特殊工况下土压平衡盾构机连接机构的设计

徐耀斌（上海隧道工程有限公司，上海 200032）

盾构机是一种使用盾构法隧道掘进的专用工程机械，可分为手掘式、半机械式以及机械式这三大类。现代机械式盾构机集光、电、液、传感、控制于一体，主要分为泥水平衡盾构、土压平衡盾构、全断面硬岩隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM）等形式，对城市地下铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等隧道建设带来诸多便利。

土压平衡盾构机具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。其基本结构如图 1 所示，主要由刀盘、驱动机构、盾体、管片拼装机、螺旋机、皮带机、管片储运机构、连接机构、工作平台、后续配套车架等组成。土压平衡盾构机的基本原理：由刀盘切削土层，切削后的泥土进入土腔，土腔内的泥土与开挖面压力取得平衡的同时由土腔内的螺旋输送机出土，装于排土口的排土装置在出土量与推进量取得平衡的状态下，进行连续出土。

图1 土压平衡盾构机基本结构

连接机构连接的是盾构主体以及后续的配套车架，其最主要的作用就是传递推进油缸的推进力来牵引后续的配套车架，除此之外，连接机构还承担着盾构机转弯；预留行人、管线通道；预留“口”子件翻身、铺设位置；车架轨道铺设位置等作用。

一般连接机构的类型有牵引梁、牵引桥架、牵引车架这三种，根据其不同的形式而得名。牵引梁为两侧单独的梁形式，所占用的空间最小，最为灵活；牵引桥架则是悬空的桥架结构，桥架整体结构较为强壮，其上面所能利用的空间也较多；而牵引车架则是轮子落地的结构形式，受力情况最好，连接机构上所能利用的空间也最多。

1 项目技术难点

本项目依托于上海市龙水南路越江隧道工程，采用的是Φ11660 mm 土压平衡式盾构机，最大坡度为 5.9%。该土压平衡式盾构机连接机构的设计具有三大难点：

（1）出洞时在加固区便面临 400 m 的转弯半径，转弯半径小，对于通过性提出了高要求；

（2）始发时，后续车架轴线与盾构主机轴线存在最大 1130 mm 的高差，需要通过连接机构来过渡掉这部分高差。

（3）本项目由于采用地面出入式盾构法（Ground Penetrating Shield Technology，GPST）进行进洞，施工过程中需要穿越浅覆土、超浅覆土等各种复杂多变的工况，需设计管片稳定机构。针对在零覆土、超浅覆土工况下，管片自立性差、结构易变形的问题，设计管片支撑装置对管片的变形进行限制，将管片变形控制在合理范围内。管片稳定装置位于连接结构前部，需要对其加以设计排布。

2 连接机构方案排布设计与确定

首先，连接机构的总长可由皮带机确定，根据皮带机的高差 △h=3448mm以及倾斜角度 α=12°，可得连接机构的总长 s 如式（1）所示。

根据传统连接机构的方式以及为满足管片稳定装置的结构需求，排布了两个方案：方案一：牵引梁内穿管片稳定装置；方案二：管片稳定装置和牵引车架做为一体。

其中方案一牵引梁内穿管片稳定装置中，管片稳定装置与牵引梁都为拼装平台独立牵引，管片稳定装置因为受到周向的土压力，需落地；而牵引梁为悬空内穿管片稳定装置，管片稳定装置与牵引梁之间会有相对移动，工程始发时的最大 1130 mm 高差使得牵引梁的行人以及管路通过性难以保证。

而方案二使用牵引车架的方案，则在始发阶段，因存在1130 mm 高差且前方底部轨道难以铺设，导致整节牵引车架在始发阶段难以落地，且不利于保证 400 mm 的最小转弯半径。

分析方案一和方案二两种较为传统的连接机构方式在此项目中的优劣势，为了同时满足前部管片稳定装置的落地要求以及始发时存在的最大 1130 mm 高差。综合方案一和方案二，把整个连接机构做前后的分段式设计，初步为此特殊工况设计确定出连接机构方案，其中前部为了满足管片稳定装置的受力情况，做牵引车架的形式，五环管片稳定装置做可拆式设计，总长为 6585 mm，牵引车架整体斜轮落地，受拼装平台单侧油缸单侧拉杆牵引；后部则为了保证通过性以及灵活性，做牵引梁设计，轴向距离为 8725 mm，其中牵引梁的前后连接结构因为始发井中存在 1130 mm 较大高差需做特殊设计。

