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      盾構機管片吊運系統技術設計和應用

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-17 12:38:57    瀏覽次數:570    評論:0
      導讀

      1 概述盾構法隧道施工是指使用盾構機(也稱隧道掘進機),一邊控制開挖掌子面及圍巖不發生坍塌失穩,一邊進行隧道掘進、出渣,并在盾構機內拼裝預先制作的管片形成襯砌、實施壁后注漿,從而在不擾動圍巖的基礎上修筑隧道的方法[1]。該法集開挖、出渣、支護、襯砌等功能于一體,可連續掘進,掘進速度較快,效率高[2];相較傳

      1 概述

      盾構法隧道施工是指使用盾構機(也稱隧道掘進機),一邊控制開挖掌子面及圍巖不發生坍塌失穩,一邊進行隧道掘進、出渣,并在盾構機內拼裝預先制作的管片形成襯砌、實施壁后注漿,從而在不擾動圍巖的基礎上修筑隧道的方法[1]。該法集開挖、出渣、支護、襯砌等功能于一體,可連續掘進,掘進速度較快,效率高[2];相較傳統人工作業及鉆爆法等施工方式,極大改善作業人員勞動條件,減輕體力勞動量,人員在盾殼保護下施工,避免了其他施工法可能造成的人員傷亡事故,安全性大大提高。本文著重闡述盾構機管片運輸相關技術內容及特點。

      2 管片吊運系統

      管片吊運系統是盾構管片運輸過程中的一個組成部分。管片從隧道外通過隧道電瓶車運送至盾構機后配套拖車指定位置,經由管片吊運系統輸送至管片小車,再由管片小車將管片輸送至管片拼裝機拼裝區域[3],該方式以泥水盾構應用為主。也可直接由管片吊運系統直接從盾構機后配套拖車位置直接輸送至管片拼裝區域,該方式以土壓平衡盾構應用為主。

      管片吊運系統一般由垂直起吊系統、水平輸送系統、安全限位及制動系統、電氣液壓控制系統、報警系統等部分組成。管片吊運系統的設計接口,多與實際工況要求、管片型式、后配套拖車設計接口、拼裝機設計接口以及出渣系統設計接口相關聯。

      3 吊運技術綜合分析

      管片吊運系統設計,根據工況要求,一般行走速度在10m/min左右,行程在20m-100m之間,根據隧道開挖直徑大小,整環管片采用“5+1”拼裝方式,管片厚度常見250mm,300mm,350mm,500mm,單環管片寬度1.2m或1.5m,少數1m,因此單塊管片重量不一,1.5噸,4噸,8噸不等。因此設計合理的吊運技術方案,顯得尤為重要。

      管片吊運系統,從軌道數量分,常見有單軌梁式、雙軌梁式和單-雙梁結合式,軌道梁可以是平直軌道,也可以是帶彎曲弧度的軌道;從水平運輸機構形式分,常見有齒輪齒條式、鏈輪鏈條式、摩擦輪式;從起吊方式上分有,液壓卷揚式,油缸起吊式、電動葫蘆起吊類,從管片抓取方式分,機械抓取式,真空吸盤式。下面詳細介紹下各型式吊運系統。

      3.1 單軌梁式。單根軌道,承載重量有限,一般不超過2噸,多半在行程短或管片重量輕的情況下采用此設計方案,具有占用空間少,電氣液壓控制簡單的有點,但單梁式一般單點起吊,起吊運輸過程中,容易晃動,易對周圍設施如管路、電氣元器件等造成碰撞性損壞,運輸平穩性差,尤其是管片在旋轉90°時對起吊支承索具損壞較大,鋼絲繩或葫蘆鏈條易打轉或磨損,疲勞壽命短。

      單梁式吊運系統多在小型盾構機(開挖直徑小于6m,常見3m至5.5m)上設計使用,多數配合采用油缸起吊或電動葫蘆起吊,少數采用液壓卷揚起吊;采用摩擦輪式或鏈輪鏈條式行走方式。

      3.2 雙軌梁式。采用雙梁式,承載能力范圍廣,可在較遠距離、重載情況下使用,較為普遍。該形式,多數采用電動葫蘆起吊,很少采用油缸或者卷揚形式起吊。行走采用鏈輪鏈條、摩擦滑輪式或齒輪齒條式。

      雙梁式單根軌道運行機構可單獨控制,也可雙軌聯動控制,電氣控制較為復雜。聯動控制時,雙軌運動及起吊同步性取決于眾多因素。進行較遠距離運輸時,電氣控制電纜偏長,有較大或較嚴重的下垂現象,對電纜回卷(收)質量以及電纜壽命有很大影響,電纜易磨損斷,影響控制信號傳送。

      與單軌梁式比,雙梁式控制附件以及機械結構附件偏多,成本以及維護成本相對較高;但是,在使用過程中,采用兩端起吊中間抓取管片方式,管片運行相對平穩,在管片轉動90°過程中,起吊索具打轉角度小,對起吊索具的損壞程度相對較小。

