一种适应2种分度管片的盾构推进油缸布置优化方案

肖俊祥，袁文征

(中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 4 50016)

0 引言

盾构是集机械、电气、液压、测量、控制等多种学科技术于一体，专门用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备［1-3］。近年来，随着国内城市地铁的大量修建，作为隧道掘进设备的盾构在国内地铁隧道工程上的应用越来越广泛。目前，国内地铁隧道衬砌最常用地铁隧道衬砌预制钢筋混凝土管片以φ6m外径为主，不同城市采用的管片分度不同，所以预制的管片纵向螺栓连接孔分度主要有22．5°分度(16颗径向螺栓)及36°分度(10颗径向螺栓)2种规格。为满足不同分度管片洞内封顶块拼装，推进油缸典型布置为:22．5°分度管片的推进油缸采用16组双缸均布设计(共32根油缸)，36°分度管片的推进油缸采用20组单双油缸(共30根油缸)交叉布置设计［4-6］。

目前国内现有的盾构掘进设备的推进油缸布置仅能适应一种分度管片施工，盾构设备只能在管片规格相同的工程间调动使用，在管片分度不同的工程施工需要进行设备改造，耗费资金、增加人力、占用工期。通过对各个城市地铁管片的统计分析，仔细研究盾构推进系统，设计了一种可以适用2种分度管片拼装的盾构设备。优化的设计方案能提高设备的适应性，减少重大工程装备的投入，同时在减少重大工程装备生产、促进节能减排［7］方面有一定的积极意义。

1 盾构推进油缸分区布置设计原则

在国内，分度为22．5°分度或者36°分度的管片均有通用环设计。在管片拼装过程中，封顶块可能在任意拼装点位置［8］。本文推进油缸设计分析均考虑通用环管片对推进油缸带来的影响。

在推进油缸布置设计时，主要满足管片封顶块(以下简称K块)、标准块和临接块的拼装，并考虑管片结构受力、纵缝分布方位、受力点布置、管片组装施工方便性等因素。盾构推进时，推进油缸直接作用在管片上以获得前进的反力。因此，推进油缸布置需要满足管片错缝拼装;K块可以出现在圆周任意拼装点;无论管片如何错动，推进油缸布置保证每块管片所受推进力均等，尤其保证K块插入时的受力对称。

基于隧道工程管片通用环拼装要求，K块位置可能出现在所有分度位置，K块分布点位数量

式中:Fn(或fn)为封顶块拼装点数;α为连接螺栓的间隔角度。

所以，连接螺栓为22．5°分度的K块拼装点有16个，连接螺栓为36°分度的K块拼装点有10个。

22．5°分度管片间纵向螺栓为16个，沿圆周方向均布，相邻的2个环向螺栓孔与管片中心所成角度为22．5°。为保证管片间的环向连接，管片沿环向有16个拼装位置，每个位置称为K封顶块插入点，即管片的一个拼装点，管片拼装点位(F1～F16)布置如图1所示。

图1 22．5°分度管片拼装点(Fn)布置图Fig．1 Layout of erection points(Fn)of segment ring with 22．5°division

36°分度管片间纵向螺栓为10个，沿圆周方向均布，相邻的2个环向螺栓孔与管片中心所成角度为36°。为保证管片间的环向连接，管片沿环向有10个拼装位置，每个位置称为K封顶块插入点，即管片的一个拼装点。管片拼装点位(f1～f10)布置如图2所示。

2 同时适应2种分度管片的盾构推进油缸分区方法

在满足错缝及封顶块可以在任意拼装点拼装，所有环片受力低于最小承压比的前提下，根据式(1)，当连接螺栓间隔角度为22．5°时，满足16个拼装点(F1～F16)要求，推进油缸总数至少为16组，设计上采用16组双缸(双撑靴)周向均匀布置;当连接螺栓间隔角度为36°时，满足10个拼装点(f1～f10)要求，推进油缸总数至少为10组。根据空间布置及受力要求，设计上采用10组单缸(单撑靴)和10双缸(双撑靴)周向均匀交错布置形式，2种布置形式在目前盾构设备上已经有成熟应用。

图2 36°分度管片拼装点(fn)布置图Fig．2 Layout of erection points(fn)of segment ring with 36°division

