某引水工程TBM管片拼裝機的設計研究及應用

王亞威，王秀全，寧向可，李子洲

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

全斷面硬巖隧道掘進機（以下簡稱TBM）施工具有經(jīng)濟性好、快速高效、安全可靠等優(yōu)點，現(xiàn)已成為城市軌道交通、高鐵、水利水電等領(lǐng)域隧道工程的主要施工方法[1]。管片拼裝機作為護盾式TBM 的關(guān)鍵設備之一，主要是用來快速地完成管片拼砌，將管片拼成固定的形式從而形成隧道穩(wěn)定的永久性支護，其工作效率、穩(wěn)定性、安全性直接影響整個隧道掘進進度[2-3]。

目前，針對小直徑、低凈空的管片拼裝機設計的研究相對淺顯，也缺乏實踐經(jīng)驗，對設計的指導作用不強[4-6]。由于隧道施工的空間狹小，關(guān)鍵部件若出現(xiàn)問題會導致項目窩工、延期。隨著TBM的多樣化發(fā)展，小直徑TBM應用越來越多，管片拼裝機的關(guān)鍵和主要部件的可靠性設計方法研究具有重要意義。國內(nèi)某引水工程隧道采用雙護盾TBM 進行施工，因隧道開挖洞徑小、管片厚度大，大大壓縮了隧道凈空，擠占了管片拼裝的空間，給管片拼裝機的設計帶來了很大難度。本文以該工程為例，對小直徑、低凈空TBM 管片拼裝機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件如主梁結(jié)構(gòu)設計、回轉(zhuǎn)支承以及抓舉裝置等進行了較為深入的研究，依據(jù)現(xiàn)有設計經(jīng)驗與工程實踐，取得了很好的效果。

1 工程概況

河南安陽市境內(nèi)某引水工程隧洞跨越地貌單元主要為丘陵～平原過渡、山前沖洪積傾斜平原、丘陵及低山地貌。隧洞穿越段地層為石灰?guī)r分布，沿線地下水大部分地段埋深度較大，隧洞穿越范圍內(nèi)未見地下水未發(fā)現(xiàn)有害氣體和放射性物質(zhì)。隧洞開挖采用雙護盾式TBM 施工，擬掘進總里程11.5km，開挖洞徑?4 330mm。管片采用六邊形外形設計，外徑?4 100mm，厚度為300mm，環(huán)寬1 200mm。

2 管片拼裝機工作原理

管片拼裝機，其作用就是將管片按照隧道施工要求安裝成環(huán)。它包括搬運管片的夾持系統(tǒng)和伸縮、回轉(zhuǎn)及拼裝系統(tǒng)。對其功能要求是能把管片上舉、旋轉(zhuǎn)及夾持管片向外側(cè)移動。管片是通過管片運輸機構(gòu)經(jīng)單、雙軌粱上的電動環(huán)鏈葫蘆將管片從管片運輸車上吊起，把管片放在儲存區(qū)，在拼裝時，再將管片從管片儲存區(qū)吊起運輸?shù)焦芷囱b機下部，通過拼裝機完成管片的拼裝。管片拼裝除管片夾持動作外，每個自由度動作對應管片的運動需調(diào)整6 個自由度，為進一步清晰描述，設定盾構(gòu)機前進方向為x向，管片環(huán)周運動為y向，掘進斷面的徑向方向為z向，如圖1 所示，三者同時與管片軸向移動、旋轉(zhuǎn)和徑向伸縮相對應，而rx、ry、rz分別對應管片的側(cè)傾、仰俯和擺動。完整的工作流程首先將管片運輸車首先將管片運輸?shù)剿淼纼?nèi)部，然后通過管片吊機裝載到管片輸送裝置上，管片輸送裝置把每塊管片送到管片拼裝機底部抓取位置，通過管片抓取裝置進行抓緊，最后依靠管片拼裝運動機構(gòu)依次拼接緊固成管片環(huán)，管片襯砌安裝后通過螺栓連接固定。

