大直徑盾構(gòu)機(jī)預(yù)制件吊運(yùn)技術(shù)綜述

劉學(xué)

摘 要：隨著國(guó)家大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)的加快，盾構(gòu)機(jī)對(duì)物料輸送裝備性能的要求越來(lái)越高。本文分析了直徑為8-15m級(jí)隧道結(jié)構(gòu)型式，對(duì)盾構(gòu)機(jī)預(yù)制件吊運(yùn)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，并針對(duì)具體隧道工程設(shè)計(jì)了物料輸送系統(tǒng)。最后指出了未來(lái)盾構(gòu)機(jī)物料輸送系統(tǒng)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：大直徑盾構(gòu)機(jī);隧道預(yù)制件;吊運(yùn)技術(shù)

隨著混凝土構(gòu)件預(yù)制件裝配技術(shù)在隧道工程中的廣泛應(yīng)用，管片、仰拱塊、箱涵等預(yù)制件的吊運(yùn)拼裝已成為盾構(gòu)機(jī)連續(xù)施工的關(guān)鍵工序。預(yù)制件吊運(yùn)裝備需要具備抓取、負(fù)載行走、橫移翻轉(zhuǎn)等多種功能，其技術(shù)水平對(duì)盾構(gòu)機(jī)整機(jī)性能發(fā)揮至關(guān)重要。

預(yù)制件吊運(yùn)技術(shù)與盾構(gòu)機(jī)類型、預(yù)制件類型、物料運(yùn)輸方式、后配套布置方式、隧道縱向坡度和橫向曲率半徑等多種因素相關(guān)，因此，針對(duì)具體隧道工程需要進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。目前對(duì)于盾構(gòu)機(jī)預(yù)制件吊運(yùn)技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者取得了一些有價(jià)值的研究成果。吳惠明[1]結(jié)合海瑞克15.43m超大直徑盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的上海長(zhǎng)江隧道，對(duì)其物料運(yùn)輸系統(tǒng)、列車編組進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。王善高[2]等針對(duì)南京緯三路14.93m單管雙層過(guò)江盾構(gòu)隧道工程，提出了預(yù)制件快速施工方案。謝波[3]針對(duì)南京地鐵10號(hào)線大直徑泥水盾構(gòu)修建工程，對(duì)比了有軌運(yùn)輸與無(wú)軌運(yùn)輸?shù)膬?yōu)缺點(diǎn)。本文對(duì)8-15m級(jí)大直徑盾構(gòu)機(jī)在城際鐵路、機(jī)場(chǎng)快速線、過(guò)江跨海等典型隧道工程的預(yù)制件吊運(yùn)技術(shù)進(jìn)行研究，以期為國(guó)內(nèi)大直徑全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)發(fā)展提供技術(shù)支撐[4]。

1 8-10m級(jí)盾構(gòu)機(jī)預(yù)制件吊運(yùn)系統(tǒng)

（1）國(guó)內(nèi)8-10m盾構(gòu)機(jī)預(yù)制件吊運(yùn)系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀。8-10m級(jí)盾構(gòu)隧道主要應(yīng)用于坡度小于5%、行駛速度在120-200km/h之間的城際鐵路、機(jī)場(chǎng)快速通道、市政工程領(lǐng)域。預(yù)制件寬度為1500-2000mm、重量在6.5-10t之間。盾構(gòu)機(jī)預(yù)制件吊運(yùn)設(shè)備主要由管片吊機(jī)構(gòu)成，具有管片抓取、負(fù)載行走、橫移翻轉(zhuǎn)等功能。管片吊運(yùn)流程為吊機(jī)從運(yùn)輸車上將管片吊運(yùn)到喂片機(jī)上，然后將管片輸送給拼裝機(jī)進(jìn)行拼裝。從管片抓取方式、吊機(jī)行走驅(qū)動(dòng)方式、起升機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式等分析，吊機(jī)吊運(yùn)技術(shù)多種多樣，具體形式如表1所示：

