大直径盾构管片快速吊运系统的设计及应用

任锦江

（中国铁建重工集团有限公司，湖南长沙410100）

大直径盾构管片快速吊运系统的设计及应用

任锦江

（中国铁建重工集团有限公司，湖南长沙410100）

针对8m～10m直径级盾构机在城际铁路隧道施工中的管片快速吊运需求，设计了一种由重载大坡度管片吊机、管片卸载器组成的管片吊运系统，完成了样机研制与工业性试验。本管片吊运系统具备管片一次卸载吊运功能，可直接沿12°斜坡轨道将重型管片从卸载位置吊运至管片拼装位置，具有施工迅速、自动化程度高的特点，并成功应用在广珠城际铁路珠海横琴隧道工程的国产ZTE8800土压平衡盾构机上。

盾构机；管片吊运；真空吸盘；大坡度；重载

随着我国珠三角、长三角、环渤海、长株谭、成绵乐等城际铁路[1]的不断规划建设，直径在8 m~10 m的城际铁路盾构隧道累计建设历程已达到50 km以上，处于世界领先水平；但是由于中国盾构机产业起步较晚，城际铁路隧道施工用的大直径盾构机主要都由海瑞克[2]、罗宾斯、NFM、三菱、奥村、日立小松等欧系、日系企业生产或与国内企业联合制造[3]。本文结合国内自主研制的ZTE8800铁路大直径土压平衡盾构机总体要求，设计了一种由重载大坡度管片吊机、管片卸载器组成的管片吊运系统，可直接适用12°斜坡齿条轨道将管片直接从卸载位置吊运至管片拼装位置。样机研制完成后进行了工业性试验，并在广珠城际铁路珠海横琴隧道工程中进行了成功应用。

1　管片吊运系统概述

管片吊运系统主要由管片吊机、喂片机等组成，其主要功能是：在盾构机掘进期间，进行管片卸载、转运、回转下放及喂送作业，再由管片拼装机逐块拼接成整环隧道衬砌结构。管片吊运系统工作效率直接影响着盾构机掘进效率。

目前海瑞克等欧系盾构机的管片吊运方式为：管片吊机从管片运输车上抓取管片沿直线轨道将管片吊运下放至喂片机上，再由喂片机输送到管片拼装机的管片抓取区域进行拼装，如图1所示。其存在的主要缺点是：管片需要喂片机的二次转运，而且当盾构机在富水地层施工时，位于隧道底部的喂片机容易被主机处的积水淹没发生故障导致管片无法转运，盾构机只能停工维修。

图1　欧系盾构机管片吊运系统

小松等日系盾构机的管片吊运方式为：采用两台管片吊机分别在双层高低梁轨道上连续交替吊运管片，将管片转运至管片拼装机下方在进行拼装如图2所示。其存在的主要缺点是：两台管片吊机功能配置简单，自动化程度低，故障率高，并需要两人交替作业，工序繁琐，故障率高。

图2　日系盾构机管片吊运系统

2　大直径盾构管片吊运系统设计

2.1设计依据

隧道管片外径为8 500 mm、内径为7 700 mm、宽度为1 600 mm、隧道最大坡度5%，整环管片结构采用3+2+1结构型式、单块管片最大重量约7 t，盾构机设计掘进速度12环/天，管片拼装机拼装速度45 min/环。

2.2设备构成及工作流程

ZTE8800土压平衡盾构机管片吊运系统（见图3）主要由管片吊机、管片卸载器、电气控制系统等组成，具体工作流程为：管片运输车将整环管片从隧道外运输至后配套拖车管片卸载位置，待3组管片卸载器定点将整环管片从管片运输车上卸载提升至安全高度，管片运输车倒车驶出管片卸载区域；3组卸载器再将整环管片放低后托起，管片吊机沿直斜轨道利用真空吸盘从管片卸载器上依次将管片吊运至管片拼装机抓取区域，直至吊运完整环管片，见图4.

图3　ZTE8800土压平衡盾构机管片吊运系统

图4　ZTE8800土压平衡盾构机管片吊运系统工作流程示意图

2.3主要性能参数

管片吊运系统额定起重量7.5 t，吊运行程40 m，具备管片卸载、抓取、起升、回转正负90°功能，管片在吊运过程中始终保持水平状态并能随时下放。管片吊机整机工作级别A6、起升机构工作级别M6；行走方式采用齿轮齿条行走，行走速度15 m/min ~35 m/min、适应轨道倾角≤12°；起升机构采用4×5 t电动环链葫芦同步起升，真空吸盘额定吸取重量7.5 t；单组管片卸载器额定提升量为22 t、提升高度为700 mm、提升速度为1 750 mm/min、横移距离为170 mm.