      雙梁式吊運系統多應用在普通盾構(開挖直徑6m至8m)和大型盾構(開挖直徑8m級以上)。

      3.3 單-雙梁結合式。這種形式,主要是應用在長距離或其他運輸空間受限制或隧道轉彎半徑過小的場合。一般在靠近開挖端布置單梁結構,在管片輸送端布置雙梁結構,二者有效重合距離超過管片寬度。

      該方式有效解決了單一雙軌梁或單軌梁結構不能解決的問題,但在單-雙梁重合段設計以及控制設計上,其結構較復雜,成本較高,因不同位置布置的其他設備不一樣,選擇合適的重合位置比較重要。

      3.4 齒輪齒條式。管片運輸,水平移動由齒輪和齒條嚙合傳動實現,承載工況條件及環境惡劣,隧道內潮濕,泥水、砂石土渣灰塵較多,對齒輪齒條的加工技術和熱處理要求嚴格。根據軌道設計形式,齒條有可能需要設計成帶一定彎曲半徑的形式,其加工、熱處理以及齒條與軌道焊接拼接工藝相對復雜。其優點在于承載能力及穩定性好,制動性好,適應能力強。

      3.5 鏈輪鏈條式。傳動原理,與齒輪齒條式相同,將鏈條固定焊接在軌道上,鏈輪在鏈條上行走,實現管片水平運輸功能。該式相對簡單,只需選用合適起重鏈條,免去弧度加工難題,避免了轉彎齒輪齒條嚙合設計難點,整體加工成本和維護成本偏低,運行穩定性比齒輪齒條式略微偏低,同步性受到一定程度影響;但在隧道掘進機上為常用吊運方式。

      3.6 摩擦輪式。摩擦輪式吊運系統設計,依靠摩擦輪與光滑軌面的摩擦力驅動,實現水平傳動;但是其制動穩定性較齒條式和鏈輪式偏差,對帶弧度軌道適應性差,輸送功能受限,往往不能輸送到管片拼裝機拼裝區域,需借助管片小車(轉下頁)完成整個吊運功能。其成本比齒輪式和鏈輪式偏低,在直軌道區域應用較多。

      3.7 液壓卷揚式。主要通過卷揚方式,控制管片水平運動或起吊運動,結合液壓馬達,控制水平速度或起吊速度。結構相對簡單,日常維護簡單,對卷揚筒設計及控制要求高,空間占用相對較大,卷揚筒加工難度大,對鋼絲繩選用要求高,制動性能相對較弱。

      3.8 油缸起吊式。用油缸取代卷揚筒,控制簡單,節約空間,但滑輪組使用偏多,對鋼絲繩綜合使用性能有影響,制動性能相對較弱,成本低廉。選擇合理的鋼絲繩和布置滑輪組是設計的關鍵,考慮機械制動與液壓制動是其設計難點。

      3.9 電動葫蘆起吊式。電動葫蘆作為起吊裝置,放在軌道梁上,由行走電機驅動行走,可由手電門或無線遙控控制,可聯動或單獨控制。起吊時能實現良好的同步性能和制動性能,控制可靠,起吊運行平穩,但在惡劣環境下使用,使用壽命受到限制,需做好防水擋泥及散熱措施。

      3.10 機械抓取式。機械抓取式,是設計專用的機械手,實現對管片的抓取。一種是在管片一側設計兩個機械爪,在另一側對稱設計,實現平衡抓取,避免管片在移動過程中發生晃動或移動,保證安全。另一種是在管片重心位置處實現抓取,在管片重心位置處安裝起吊螺栓,配合設計一款可抓取起吊螺栓并實現360°自由旋轉的機械裝置。

      機械手設計安全系數高,安全可靠,,但使用空間受到限制。在考慮成本的前提下,機械抓取式在普通和大型盾構機中應用廣泛。

      3.11 真空吸盤式。真空吸盤式,在機械抓取式基礎上改進而來,其行走機構不變,對管片的抓取采取真空吸取,配備真空泵,對真空密封保壓、吸盤壓縮材料以及管片表面要求較高;但其承載能力大,具有較好的保壓延時性,安全性較高;因此在超大盾構機管片運輸系統中得到良好應用。

      4 結論

      本文綜合性論述了隧道掘進機有關管片吊運技術,從軌道型式,水平行走和起吊方式上進行詳細的闡述。在特定工況模式下,需詳細分析設計。盾構開挖直徑,地質結構,管片布置形式,運輸控制要求,成本要求和安全性等要求,對具體的吊運技術選擇,均有不同影響。在設計過程中,需與實際工況要求、管片型式、后配套拖車設計接口、拼裝機設計接口以及出渣系統設計接口相關聯。

      參考文獻

      [1]何川,封坤等.盾構法修建地鐵隧道的技術現狀與展望[J].西南交通大學學報,2015,5(1).

      [2]蘇海鵬.盾構法隧道施工過程中的安全控制策略研究[J].四川建材,2013,39(1).

      [3]王磊,袁文征.盾構管片吊運系統平衡梁結構設計及優化[J].建筑機械,2016(4).


       
      (文/小編)
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