（2）北京新機(jī)場(chǎng)線9.1m盾構(gòu)機(jī)預(yù)制件吊運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。北京軌道交通新機(jī)場(chǎng)線盾構(gòu)隧道采用“7+1”七分塊設(shè)計(jì)，管片外徑8.8m，內(nèi)徑7.9m，壁厚0.45m（C50），隧道最大坡度25‰，管片環(huán)寬1.6/1.8m，管片最大重量7T。隧道采用ZTE9100土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，刀盤開挖直徑9150mm，最大轉(zhuǎn)速2.8rpm，最大推進(jìn)速度80mm/min。

為滿足ZTE9100土壓平衡盾構(gòu)機(jī)快速施工要求，預(yù)制件吊運(yùn)系統(tǒng)（圖1）由管片吊機(jī)、2組管片卸載器組成。管片吊運(yùn)流程為：管片運(yùn)輸車將管片從隧道外運(yùn)輸至后配套一號(hào)拖車管片卸載位置，由管片卸載器將管片定點(diǎn)提升，管片運(yùn)輸車退出后，管片吊機(jī)沿直斜軌道利用真空吸盤從管片卸載器上依次將管片吊運(yùn)至管片拼裝機(jī)抓取區(qū)域，直至吊運(yùn)完整環(huán)管片。

管片吊機(jī)額定起重量為8噸，適應(yīng)軌道傾角<12°、行走速度15m/min～35m/min;采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條行走、2臺(tái)8噸鋼絲繩電動(dòng)葫蘆起升、回轉(zhuǎn)式真空吸盤抓取管片。管片吊機(jī)在整個(gè)行程中，通過(guò)兩個(gè)液壓油缸自動(dòng)伸縮保證管片始終處于水平位置。單組管片卸載器由兩個(gè)液壓油缸同步驅(qū)動(dòng)，額定起重量25噸、提升高度700mm、提升速度1750mm/min、橫移距離170mm。

2 11-15m盾構(gòu)機(jī)預(yù)制件吊運(yùn)系統(tǒng)

2.1 國(guó)內(nèi)11-15m盾構(gòu)機(jī)預(yù)制件吊運(yùn)系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

目前，我國(guó)在上海、南京、上海、武漢等多個(gè)城市采用盾構(gòu)法完成了20多個(gè)直徑為15m級(jí)公、鐵路隧道的建設(shè)，但這些隧道主要由海瑞克、三菱、NFM等國(guó)外品牌盾構(gòu)機(jī)開挖完成，國(guó)內(nèi)自主品牌大直徑盾構(gòu)機(jī)研制還處于起步階段。

國(guó)內(nèi)11-15m級(jí)典型盾構(gòu)預(yù)制件吊運(yùn)系統(tǒng)配置型式如表2所示，預(yù)制件吊運(yùn)系統(tǒng)主要由單、雙管片、箱涵吊機(jī)、管片轉(zhuǎn)運(yùn)小車、喂片機(jī)等組成。根據(jù)隧道截面中箱涵高度不同，箱涵吊機(jī)需要完成Z軸或Y軸90°的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，為節(jié)約運(yùn)輸空間，箱涵吊機(jī)與單管片吊機(jī)或雙管片吊機(jī)共軌布置逐漸成為主流。吊運(yùn)設(shè)備也根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)、線路坡度、物料運(yùn)輸方式等的不同而進(jìn)行了大量創(chuàng)新。

2.2 常德沅江公路隧道11.71m盾構(gòu)機(jī)預(yù)制件吊運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常德沅江過(guò)江隧道采用雙管單層雙向四車道設(shè)計(jì)，最高時(shí)速60km/h，全長(zhǎng)2240m，管片外徑11.300m、內(nèi)徑10.3mm、環(huán)寬2m，箱涵高度3.203m。隧道施工采用ZTS11710泥水盾構(gòu)機(jī)單線單向施工。刀盤開挖直徑11.75m、最高轉(zhuǎn)速2.6rpm、最大推進(jìn)速度60mm/min。盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)的最大隧道坡度為50‰。

