土压敞开双模式盾构管片拼装机设计研究

贾兴民，胡燕伟

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450000）

盾构法以其安全、快速、高效等优点，已经成为城市轨道交通、铁路、公路、市政基础设施等领域隧道工程的主要施工工法。管片拼装机作为盾构机管片拼装的关键设备，其工作时间占据盾构掘进时间的一半左右，其工作效率、稳定性、安全性直接影响整个隧道掘进进度。国外厂商海瑞克、罗宾斯、日立、小松、日本川崎等公司均具备较为成熟的拼装机设计技术，并对管片自动拼装技术展开研究［1-2］。国内厂商基本已经完成常规拼装机消化吸收过程，但设计理论基础还比较匮乏。钱晓刚对拼装机的六自由度运动原理进行了介绍和运动学数值分析［3］；朱术林利用Simulink仿真软件对拼装机比例阀控液压马达回路进行了PID控制动态特性研究，为液压系统设计提供了理论基础［4］；郭强通过有限元分析的方法对拼装机的主要结构进行了力学分析，获得了应力、位移、安全系数等数据，却没有提出相关的设计准则［5］；王南基于ADAMS对拼装机运动过程进行了力学分析，为拼装机研制工作提供一定参考依据［6］；李文福对拼装机回转系统、提升系统、平移系统、管片夹取装置和真圆保持器等结构进行了具体分析，但对于研发设计人员指导意义不大［7］；叶忠以实例为基础，阐述了拼装机电气控制易存在的问题与预防措施［8］。综上所述，国内的相关研究从拼装机的结构设计、运动分析、液压系统、电气控制系统等进行了全面研究，对于拼装机设计提供了一定的理论依据。但其中对于拼装机结构设计方面的研究相对粗浅，缺乏设计实践经验，理论指导作用不强。由于盾构地下施工的空间狭小，关键结构出现问题直接导致施工项目长期停滞。随着盾构机向大直径、小直径、多模式等盾构多样化发展，拼装机主要结构可靠的设计方法与准则愈显重要。

本文以9m级土压敞开双模式盾构机为例，对管片拼装机关键结构部件主梁结构设计、螺栓联接以及真空吸盘抓举系统进行深入研究，依据实际设计经验与相关理论，提出了切实可行的设计方法和准则。

1 项目背景

土压敞开双模式盾构机是土压平衡盾构与敞开式TBM合二为一的机型，可适应多种软弱地层和硬岩地层，解决了单一机型适用地质受限的难题。该项目开挖直径φ9130mm，管片规格φ8800mm/φ7900mm-1600mm，管片采用真空吸盘方式抓取，出渣方式根据地质在螺旋输送机与中心皮带机之间切换，如图1所示。

管片拼装机采用广泛应用且较成熟的主梁式结构，螺旋输送机和中心皮带机同时布置在主机内，同时穿过管片拼装机的内部净空。由于空间布置问题，两者必须在拼装机主梁合适部位设置支撑。其中，螺旋输送机渣土满仓时自重较大，拼装机主梁结构一方面要承受该负载，一方面基于设备转弯考虑，对螺旋输送机进行摆动限位设计。相对单模式（土压、泥水或TBM）掘进机，土压敞开双模式盾构对拼装机的结构功能性、结构强度和内部净空提出了更多的要求。

图1 主机布置图

2 拼装机整体结构

主梁式管片拼装机主要由主梁、回转架、回转支承、移动架、真空吸盘、管路支架、工作平台等结构部件组成，如图2所示。

图2 拼装机整体结构

主梁结构：主梁结构主要包括左右对称的纵向梁和为螺旋输送机提供支撑和限位的横梁，为主梁整体结构提供刚性支撑的V型梁。纵向梁外侧设计有槽型加工面，为移动架前后移动提供行走轨道。主梁结构在拼装机系统中起到骨架支撑作用，其强度能力直接关系到施工的安全性与工期进度。

回转架：作为回转动作的执行元件，与回转支承内齿圈螺栓联接，由马达减速机驱动，带动抓取管片的真空吸盘旋转，达到±200°回转性能。同时回转架内腔设计为真空吸盘系统的真空储备腔，为管片抓取提供真空支持。