圖1 管片拼裝機運動方向示意圖

3 管片拼裝機設計

管片拼裝機是在尾盾內(nèi)部進行工作，在施工過程中可以完成6 個自由度動作，包括回轉(zhuǎn)、提升、前后移動、俯仰、橫搖、偏轉(zhuǎn)以及管片的鎖緊等。目前設計制造的管片拼裝機一般有主梁環(huán)式、盤式、回轉(zhuǎn)搖臂式等3 種形式。使用盤式管片拼裝機一般用帶輪緣的支重輪定位安裝，使用主梁環(huán)式的盾構(gòu)管片拼裝機一般通過回轉(zhuǎn)支承定位，由于主梁環(huán)式的盾構(gòu)管片拼裝機具有定位精度高、結(jié)構(gòu)相對簡單等優(yōu)點，主要用于中大型隧道斷面管片安裝，也是目前最為主要的結(jié)構(gòu)型式。主梁環(huán)式盾構(gòu)管片拼裝機主要含有管片抓取裝置、管路支架、托梁、提升裝置以及移動架、回轉(zhuǎn)架、工作平臺等；盤式管片拼裝機也稱為日式拼裝機，其結(jié)構(gòu)緊湊，經(jīng)濟性好；回轉(zhuǎn)搖臂式管片拼裝機因其自身不能起吊大重量的管片，更適用于小直徑隧道斷面的開挖。結(jié)合本項目工程地質(zhì)及管片類型，管片拼裝機采用主梁環(huán)式設計。圖2 為該管片拼裝機結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 管片拼裝機結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 托梁設計

托梁通過螺栓固定在支承盾的H 梁上，隨著主機的向前掘進一同移動。托梁在隧道斷面上左右對稱布置2 根，中間通過尾部連接梁連接一體。TBM 管片拼裝機托梁中間布置有皮帶輸送機，因而要充分考慮設備空間問題。托梁受力復雜，而且是交變載荷，對結(jié)構(gòu)設計和生產(chǎn)有著比較高的要求，材質(zhì)選用Q355 低合金高強鋼，焊縫做超聲波探傷。托梁在豎直方向主要承受移動架、回轉(zhuǎn)架、管片、托梁自重以及尾部搭接設備橋的重力，最惡劣工況考慮管片拼裝機誤操作時拼裝頂塊頂住護盾時紅藍油缸向下的推力。而水平位置拼裝管片時還有管片和抓舉機構(gòu)施加的扭轉(zhuǎn)力矩?？梢酝ㄟ^建立三維模型，采用ANSYS分析其受力情況，保證應力應變在材料的許用范圍之內(nèi)，撓度的允許值控制在1/1000～1/500 之間為宜。根據(jù)管片拼裝機托梁的受力分析結(jié)果，除去應力集中點，鋼板最大內(nèi)應力為75MPa 左右，梁端部最大變形量為6mm 左右。經(jīng)過分析，托梁材料的應力、應變均在設計安全系數(shù)范圍內(nèi)。

3.2 回轉(zhuǎn)支承選型設計

回轉(zhuǎn)支撐作為管片拼裝機的關(guān)鍵重要部件，其可靠性直接關(guān)系到整套設備的穩(wěn)定運行?；剞D(zhuǎn)支撐的設計所需要的參數(shù)為最大承受的回轉(zhuǎn)力矩以及水平拼裝管片時平移油缸對其產(chǎn)生的傾覆力矩。另外回轉(zhuǎn)支承的使用壽命也要滿足掘進里程的要求，特別是TBM 管片拼裝機，掘進里程長，工況惡劣，其設計更應該安全可靠。經(jīng)過計算，圖3 為本項目管片拼裝機回轉(zhuǎn)支承選取的設計參數(shù)。

圖3 回轉(zhuǎn)支承靜態(tài)負荷能力曲線圖

3.3 抓取裝置及提升油缸設計

本項目管片拼裝機若采用常規(guī)的抓取機構(gòu)與提升缸布置空間不足，因此，結(jié)合管片外形與結(jié)構(gòu)型式，特設計開發(fā)一種新型的管片抓取裝置與提升油缸接頭。

