)備在始發(fā)進(jìn)入加固區(qū)時，由于加固土體改良度不夠充分，出現(xiàn)了邊側(cè)螺旋輸送機(jī)不出渣問題，見圖24。同時，在原狀土掘進(jìn)過程中，中部螺旋輸送機(jī)出渣速度與轉(zhuǎn)矩大于邊側(cè)螺旋輸送機(jī)。

圖24 現(xiàn)場螺機(jī)出渣情況

經(jīng)分析，由于下部盾體起拱，導(dǎo)致邊側(cè)與中間的螺旋輸送機(jī)進(jìn)渣口出現(xiàn)高差，見圖25。根據(jù)土艙壓力計(jì)算方法[19]，中部與邊側(cè)螺旋輸送機(jī)進(jìn)渣口壓力差為10 kPa。同時，后部出渣口在設(shè)計(jì)過程中未考慮出渣高差(見圖26)，導(dǎo)致邊側(cè)螺旋輸送機(jī)出渣效率低于中部螺旋輸送機(jī)。

圖25 螺旋輸送機(jī)進(jìn)渣口分布

圖26 螺旋輸送機(jī)出渣口分布

針對進(jìn)渣口高差問題，后續(xù)項(xiàng)目改進(jìn)措施為將邊側(cè)螺旋輸送機(jī)葉片向土艙內(nèi)伸出距離a(見圖27)，增加葉片收渣能力；針對出渣口高差問題，通過降低邊側(cè)螺旋輸送機(jī)傾斜角度，保證3個螺機(jī)出渣口高度相同。

圖27 螺旋輸送機(jī)葉片改進(jìn)措施

3.2.2 上下起拱矩形管節(jié)安裝問題

由于管節(jié)采用上下起拱設(shè)計(jì)，管節(jié)在始發(fā)安裝時容易出現(xiàn)軸線偏移和滾轉(zhuǎn)，導(dǎo)致管節(jié)安裝出現(xiàn)姿態(tài)偏轉(zhuǎn)及前后管節(jié)錯臺，見圖28。為了解決上述問題，提出一種始發(fā)調(diào)節(jié)平臺實(shí)現(xiàn)管節(jié)安裝過程的對中調(diào)整。

本始發(fā)調(diào)整平臺在原有的始發(fā)軌道基礎(chǔ)上集成3個調(diào)節(jié)裝置，該調(diào)節(jié)裝置主要包括滾動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、舉升機(jī)構(gòu)和縱向行走機(jī)構(gòu)，見圖29和圖30。調(diào)節(jié)裝置通過舉升機(jī)構(gòu)將滾動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與管節(jié)下部接觸進(jìn)行舉升并以旋轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)偏移和滾轉(zhuǎn)的糾正；同時，利用縱向行走功能，實(shí)現(xiàn)管節(jié)拼裝，提高施工效率；始發(fā)導(dǎo)軌與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)配合為管節(jié)提供穩(wěn)定支撐，提高施工安全性。

(a) 姿態(tài)偏轉(zhuǎn) (b) 前后管節(jié)錯臺

圖29 管節(jié)始發(fā)調(diào)整平臺

圖30 管節(jié)調(diào)節(jié)裝置

4 結(jié)論與討論

對特大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，研制出適用于3車道矩形隧道施工的特大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)，并得到成功應(yīng)用，具體研究結(jié)論如下：

1)開發(fā)出矩形特大斷面14刀盤低擾動開挖系統(tǒng)，提出特大斷面前后組合刀盤驅(qū)動轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法。

2)采用基于敏感度的特大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)盾體輕量化設(shè)計(jì)，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時，減小主機(jī)質(zhì)量，完成了對特大斷面盾體結(jié)構(gòu)及分塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3)通過螺旋輸送機(jī)互饋出渣與掌子面壓力平衡控制，實(shí)現(xiàn)了土艙壓力穩(wěn)定、均衡控制，有效控制了地表沉降，并為主機(jī)姿態(tài)控制提供了新解決方案。

4)在施工應(yīng)用過程中，針對單側(cè)螺旋輸送機(jī)出渣問題，提出了葉片前伸以及降低螺旋輸送機(jī)出渣口等措施；針對管節(jié)安裝偏移及滾轉(zhuǎn)問題，提出一種針對矩形管節(jié)的安裝平臺，實(shí)現(xiàn)管節(jié)對中安裝。

本文對特大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)展開了系統(tǒng)研究，為特大斷面矩形隧道施工提供了關(guān)鍵裝備，并通過工程應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。但在開挖系統(tǒng)方面，研究還存在不足，如特大斷面多刀盤開挖系統(tǒng)對土艙內(nèi)渣土流動性以及土壓影響等還需要進(jìn)一步探究。