盾構(gòu)機(jī)預(yù)制件吊運(yùn)系統(tǒng)（圖2）主要由箱涵吊機(jī)、雙管片吊機(jī)、管片轉(zhuǎn)運(yùn)小車、單管片吊機(jī)、喂片機(jī)等組成，雙管片吊機(jī)與箱涵吊機(jī)前后共軌運(yùn)輸。管片吊運(yùn)流程為：箱涵吊機(jī)位于指定區(qū)域，雙管片吊機(jī)從管片運(yùn)輸車上抓取兩塊管片下放至管片轉(zhuǎn)運(yùn)小車上，然后將管片運(yùn)輸?shù)街付▍^(qū)域，由單管片吊機(jī)依次將單塊管片運(yùn)輸?shù)轿蛊瑱C(jī)上，最后由喂片機(jī)運(yùn)輸至管片拼裝機(jī)下方進(jìn)行拼裝。箱涵吊運(yùn)流程為：雙管片吊機(jī)位于指定區(qū)域，箱涵吊機(jī)依次從管片運(yùn)輸車上將箱涵抓取吊運(yùn)至箱涵拼裝區(qū)域后通過(guò)Y軸90度翻轉(zhuǎn)、橫移、下放等動(dòng)作將箱涵拼裝到位。

箱涵吊機(jī)、單雙管片吊機(jī)采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條行走、吊機(jī)前后都布置兩個(gè)液壓油缸左右橫移調(diào)整吊具抓取位置、滑觸線供電，可同時(shí)用遙控與線控操作。箱涵吊機(jī)、雙管片吊機(jī)利用液壓抓手抓取箱涵與雙管片，單管片吊機(jī)用回轉(zhuǎn)式真空吸盤抓取管片。箱涵吊機(jī)用3臺(tái)25噸鋼絲繩電動(dòng)葫蘆、定動(dòng)滑輪組成，額定起重量為16噸，可將箱涵橫向翻轉(zhuǎn)90度。雙管片吊機(jī)采用4臺(tái)10噸環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆起吊管片，額定起重量為26噸;單管片吊機(jī)用4臺(tái)5t環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆起吊單管片，額定起重量為12.5噸。管片轉(zhuǎn)運(yùn)小車用液壓油缸驅(qū)動(dòng)卸載架卸載管片，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈條轉(zhuǎn)運(yùn)兩塊管片。

3 盾構(gòu)機(jī)預(yù)制件吊運(yùn)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

目前，盾構(gòu)機(jī)預(yù)制件吊運(yùn)系統(tǒng)主要向以下幾個(gè)方向發(fā)展：

3.1 微型化、模塊化、多樣化

隨著盾構(gòu)機(jī)向微型化、大型化方向不斷發(fā)展，隧道結(jié)構(gòu)型式、空間尺寸、施工方式更加多樣，促使預(yù)制件吊運(yùn)設(shè)備向小型化、大坡度、大噸位、超低凈空方向發(fā)展，以滿足大范圍不同類型的盾構(gòu)施工需要。同時(shí)將行走、起升、橫移等功能部件模塊化、通用化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)專用吊機(jī)的規(guī)?；a(chǎn)，箱涵、仰拱塊等預(yù)制件吊具接口統(tǒng)一化可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能，從而大幅降低產(chǎn)品研發(fā)周期與制造成本。

3.2 產(chǎn)品輕量化、全生命周期設(shè)計(jì)

輕量化技術(shù)是輕量化設(shè)計(jì)、輕量化材料和輕量化制造技術(shù)等的集成應(yīng)用，其最終目標(biāo)是產(chǎn)品重量、性能和成本因素的綜合優(yōu)化。目前預(yù)制件吊運(yùn)設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)自重約占整機(jī)自重的40～70%，結(jié)構(gòu)尺寸超寬超高嚴(yán)重降低了設(shè)備的適應(yīng)性。采用起重機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)理論與方法，將機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、輕合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材料應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)綠色制造的有效手段。

3.3 自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化

隨著盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，大埋深、高水壓、長(zhǎng)距離隧道大量涌現(xiàn)，高溫、高濕、粉塵、有害氣體環(huán)境施工普遍存在，施工人員的健康安全面臨重大挑戰(zhàn)。通過(guò)將起重機(jī)安全監(jiān)控技術(shù)、裝備智能感知自主技術(shù)、無(wú)線遙控等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到預(yù)制件吊運(yùn)裝備，是未來(lái)盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)化、智能化、機(jī)器人化的重要組成部分。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王善高，史世波，舒恒等.單管雙層特長(zhǎng)盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)預(yù)制施工技術(shù)—以南京緯三路過(guò)江盾構(gòu)隧道工程為例[J].隧道建設(shè)，2016，36（04）：451-457.

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