移动架：移动架作为拼装机前后移动动作的载体，由一对移动油缸驱动，依靠滚轮结构，在主梁轨道结构内平稳行走。

真空吸盘：目前，业内7m及以上的大盾构普遍采用真空吸盘管片抓举型式。尽管真空吸盘设计难度、制造成本均会相对提高，但其优势也比较明显，一方面安全系数一般可以达到2.5以上，真空度实时监测，安全可靠且可控；另一方面操作简便、抓取效率更高。在土压敞开双模盾构设计中，真空吸盘要尽可能压缩抓举部位厚度，为内部净空争取最大限度，满足主机极限转弯状态下回转动作不与螺机、皮带机干涉。

3 拼装机主梁结构设计与安装

3.1 拼装机主梁结构功能设计

该项目背景下，主梁结构的设计重点主要集中在：1.对称纵向梁间距需满足螺机与皮带机布置；2.设计合理结构为螺机提供强有力支撑和主机转弯时的左右限位。

3.1.1 主梁纵向梁设计方法

主梁纵向梁间距L在满足其他结构强度要求下，尽量扩大，为皮带机与螺旋机争取更多的横向空间，如图3所示。

图3 主梁设计尺寸链

其中，R1、T为管片参数，K为真空吸盘抓取间隙；考虑加工、组装以及上下转弯间隙变化、抓取方便性等综合因素，取K≥150mm；H、J为结构部件厚度，在满足功能性要求下，结构尽量紧凑；纵向梁宽度N主要依据有限元强度分析验证。

3.1.2 主梁横梁设计

一般螺旋输送机采用前端拉杆结构进行空间纵向支撑，转弯时与前盾一同摆动，此时螺机尾部与主梁纵向梁相对摆动间隙较大，不适用于螺机和皮带机同时布置下的空间要求。所以螺机采用前端球铰，后部支撑限位的设计方案，主梁横梁为其提供支撑限位功能。

如图4所示，横梁需为螺机提供与之俯视投影平行的支撑轨道，与横梁垂直方向夹角θ；轨道间距W宽于螺机外筒径，与螺机的滑轮机构相匹配，与滑轮之间留有摆动间隙δ；主机设备为主动铰接，存在铰接油缸同伸同缩的状态，据此设计该轨道的行程S。该横梁结构设计满足螺机前铰接摆动，后支撑限位，且支持螺机整体前移后退的功能要求。

图4 横梁设计

3.2 拼装机主梁结构有限元分析

土压敞开双模盾构背景下的主梁结构需要承受更大、更复杂载荷，作为地下设备的主要承重结构件，其强度要求更高。主梁结构采用低合金结构钢Q345B，材料性能如表1所示。依靠有限元软件workbench对主梁结构进行受力分析，主梁所负载荷如表2所示。

表1 Q345B物理性能

表2 主梁负载

图5 有限元仿真过程与结果

有限元仿真采用四面体单元划分网格，网格大小50mm，选用表1中的弹性模量和泊松比，依据表2施加载荷获得图5c和图5d所示等效应力和变形位移云图。

3.2.1 主梁负载等效应力设计规范

主梁结构依靠前端底板，通过螺栓固定，整体可简化为悬臂梁结构。目前盾构行业没有推出梁类结构应力的设计准则，该结构与起重机械梁型结构相似，应力状态主要为弯曲拉应力，可参照起重机行业对梁类结构强度校核的相关规范［10］取Q345材质端梁的安全系数（nsp=2.4），对主梁结构负载应力状态进行校核，许用应力

图5c显示主梁最大应力为161.7MPa，为集中应力点，由于主梁所负载荷为低速非循环载荷，载荷简化为静载，又Q345B属于塑性材料，可以忽略集中应力对整体强度的影响；主梁其他区域最大等效应力为σmax=73.5MPa＜σp=115MPa，满足上述强度要求。

3.2.2 主梁负载变形位移设计规范

主梁属悬臂梁结构，其变形量直接影响管片拼装时的稳定性与精度控制，同时影响着相关联结构部件的平稳性。拼装机主梁的变形位移量目前行业内没有出台相关的规范，设计研发处于无据可依状态。《起重机设计规范》（GB/T3811-2008）对繁忙使用状态下的起重梁挠度f与起重机跨度L的关系做出的指导如式（4）所示。管片拼装机的主梁工况与上述起重梁相似，故可以此作为拼装机主梁变形的设计规范。

