盾构管片拼装机的结构分析

李文福

随着我国基础建设的快速发展,在城市土地资源日趋紧张的形势下,地下空间进入了一个前所未有的发展阶段。盾构法隧道施工技术作为地下空间开发中的核心技术,已在能源、交通等领域的隧道建设中得到广泛的应用。在盾构施工过程中,隧道管片肩负着隧道成型挡土、止水等重要功能。管片拼装的质量直接影响着地下水土的渗透和地表沉降,而完成这一重要工序的就是盾构机中的管片拼装机。在盾构机掘进施工过程中,管片拼装机的主要功用是平稳、快速、准确地将预制的混凝土管片,按预定要求拼装于开挖出的隧道内壁四周,形成衬砌,以此来支护刚开挖的隧道表面。

1 管片拼装机的结构分析

1.1 整体结构

以下主要针对应用于黔贵铁路定水坝隧道的某土压平衡盾构机的环式拼装机进行分析。

此环式管片拼装机主要由回转系统、提升系统、平移系统和管片夹取装置构成,其中主要部件有马达、传动轴、传动齿轮、回转盘体、挡托轮、配重块、悬臂梁、提升横梁、油缸、导向柱及管片夹取装置等,如图1所示。

精确完成一片管片的拼装,必须对该管片的6个自由度进行定位,如图2所示,即轴向伸缩(沿隧道轴线 z方向),水平伸缩(沿隧道断面 x方向),轴向回转(沿隧道壁周向y方向)以及现实管片姿态调整的三个方向的转动(偏转 θx,俯仰 θy,摇摆θz)[2]。该北京地铁六号线所使用的盾构机上的管片拼装机,只能对管片进行5个自由度的定位,即对轴向回转、水平伸缩、轴向伸缩、管片的俯仰θy及周向摇摆θz进行定位。剩余一个自由度即偏转θx,依靠推进油缸的顶推来实现,此拼装机结构较简单,且有较大的作业空间。

1.2 回转系统

回转系统主要由液压马达、传动轴、传动齿轮、回转盘体、挡托轮和配重块构成,主要功能是在拼装管片的过程中提供回转力矩,并且为整个拼装系统提供支撑。整个回转系统的动力传递过程是:液压马达→减速器→传动轴→传动齿轮→回转盘体。

拼装机在拼装管片时要进行旋转,所以在回转过程中将产生回转力矩,过大的回转力矩将对挡托轮和回转盘体带来破坏,为了减小回转力矩,在回转盘体上端设置有配重块。配重块可以平衡回转力矩的一半,并且能够有效地减小回转阻力矩。

1.3 提升系统

提升系统主要由提升横梁和两个悬臂梁组成。悬臂梁通过安装板由螺栓固定在回转盘体上,两个悬臂梁主要用来承受管片拼装机工作时所产生的弯矩和扭矩,受力较复杂。其中一个悬臂梁内置有液压系统的油箱,用来为液压油路提供液压油。整个悬臂梁由油箱的底板、顶板、后板、前板、连接隔板和垂直导向装置组成,相互焊接为一个整体。液压泵组和电气控制组安装在一个悬臂梁的上部,在拼装管片过程中随拼装机一起回转。将拼装系统的液压系统设置在悬臂梁上,有效地减少了拼装机回转时电缆和油路管缠绕带来的不便。

油箱内置主动加压系统,用来保证拼装机回转工作时油箱容积变化带来的油压波动。箱盖上设置有安全阀,用来避免箱体因压力过高而损坏结构和内部设备;此外,悬臂梁内置油箱的密闭性良好,确保随拼装回转时油箱内不产生气泡,以便减少液压控制组件的噪声。

提升横梁主要由两个提升油缸和两个导杆组成,两个升降油缸用来完成对管片的提升和上推,两个升降垂直导杆用来导向。油缸和导杆导向套都与悬臂梁相连,导杆的导向套与悬臂梁固结为刚体。在加工和装配过程中,要保证两个垂直导杆的平行度达到一定要求,以防止在提升和上推管片时两个提升油缸的活塞杆受弯矩,从而造成油缸的卡死或活塞杆弯曲。同时要使两个垂直导杆保持良好的润滑,以便使导杆在导杆轴套中能顺利滑动。

1.4 平移系统

平移系统主要由一个双作用水平移动油缸、两根水平导杆和四个微调油缸组成。水平导杆起导向和支撑的作用,是承受管片重量的主要部件,因此在管片平移的过程中,要确保两导杆的最大弯曲变形量在规定范围内,并且两导杆的平行度要好。水平导杆的加工和安装都有较高要求,否则将造成平移过程中油缸活塞杆受力弯曲或折断。

在水平移动系统中,设置有四个微调油缸,油缸的行程比较小,主要是在对管片进行定位时,调节管片俯仰θy及周向摇摆 θz。另外,微调油缸同时也用来固定管片,防止拼装机运动时管片晃动。

1.5 管片夹取装置

为了提高管片拼装时的工作效率,并且减轻操作工人的劳动强度,管片夹取装置采用了销连接。每个管片中心都设置有螺栓孔,拼装管片时在螺栓孔内拧入吊环螺栓,此吊环螺栓下端为螺纹,上端为带有销孔的方头。在拼装机的夹取装置中置有与吊环螺栓方头相对应的倒U形凹槽,凹槽上设置相应的销孔。夹取管片时,将吊环螺栓上的销孔与凹槽上的销孔对齐,然后插入吊环连接销,即可完成管片的夹取。管片夹取装置示意图见图3。

1.6 真圆保持器

真圆保持器支柱上装有上下伸缩的千斤顶。千斤顶的上下两端装有圆弧形的支架,该支架可在动力车架的伸缩梁上滑动,当一管环拼装结束后,就把真圆保持器移到该管环内,当支柱上的千斤顶使支架紧贴管环后,盾构就可以推进。盾构推进后由于真圆保持器的作用,故管环不产生变形,并且一直保持真圆状态[3]。

2 管片拼装机的拼装要求

管片拼装是盾构隧道施工中的重要环节,管片拼装的质量直接影响着隧道的质量,所以对管片的拼装有着较高的要求,具体如下:1)拼装好的管片环面要平整,不同块之间不能存在凸凹不平现象;2)拼装完的管片环面与隧道设计轴线垂直度要好;3)在拼装过程中不能使管片破损;4)拼装机在拼装管片时,运动要平稳,不能有过大冲击,定位要准确。由于管片在隧道中起着很重要的作用,所以拼装机在拼装管片时必须达到一定的运动精度。

3 结语

管片拼装是盾构施工中关键技术之一,管片拼装机的正常工作是拼装管片的基础。目前,我国盾构施工中仍然是采用人工进行拼装管片,不但会增加工人的劳动强度,并且拼装效率和拼装精度都较低。在以后管片拼装机的发展过程中,管片的拼装将朝着实现自动化方向发展。本文通过对管片拼装机的结构进行系统地分析,提出了拼装管片时的要求,将为盾构机的设计制造及盾构的安全施工提供有益借鉴。

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