盾构机管片吊运系统结构优化设计

GXF360 2017-06-22

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盾构机管片吊运系统结构优化设计

宋德华1，石小伟2，马哲3

（中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450000）

［摘要］针对盾构机管片吊运系统中，管片运输小车占用隧道拼装区域空间，人员通行不便，皮带掉渣时难以清理，主梁式拼装机费用昂贵，现设计一种新型的管片吊运系统，取消管片输送小车，将直吊机梁改为双弯梁结构，使用环式拼装机，直接将管片运输到管片拼装区域。新的管片吊运系统增加了隧道拼装区域的空间，方便渣土的清理，提高了管片运输效率。

［关键词］盾构；管片吊运系统；管片吊机梁；管片拼装机；结构优化

盾构法施工以其对地面、地下环境影响小，掘进速度快，地表沉降小等特点，广泛应用于地下隧道建设中［1］。盾构机在掘进的同时，利用预制混凝土管片对隧道进行支护加固，并确保隧道的管片拼装质量，防止地下渗水，土砂崩塌，才能保证隧道施工质量的高效和快速［2］。因此一种高效安全的管片吊运系统才能够保证工程的进度和质量，管片吊机以及管片拼装机作为吊运系统的重要组成部分，承担着管片的吊运、抓取、拼装和调向等工作，在管片吊运系统的结构设计中应着重考虑吊机和拼装机的优化设计，以满足管片吊装的高效安全［5］。

1 常规盾构的管片吊运系统结构组成

图1 管片吊运系统结构

某常规盾构管片吊运系统结构如图1所示，整个吊运系统包括管片吊机、管片输送小车、管片拼装机。其中管片吊机采用双直梁双吊机方式，布置在一号台车和设备桥上，管片输送小车可放置3片管片，剩余3片暂存储在轨道铺设空间处，管片拼装机采用主梁式。管片吊机采用双梁双吊机方式布置，其轨道梁采用标准H型钢制作，且布置在设备桥和一号拖车上。轨道梁前部与设备桥固定联接，后部与拖车浮放联接，两者之间为不完全万向铰接，以适应盾构转弯以及爬坡要求。管片吊运流程为：通过管片吊机将3片管片逐一转运到管片输送小车上，然后通过管片输送小车输送到管片拼装区域，管片拼装机通过主梁行走到可以抓取管片的位置，抓取管片进行拼装。

由图1可以看到，整个管片运输系统中，管片运输小车位于皮带输送机接渣的位置，底部容易堆积渣土，难以清理，同时也增大了管片小车的故障率。小车出现故障时，影响管片的运输，进而影响到整个工程的施工进度。图示所用管片拼装机为主梁式拼装机，结构繁琐、价格昂贵。

2 吊运系统结构优化设计

针对上述盾构机吊运系统的缺点，现设计一种新型的管片吊运系统如图2所示。新型管片吊运系统由单梁吊机、管片过渡平台、双弯梁吊机、环式拼装机等组成。具体吊运流程：单梁吊机将编组列车上的管片转运到管片过渡平台，然后通过双弯梁吊机直接将管片运输到拼装区域，环式拼装机抓取管片进行拼装。

由图2可见，新型管片吊运系统取消管片输送小车，采用单梁吊机转双梁吊机的吊运形式，拼装机改为环式拼装机。其中的管片过渡平台又起到防止编组列车溜车的作用。其中的双弯梁吊机的吊机梁采用斜坡式，吊机由斜坡梁转运到盾尾平台的水平段吊机梁，进而满足了管片拼装机的抓取行程，并且双弯梁的左右梁相互独立，分别采用销轴铰接以及油缸铰接，满足掘进转弯要求。当编组列车行走到管片过渡平台边界处时，图示的前3片管片可由双弯梁吊机直接吊运，提高了运输效率。环式拼装机相对于常规的主梁式拼装机，结构相对简单，价格便宜。

图2 新型管片吊运系统

3 新型吊运系统设计关键点

新型管片吊运系统的设计关键点在于吊机的选取时，由于双弯梁为斜坡形式，当吊机负载运行时，防止发生溜车现象，双弯梁的钢结构设计满足刚度和强度要求，保证吊机平稳运行。

针对斜坡吊机以φ6600mm外径管片为例：管片重量Q=8000kg，盾构小车重量：G=1200kg，吊机工作级别M5，吊机运行速度：v=10m/min。吊机主要受到的力为摩擦阻力、坡道阻力、静阻力。

（1）摩擦阻力计算。摩擦阻力

式中 β——附加摩擦阻力系数，取2；

g——重力加速度，取9.81m/s2；

f——滚动摩擦系数，取0.3；

μ——车轮轴承摩擦系数，取0.015；

d—— 与轴承配合处车轮轴的直径，取35mm；

D——车轮踏面直径，取120mm。

（2）坡道阻力计算。

考虑轨道安装时的高低差，轨道坡度按11.5°计算，则坡道阻力

（3）静阻力计算。

（4）运行电机功率计算。运行电机静功率

式中 η——机械传动效率，取0.85；m——运行电机的数量，取2。

由结果可知，选取的管片吊机电机额定功率不能小于3.47kW。选取电机后，再对电机的制动力矩进行校核。

双弯梁结构应力应变分析：单面吊机梁主要受到的载荷为管片重力的一半（按4000kg计算，运行到结构的中点为最危险点）、结构的自重以及盾构掘进过程中对后配套的拖拉力，在进行有限元计算时材料的弹性模量和泊松比分别取：E=2.1×1011Pa和υ=0.3，密度为ρ=7.85×103kg/ m3。网格划分形式采用四面体单元进行自由网格划分，并对局部网格进行了优化，应力应变如图3所示。