3.3.1 抓取裝置

管片抓舉機構(gòu)的設計與管片的型式與重量緊密相關(guān)。抓舉機構(gòu)總體來講分為機械式抓舉和真空吸盤式抓舉。機械式抓舉機構(gòu)動作可靠性好，且具有安全聯(lián)鎖功能，但因結(jié)構(gòu)設計受限不能承受重型管片，通常適用于管片重量在3～5t 的中小型管片拼裝機。針對大直徑隧道的管片拼裝機，管片重量很重，能達到10t 以上，此時更適用安全性更高、適應范圍更廣的真空吸盤式抓舉機構(gòu)[7]。本項目管片為六邊形管片，每環(huán)4 塊，每塊重量約3.5t。底管片與其它3 塊管片不同，底部有鋪軌平臺，不適用真空吸盤式抓舉，見圖4。因此設計為機械式抓取型式，見圖5。每塊管片上有2 個吊裝孔，兼做注漿孔。

圖4 管片型式

圖5 管片抓取裝置

抓取裝置上部左右設置2 處連接筒，與提升油缸的活塞桿通過螺栓連接，兩根提升油缸通過連接梁連接一體實現(xiàn)提升油缸同步動作，從而實現(xiàn)管片的提升與下降。下方的管片抓緊、微調(diào)機構(gòu)與連接梁通過關(guān)節(jié)軸承聯(lián)接。連接梁的前后左右設置4 個頂升油缸以及1 個左右轉(zhuǎn)動油缸，可實現(xiàn)管片的側(cè)傾、俯仰、轉(zhuǎn)動3 個自由度，在拼裝過程中實現(xiàn)管片位置的微調(diào)。管片的抓緊流程為，管片抓舉裝置下降，使抓舉裝置左右兩側(cè)的定位孔對準管片吊裝孔，卡爪伸出頂緊管片吊裝孔內(nèi)壁，電氣接近開關(guān)檢測到位后，提起管片。旋轉(zhuǎn)管片至待拼裝位置后，松開卡爪，輔推油缸頂緊管片后管片抓舉裝置退出管片，完成管片的拼裝。圖6 為工廠抓取裝置調(diào)試狀況。

圖6 管片抓取、微調(diào)

3.3.2 提升油缸

對于提升紅藍油缸，由于需要頻繁地提起和推出管片而受到徑向力的作用，同時在水平90°方向拼裝管片時還要承受自身的重力、管片的重力和拼裝管片的擠壓力等側(cè)向力，所以油缸的設計采用油缸缸筒伸縮，外側(cè)作為導向的結(jié)構(gòu)。加大缸筒直徑后，其承受彎矩的能力大大增強，見圖7。在設計計算油缸所受的側(cè)向力時，活塞桿要模擬油缸完全伸出的狀態(tài)，且附加管片重力及管片之間的擠壓力，油缸的提升能力一般按最大管片重量的3 倍來考慮。紅藍油缸行程應保有裕量，活塞桿缸筒的完全伸出時，管片應比理論拼裝位置靠外約100～200mm 左右，以更好地達到拼裝要求。另外，此項目為節(jié)省空間，與以往提升油缸活塞桿與抓舉機構(gòu)鉸接的形式不同之處在于，提升油缸的活塞桿端部設計為螺栓孔，與抓舉機構(gòu)采用螺栓連接，活塞桿與抓舉機構(gòu)兩端的連接筒為小間隙配合關(guān)系。

圖7 紅藍油缸示意圖及受力模型

4 實際應用及結(jié)論

項目于2020 年10 月30 號試掘進正式環(huán)以來，截至2021 年10 月20 日已完成掘進里程6 628m（含導洞13m），創(chuàng)造了最高單班進尺26.7m，最高日進尺43.4m，最高月進尺812m的好成績。經(jīng)現(xiàn)場查看，管片拼裝機在實際使用過程中未出現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)損壞的情況，總體設計合理，使用效果良好。

管片拼裝機整體設計結(jié)構(gòu)型式仍然可以采用主梁環(huán)式結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化托梁及管片抓取結(jié)構(gòu)，合理的設計紅藍油缸接頭型式可以獲得良好的設計結(jié)構(gòu)與實際應用效果。