以上2种常见设计符合了推进油缸布置原则，能满足各自的管片拼装要求。利用以上原则，如果需要满足2种分度管片封顶块拼装要求，并保证所有管片受力均匀，即要满足26个封顶块拼装点位要求。如图3所示，在3点和9点(钟表方位)方位上，有2个封顶块拼装点重合，即F5与f4、F13与f9重合，实际只需要24个封顶块拼装点位。因此，为了满足2种分度管片拼装要求，至少需要24组油缸，并保证撑靴中心分布在拼装点上，同时考虑好管片受力均匀时推进油缸整体布置。

根据以上分析，设计如图4所示的24根推进油缸布置方案。采用刚好满足2种分度管片所需最少拼装点数的24根油缸进行布置，24根油缸在圆周第一象限的方位为 0°、18°、27°、45°、54°、67．5°、90°，其他 3个象限油缸布置按两轴对称布置。推进油缸撑靴布置根据适应管片的不同进行组合和调整。

图3 适合2种分度推进油缸工作示意图Fig．3 Layout of thrust cylinders fitting for both 2 types of segment divisions

图4 适合2种分度油缸布置示意图(第一象限)Fig．4 Layout of thrust cylinders fitting for both 2 types of segment divisions(the first quadrant)

3 适应2种分度管片的推进油缸布置形式

用于22．5°分度管片时，第18°，27°方位油缸(拼装点位F2或f2处)共用1块并联的双撑靴①推进油缸，其他3个象限均对称布置，剩余拼装点位油缸全布置为单撑靴②推进油缸(见图3)。在全周需16个拼装点位中，12个 K 块拼装点位(F1，F3，F4，F5，F6，F7，F9，F11，F12，F13，F14和F15)是1根单撑靴油缸拼装，其余4个位置处(F2，F8，F10和F16)是2根油缸组成的双撑靴拼装封顶块，16个点位布置均满足22．5°分度管片拼装要求。

用于36°分度管片时，方位第 18°，27°油缸(拼装点位F2或f2处)更换成单撑靴推进油缸②，4个象限对称点进行同样更换操作，共采用24根单缸拼装K块，每个拼装点采用单撑靴油缸进行封顶块拼装，能满足36°分度管片f1～f10的10个K块拼装点位要求。推进油缸布置如图5所示。

经过对24组推进油缸优化布置方案进行22．5°和36°分度管片的拼装分析，能满足错缝拼装，适合所有拼装点封顶块拼装。受力点比36°分度推进系统20组油缸数量还多4组，最小承压比低于设计要求，所有环片受力更均匀，推进油缸布置满足管片受力要求。

图536°分度油缸布置示意图(第一象限)Fig．5 Layout of thrust cylinders for segment rings with 36°division(the first quadrant)

4 设计实例

根据以上盾构推进油缸分区方法及工作原理，设计一种同时适应2种分度管片的推进油缸布置方法，即推进油缸采用24根单油缸设计(设计24组阀块)，具体如图3设计。为表述方便，用安装点位Fn和fn来代替推进油缸阀块代号，24个安装点位分别为阀块第1至第24分组。在拼装22．5°分度管片时，需将第f2和 F2、F8和 f6、f7和 F10、F16和 f1分组阀块分别屏蔽其中一组，对应撑靴变为双缸撑靴，使之变为4组双缸，分别对应F2、F8、F10和F16封顶块拼装点位，来满足拼装22．5°分度管片封顶块所有可能位置的拼装要求。本设计实例已经在中铁25号盾构武汉地铁(22．5°分度管片)成功应用。

在拼装36°分度管片时，直接采用24组阀块进行所有可能位置的封顶块进行拼装。本设计实例已经在中铁38，39号南昌地铁(36°分度管片)成功应用，并在后续调用至其他城市施工，使用效果良好。

5 结论与讨论

本文对目前国内最常用的2种分度管片的盾构推进油缸布置进行了研究，提出了能同时适用于2种管片分度推进油缸布置方案，为盾构推进油缸布置设计提供了一种新思路。优化设计后的推进油缸布置方案提高了盾构在不同城市具有相同内外径隧道项目工程施工的适应性，减少了重大装备重复性投入，能直接降低项目施工设备投入费用。在当前国内地铁隧道管片设计分度不一致，盾构设计制造厂家众多，缺少盾构设计标准指导的情况下，新方案能引导盾构推进油缸布置设计进一步统一规范，并形成一种标准设计。

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