3 牵引梁的设计校核与计算

首先，先在 CAD 中排布一下牵引梁的边界条件：① 排布一下牵引梁在 400 m 最小转弯半径时所需要的转角以及牵引油缸所需要的行程。可知（牵引梁可借鉴车架长度），400 m 最小转弯半径时所需要的转角 ＜ 2°，牵引油缸所需要的单边行程 ＜160 mm，即牵引油缸需要的行程为320 mm。② 根据在始发井中存在的最大 1130 mm 的高差，可知，倘若正常推进状态为水平一轴线的情况，则在始发最大高差 1130 mm时，牵引梁的倾角θ如式（2）所示。

为了避免过大的倾角，故把牵引梁正常推进状态下设计为带有一定倾角的形式。设计始发最大高差时牵引梁的倾角为 5°，可得，在正常推进状态下牵引梁的倾角为 2.4°。始发时牵引梁最大倾角 5°。

根据牵引梁轴向长度为 8725 mm 以及正常推进情况下牵引梁的倾角为 2.4°，可以计算出牵引梁总长 L 如下式（3）所示。

常规牵引梁的连接结构，单边用牵引油缸加关节轴承的滑槽式设计，牵引油缸的伸缩行程以满足转弯时候两条牵引梁之间的长度差，底部做半圆形滑动装置支撑住牵引梁使油缸不受径向力，两侧槽钢进行左右限位，以满足转弯时候的要求，油缸里套有关节轴承可满足上下坡时候上下转动的自由度；另一边无牵引油缸，采用销轴结构；但是此设计不可满足本工程中存在的较大高差的情况。

故为满足龙水南路特殊工况，设计有如图 2 所示的牵引梁连接结构，取消螺栓连接的形式，分别设计为上下铰接和左右铰接的耳座形式分别与前端的牵引桥架以及后端的车架进行连接。对于单边有牵引油缸连接结构的设计：首先，限制原来滑槽结构上下转动的自由度，使牵引梁在上下转动的过程中不让牵引油缸受到径向力；其次，在原来结构的基础上增加一个可以上下转动的铰接以满足上下转动的角度要求，并在耳座中间设计有关节轴承，使其能够满足转弯时候的角度。对于另一边没有牵引油缸连接结构的设计，则是设计有左右铰接的耳座，耳座中同样是设计有关节轴承，以满足最大为 5° 的转动，且此处左右铰座的设计可以完成对于牵引梁上下铰机械限位的要求。

图2 龙水南路牵引梁的连接结构

在完成连接结构的初步预想设计，需对于前后连接处的牵引油缸、关节轴承、销轴、耳座结构进行选型、计算与校核。

① 牵引油缸：牵引油缸的行程根据最小转弯半径选用320 mm；还需校核牵引油缸的牵引力，后续四节车架总重约为 400 t，综合坡度、摩擦系数、过台阶的情况以及放安全系数，取综合拉力系数为 μ=0.3，F= μ×G=0.3×400=120 t。则单边牵引油缸拉力需 60 t，根据油缸压力以及截面积校核，如式（4）所示。

故校核通过。

② 关节轴承：关节轴承的选型需综合考虑所受载荷以及转动角度，根据所受载荷 60 t 以及最大转角为 5°，选用 GE100ES 的润滑型向心关节轴承，其额定动载荷为607 kN，最大转角为 6°。

③ 销轴：销轴需校核其所受剪力，根据所选用的关节轴承，其直径 d=100 mm，校核其剪力如（5）所示。

故校核通过。

④ 耳座结构：耳座的结构做机械限位设计，需校核机械限位的角度是否满足最大转角5°。耳座的最远处到轴心的距离为 150 mm，而耳座两边间隙留的各位 15 mm，通过轴套去做轴向定位，校核机械限位的角度，如式（6）所示。

故校核通过。

最后完成对于牵引梁的整体设计。

4 结 语

本文依托于上海市龙水南路越江隧道工程的特殊工况，因传统连接机构形式的各种局限性，对于 Φ11660 mm 的土压平衡式盾构机提出并采用了全新的分段式连接机构设计。除此之外，因为具有罕见高差的始发井结构，对于牵引梁的连接结构进行了重新设计与校核。新式的牵引梁连接结构还具备进一步的改造潜力，以满足更大角度转动、更大载荷牵引的能力，对于拥有各自由度重载悬臂铰接的连接结构具备一定的借鉴意义。