盾构转弯设计方法的研究

2014-12-04王飞，刘晶

建筑机械化 2014年10期

王飞，刘晶

（北方重工集团有限公司盾构机分公司，辽宁沈阳 110025）

城市交通高速发展的时候，为了缓解地面的压力，人们纷纷将视线投向了地下。地下管网及通行隧道愈加复杂，在各个大中型城市中已逐渐蔓延市区的每个角落，给人类的生活创造着更多的便捷，也加快了城市发展的节奏。我国地铁隧道的转弯半径多在300m以上，这并不能允许我们在盾构的设计中忽视转弯对设备各部分结构的要求和影响。掌握盾构转弯的操作方法以及相关部件的转弯设计方法是非常重要的。

1 盾构转弯的操作原理

盾构的主机较长，一般在9m以上，通常采用铰接的形式，使其刚性结构断开，并可在密封的前提下达到一定的转角，从而实现隧道的转弯要求。目前盾构有主动铰接和被动铰接两种形式。主动铰接位于前盾和中盾之间，但是盾体内部空间有限较难布置，且操作较复杂，对司机的素质要求较高。被动铰接位于中盾和尾盾之间，被动铰接油缸采用随动形式，可以根据隧道的掘进方向自动调整尾盾的掘进曲线，基本适应一般隧道掘进的要求，因此，被动铰接形式在转弯半径大于300m的施工中较为常用。

被动铰接的设计转角能够达到1.5°。在盾构曲线掘进的过程中，司机通过控制不同分区内推进油缸的压力和行程来控制盾体的姿态，从而实现正确的掘进线路。

铰接油缸除了参与盾体的转弯，还负责拖拽尾盾。拖拽的力包括尾盾和隧道之间的摩擦力以及盾尾刷和管片外壁之间的摩擦力，等于有杆腔内的油压乘以有效面积再乘以铰接油缸的数量。铰接油缸在盾体内圆周均布，在45°、135°、225°和315°的位置分别配有一个行程传感器，PLC通过对反馈的行程数据进行分析，可以自动或者手动的进行随后的操作。

铰接系统有3种工作模式，分别为自由、伸长和缩回模式。自由模式下，铰接油缸基于盾体中心处于自由铰接的状态，此时，无杆腔接油箱，各油缸的有杆腔相互连通，液压油在外力作用下为达到平衡，在各有杆腔内自由流动，从而达到调节尾盾位置效果。伸长模式下，铰接被断开，有杆腔和无杆腔皆通油箱，铰接油缸可以随着盾体的掘进被拉长。缩回模式下，无杆腔接油箱，向有杆腔注入高压油，使得铰接油缸被缩短。

2 盾构转弯的设计方法

2.1 管片环组合形式及拼装方法

目前盾构隧道施工一般采用3种管片环的组合形式。第一种为标准管片环、左转弯管片环和右转弯管片环的组合形式；第二种为左转弯管片环和右转弯管片环的组合形式；第三种为通用管片环的组合形式。第一种凭借施工简单、操作方便的优势在国内普遍应用，而其他两种则因施工复杂、操作困难而较少使用。

在盾构直线掘进的过程中，除了需要纠偏，一般均采用标准管片环进行直线隧道的拼装。在盾构曲线掘进的过程中，一般通过采用标准管片环和转弯管片环组合的形式进行曲线隧道的拼装。以国内地铁隧道通用的6m外径、1.2m宽的管片环为例，转弯管片环的中间宽度为1.2m、楔形量为48mm，转弯管片环和标准管片环的数量比为U。当U=1∶1时，转弯半径为300m；当U=3∶7时，转弯半径为500m；当U=1∶3时，转弯半径为600m；当U=3∶13时，转弯半径为800m；当U=3∶17时，转弯半径为1 000m。本文研究当U=3∶2，即转弯半径为250m的情况，如图1所示。

图1 隧道管片转弯设计

2.2 盾构主机转弯的设计方法

铰接系统将盾构主机分成两部分。前半部分包括刀盘、前盾和中盾，以及其内部的管片桥、管片安装机、螺旋输送机等。后半部分只有尾盾及其内部结构。通常前半部分相对较长，且直径相对较大。因此，如果盾构能够实现预计的曲线掘进，就必须保证前半部分能够布置在曲线隧道内。盾构壳体的几何关系为，刀盘直径>前盾直径>中盾直径，这种倒锥型结构保证了盾构在没有仿形刀辅助的情况下可以进行曲线掘进。如图2所示。

图2 盾构的锥型结构的曲线掘进

由铰接系统的工作原理可以知道，铰接油缸在外部载荷的作用下，可以自由伸缩，尾盾随之被动地在隧道和管片之间摆动，直到达到瞬时的相对平衡。于是可以确定尾盾相对主机前半部分轴线的转角。如图3、图4所示，U=3∶2，即转弯半径为250m的情况下，盾构开挖直径6.28m，主机相对转角约为1.2°，铰接油缸的相对行程差约为120.68mm。

图3 盾构主机转弯

图4 盾体主机转弯示意图

2.3 盾构后配套转弯的设计方法

盾构的后配套通常由连接桥和拖车组成。后配套由主机通过连接桥的牵引向前行进。连接桥两端分别支撑在管片桥和1号拖车上，拖车则通过金属车轮坐在隧道底部的轨道上。

拖车车轮的一般结构如图5所示，其中的一个轮子带有双边轮缘，用于控制转弯，1台拖车一般有4组这样的轮子。

图5 拖车车轮

通过几何作图可以判断，当带轮缘的轮子布置在拖车内侧的时候，拖车可以适应相对较小的极限转弯半径，相反则只能适应相对较大的极限转弯半径，如图6所示。因此，为了追求小转弯半径，将带有轮缘的轮子布置在拖车的内侧是一个可选方法。

图6 拖车车轮转弯示意图

注意到相对于带轮缘的轮子的外侧拖车结构，这部分结构在拖车转弯的时候处于转弯曲线的外侧，且下一辆车的外侧结构也是这种情况，于是通过绘图法可以知道，这样的车轮布置使得拖车在转弯的时候扭转动作相对较小。反之，将带有轮缘的轮子布置在拖车的外侧的时候结果却是相反的，这样对于拖车之间，具有相对运动的各种管路、走台甚至皮带机的结构都非常不利。

另外，后配套沿线的皮带运输机和风管也都需要进行针对转弯的设计。

2.4 盾构转弯关键点的校核

所谓转弯关键点就是盾构转弯时，结构之间有相对运动，且距离较近的部位。在盾构转弯设计的时候需要着重校核的关键点有：螺旋输送机和连接桥、螺旋输送机和二次吊机、螺旋输送机和皮带机、管片桥和皮带机、二次吊机和皮带机、二次吊机和管片安装机以及拖车之间的管路和走台的相对位移。需要适应转弯的连接有：二次吊机在管片桥和连接桥上的连接、一次吊机在连接桥和拖车上的连接。 O