3　主要组成系统的设计

3.1管片卸载器

单个管片卸载器（见图5）主要由内外机架、提升油缸、导向部件、管片伸缩支腿、支腿伸缩油缸、电液控制系统等组成。其结构原理为：外机架与后配套拖车固定，为整机提供支撑力；两个提升油缸的活塞杆端与内机架铰接，提升油缸缸筒端与外机架铰接，内、外机架之间安装有导向部件，避免提升油缸在伸缩过程中出现卡死偏载；微调管片伸缩支腿内的伸缩油缸行程可满足不同位置的管片卸载；6个管片卸载器成3组对称安装在后配套拖车内侧。

图5　管片卸载器结构原理图

3.2管片吊机

管片吊机（见图6）主要由工字形齿条行走轨道、主起升机构、行走驱动机构、辅助吊机、起升行走小车、驱动行走小车、辅助吊机、铰接连杆等组成，其结构原理为：起升行走小车、驱动行走小车对称安装在工字形行走轨道内，主起升机构通过销轴与吊运行走小车铰接，行走驱动机构通过销轴与驱动行走小车铰接，辅助吊机通过销轴与吊运行走小车铰接；主起升与行走驱动机构、工字形齿条行走轨道由直线轨道、9度倾斜轨道、弧形轨道连接而成，依次将盾构机的管片拼装抓取区域、连接桥、后配套管片卸载区域串通，为管片吊机主机行走提供运行通道和承受管片吊运载荷；主起升机构由起升行走架、起吊架、4台环链电动葫芦、回转吊具、真空吸盘、液压平衡机构组成，负责管片的起升、下放、回转与管片水平状态调节。行走驱动机构由行走驱动架、大功率变频减速电机、行走齿轮传动部件等组成，利用变频减速电机驱动行走辅助吊机相互之间通过铰接连杆铰接。

齿轮在工字形齿条行走轨道上前后行走从而推拉主起升机构、辅助吊机完成管片、辅助物料吊运功能。

图6　管片吊机结构示意图

3.3真空吸盘

ZTE8800土压平衡盾构机管片吊运系统中的真空吸盘主要由真空系统、吸盘体、法兰盘、位置检测系统等组成，其各种动作与状态参数都通过管片吊机电气控制系统进行操作与控制。

4　工业性试验

4.1真空吸盘保压试验

（1）真空吸盘放置在标准管片上，通电后在真空泵抽取真空过程中，管片与密封条吸附紧密，各个真空腔真空度达到95%以上、消耗时间不得高于75 s；同时各仪器仪表显示正常、真空压力传感器显示压力与真空表显示压力差不得超过5%（见图7）。

图7　真空吸盘保压试验

（2）断电关闭真空泵，要求各个真空腔真空度在30 min内不得低于80%（此时7.5 t重的管片依然被吸附在真空吸盘上）。

4.2真空吸盘管片吸附断电试验

（1）通电后吸附管片，吊机提升真空吸盘使管片与地面脱离约10~20 mm，观察此时真空度是否大于95%，真空度显示值是否稳定（要求真空度稳定且大于95%）。

（2）真空度稳定大于95%至5 min后，切断电源进行断电测试。实际测试中经过450 min后，真空度降到43%时，管片掉落，远超过目前隧道施工要求的真空吸盘在意外断电情况下30 min内不得掉落的合格条件。

4.3起重特性试验

真空吸盘性能试验合格后，进行管片吊机的起重特性试验，主要内容包括：

（1）对主起升机构的上下限位开关、行走机构限位开关进行整定、校准；

（2）起升机构载荷升降速度试验：额定载荷条件下，四台环链电动葫芦上升速度误差为（-5%，+10%）、下降速度为（-5%，+25%）为合格。进行载荷升降速度试验过程时，载荷应分段逐步加至额定载荷；加载过程中，应安排专人注意观察主起升机构、真空吸盘的现场情况，如出现异常情况，必须排除后才能继续加载。

（3）升降速度同步试验：四个环链电动葫芦联合升降时，选取1#葫芦吊钩为基准钩，2#、3#、4#葫芦吊钩对比偏差允许值为（-2.5%，+2.5%）。

（4）整机运行过程中，齿轮齿条无卡死、溜车现象；回转吊具回转角度与回转速度偏差允许值为（-3.5%，+3.5%，），行走机构运行速度偏差允许值为（-5%，+10%）；整机在全行程范围内，主起升机构中的起升回转真空吸盘部分在液压平衡机构作用下始终处于水平状态，相对主起升行走架无明显晃动现象。