式中 L——主梁长度，取L=6230mm。

图5d显示主梁最大变形位移量f=5.26mm＜6.23mm，满足上述变形规范。

3.3 拼装机主梁安装螺栓校验

拼装机自重以及外载荷最终将由主梁底板的螺栓组承受，螺栓排布如图6所示，采用M36粗牙A级六角头螺栓，性能10.9级，预紧力340kN（约为0.5倍螺栓屈服强度），共116颗，关于中心对称。

图6 主梁联接螺栓排布

螺栓组承受综合弯矩M总和拖拉力F拉（如图7所示），此时螺栓组主要承受工作拉力，需满足螺栓拉应力强度校验。许用拉应力

式中，螺栓屈服强度σs=900MPa，安全系数S=1.2。

图7 主梁综合负载

螺栓组距离中心最远的螺栓承受的弯矩拉力F弯最大

最大工作拉力

螺栓危险截面的拉应力

式中，AS为螺栓危险截面积。

综上所述，螺栓组满足强度要求。

4 真空吸盘系统设计

4.1 真空吸盘系统原理

真空吸盘的控制原理如图8所示，真空吸盘具有与管片内弧面相匹配的曲面真空腔（如图2所示），与管片内弧面贴合后，电磁阀失电接通，面腔与真空存储腔C3（回转架内腔）连通，两腔内空气混合，数秒时间后面腔真空度达到80%，此时系统才允许进行后续动作。面腔分为3个部分，面腔C2+C1+C2组合用于抓取管片普通块，面腔C1用于抓取管片楔形K块。根据相关标准［11］要求，面腔真空度80%时，管片的抓取安全系数大于2.5，如式（9）所示，由公式可知面腔吸附面积SC越大，安全系数n越大。

图8 真空吸盘系统原理

式中 SC——面腔吸附面积；

P——大气压；

G管——管片质量。真空储备腔C3（回转架内腔）越大，为真空系统提供的真空支持越大，但也存在抓取不当，真空泄露后真空补充时间较长的问题，影响管片拼装进度。所以一般情况下，要求面腔密封条与管片内壁存在一定挤压量后，才允许真空系统接通实施抓取，防止真空过多泄露。

4.2 结构设计

4.2.1 密封条排布

在抓取过程中，面腔由真空吸盘外弧面与管片内弧以及密封条组成，密封条的排布情况直接影响到吸附面积SC的大小，即影响吸附安全系数。所以密封条排布在避让管片手孔、标识的同时，尽可能围绕组成更大的吸附面积，提高管片抓取的安全性。密封条排布如图9所示。

图9 密封条设计示意图

由于密封条的布置不可避免地设计为多边形状，在密封条拐弯处尽可能设计为钝角转弯，否则转弯处密封条挤压易出现泄露风险。

4.2.2 结构设计要点

土压敞开双模盾构要求真空吸盘结构保证功能完善前提下，主体厚度H尽量缩短（如图10所示），获得更大的回转内净空R2。由于K块拼装的特殊性，必须为K块吸盘设计独立的伸缩结构，伸缩结构需要足够的行程S1，便于相邻管片螺栓的安装。而伸缩行程S1直接制约主体厚度H，该项目中，根据经验设计S1=180mm。对于更大规格的管片拼装机，该值应适当增大。

图10 K块吸盘伸缩设计

5 结论

土压敞开双模式盾构管片拼装机的设计研究是对管片拼装机设计理论的完善和补充，为拼装机研发提供了设计方法和相关规范。

（1）为满足主机转弯要求，设计出了螺旋输送机的支撑限位结构。

（2）主梁负载大且复杂，通过有限元分析对主梁负载应力、变形进行了分析，并提出了相应设计规范。

（3）将主梁负载综合简化，对主梁联接螺栓进行了强度校验。

（4）通过对真空吸盘系统的分析，提出了增大安全系数和增大回转内净空的方法。

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［5］ 郭强，肖尧，顾建江等. 管片拼装机力学性能分析［J］. 系统仿真技术，2012，08（2）：158-164.

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［10］GB/T3811-2008. 起重机设计规范［S］.

［11］ GB/T 34650-2017. 全断面隧道掘进机 盾构机安全要求［S］.