4.4载荷起升能力试验

（1）静载试验

管片吊机停靠在斜线段轨道处，真空吸盘与试验荷载起升至离地面100~200 mm高处，依次按照25%、50%、75%、100%、125%额定载荷逐级加载试验荷载。每次加载悬空时间不得少于10 min.卸去载荷后检查起升行走架、起吊架、驱动行走架、铰接连杆应力测试值是否合格，如不合格，整改后重复试验，直到满足设计要求。管片吊机静载试验如图8所示。

图8　管片吊机静载试验

（2）动载试验

管片吊机在全行程范围内，真空吸盘与试验荷载起升至设计要求位置，依次按照25%、50%、75%、100%、110%额定载荷逐级加载试验荷载；每种试验载荷状态下全行程运行3次，检查起升行走架、起吊架、驱动行走架、铰接连杆应力测试值是否合格，各组成机构是否运行正常、行走电机是否运行正常，如不合格，整改后重复试验，直到满足设计要求。管片吊机动载试验如图9所示。

图9　管片吊机动载试验

试验时，管片吊机应严格按操作规章进行控制，且必须注意把加速度、减速度和行走速度限制在管片吊机正常工作范围内。

（3）起重量显示及超负荷保护试验

主要检查管片吊机四台环链电动葫芦在正常起升条件下，超载保护、松绳保护装置运行是否正常，真空吸盘与主机联锁、自锁保护是否正常。

4.5现场应用试验

ZTE8800土压平衡盾构机的施工区间为广珠城际铁路新建铁路珠海市区至珠海机场线横琴隧道1号井至港仔北区间，盾构隧道全长1.237 km；分别设置半径R=400 m、800 m、500 m转弯段，区间盾构段纵断面为下坡，最大坡度为15.7‰，转弯半径R=413 m；隧道开挖断面主要为粗砂层、粉质粘土层，局部含孤石；隧道中后段开挖面多为弱风化花岗岩，线路左侧临海，建筑多为工业厂房。

盾构机2016年3月正式始发掘进，截止2016年9月5日，累计掘进里程1 306 m，最高日进尺达18 m.

与其它同类型盾构机设备应用结果相比，该管片吊运系统的一环管片卸载吊运速度为其2倍以上，但操作人员只有其一半，这就对城际铁路盾构隧道的施工效率提高和施工成本降低具有显著意义。

[1]孙洪涛，戴新鎏，杨华峰，等，我国城际铁路重点发展区域分析[J].中国铁路，2015，（11）：20-24.

[2]唐卫平，赵林，郑勇.大直径泥水平衡盾构机12‰下坡隧道双机同井洞内始发控制技术[J].铁路标准设计，2013，（9）：75-81.

[3]薛学伟.大直径盾构机给力城市地铁建设[J].建筑机械技术与管理，2011，（7）：55-56.

[4]王大江，张宇，安兰鹏.盾构管片吊运系统的优化设计[J].工程机械，2015，46（6）：4-7.

[5]叶忠.盾构管片拼装机原理及故障诊断与预防[J].隧道建设，2010，30（4）：486-491.

[6]常巍峰，王鑫，袁文征.真空吸盘式管片拼装机在盾构上的应用[J].建筑机械化，2014，（4）：77-79.

[7]容锦．大型盾构管片吊机真空吸盘的研究及应用[J]．铁道建筑技术，2012，（10）：18-20．

The Design and Application of Rapid Lifting System for Large Diameter Shield Segment

RENG Jing-jiang
（China Railway Construction Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410100，China）

According to the demands of 8m~10m diameter grade shield machine in intercity railway tunnel construction segment fast lifting，the segment hoisting system consisting of a heavy large slope segment crane and segment unloader are designed，the prototype development and industrial test are completed.This system have one time unloading and lifting function，and can directly lift segment from the unloading position to the segment assembly position along the rail ramp 12°with rapid construction and high degree of automation features.They are successfully applied in domestic ZTE8800 EPB shield machine for Guangzhou-Zhuhai intercity railway tunnel project in zhuhai hengqin.

shield machine；segment lifting；vacuum chuck；large slope；overload

U455.3

A

1672-545X（2016）10-0055-04

2016-07-06

国家科技支撑计划-煤矿长距离斜井盾构原位地下拆解及配套技术2013BAB10B05

作者信息：任锦江（1985-），男，四川广元人，工程师，硕士，研究方向：全断面隧道掘进机结构设计。