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    超大直徑盾構(gòu)機主體原地調(diào)頭的控制方法

    2014-06-08 01:39:12劉建春
    石油化工建設(shè) 2014年2期
    關(guān)鍵詞:托架液壓缸盾構(gòu)

    劉建春

    上海上安機械施工有限公司 上海 200439

    超大直徑盾構(gòu)機主體原地調(diào)頭的控制方法

    劉建春

    上海上安機械施工有限公司 上海 200439

    以實際工程為例,介紹了超大直徑盾構(gòu)機在工作井內(nèi)平移、調(diào)頭的控制方法,對今后的超大直徑盾構(gòu)機完成一次掘進(jìn)后轉(zhuǎn)場進(jìn)行二次回推具有很好的借鑒意義。

    超大直徑 盾構(gòu)機 原地調(diào)頭 控制方法

    盾構(gòu)機是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機械,隨著社會的發(fā)展,越來越多的城市選擇地下軌道交通作為緩解城市交通壓力的工具。在地鐵工程的建造過程中,當(dāng)盾構(gòu)機掘進(jìn)到接井后,必須在工作井內(nèi)平移到隔壁返回隧道的出發(fā)井位置,然后回轉(zhuǎn)180°,對準(zhǔn)返回隧道工作面進(jìn)行反向二次掘進(jìn)作業(yè),這是一種常用的雙線隧道的施工方法。施工中如何精確控制盾構(gòu)機主體傾角及實現(xiàn)原地調(diào)頭作業(yè)有一定的技術(shù)難度,尤其是主體傾角的精確控制,需借助計算機才能很好實現(xiàn)。

    1 工程概述

    上海長江西路隧道主體工程由南、北線兩條圓隧道組成,南線隧道盾構(gòu)機從浦東工作井始發(fā)向浦西方向掘進(jìn)施工,進(jìn)入浦西接收井后,在工作井內(nèi)盾構(gòu)機平移、回轉(zhuǎn)180°調(diào)頭、對位,再向浦東方向掘進(jìn),從而完成北線圓隧道施工。本工程中涉及到的15.4m超大直徑盾構(gòu)機其外型尺寸較大,整體重量重,屬世界上最大的盾構(gòu)機之一,需要橫移至返回隧道位置,并完成旋轉(zhuǎn)調(diào)頭作業(yè)。由于工作井內(nèi)場地狹小,大大增加了施工作業(yè)的難度。

    2 盾構(gòu)機主體移位調(diào)頭步驟

    盾構(gòu)機由浦東向浦西掘進(jìn)施工,在浦西出口井處設(shè)立施工基礎(chǔ),在盾構(gòu)機調(diào)頭場地內(nèi)鋪設(shè)約30mm厚的細(xì)砂找平層,然后在其上鋪設(shè)16mm厚的鋼板。盾構(gòu)出洞前將托架固定在隧道出口位置,并把托架調(diào)整成與盾構(gòu)掘進(jìn)角一致的角度,待盾構(gòu)機主體爬行至托架后,斷開主體結(jié)構(gòu)與其它部件的連接,用電腦控制20臺頂升設(shè)備使托架同比例下降,直至托架落于水平地面;然后利用4臺推進(jìn)設(shè)備同步頂推,使帶有盾構(gòu)的托架平移至返回井的隧道入口位置;接著利用4臺推進(jìn)設(shè)備在托架的四個頂點成一定角度頂推托架使之繞中心點旋轉(zhuǎn)180°;最后再次利用電腦控制20臺頂升設(shè)備角度同比例上升使盾構(gòu)機主體與地面成一定掘進(jìn)角度,待后續(xù)結(jié)構(gòu)裝配完畢后繼續(xù)隧道的反向掘進(jìn)工程。

    3 盾構(gòu)機主體托架

    本盾構(gòu)機為超大型設(shè)備,體積大,重量重,其托架除滿足盾構(gòu)主體支承擱置外,還需要滿足盾構(gòu)機掘進(jìn)開始和結(jié)束時與地面有4%坡度的傾斜、整機平移、和180°原地回轉(zhuǎn)的要求。為此,專門設(shè)計制作一件適應(yīng)上述工況要求的托架結(jié)構(gòu)體系,該托架共l2榀擱架,每榀擱架下設(shè)4組懸浮滑移裝置,兩端設(shè)置槽箱,其內(nèi)倒裝150t和250 t頂升液壓油缸,以完成盾構(gòu)機在到達(dá)與始發(fā)時頂升不同坡度狀態(tài),結(jié)構(gòu)形式如圖1、2所示。

    在托架兩端設(shè)置槽箱,根據(jù)盾構(gòu)機主體荷載分布在單個槽內(nèi)倒置150t頂升液壓缸或250t頂升液壓缸,每個頂升缸可單獨動作,也可通過電腦控制同比例動作,以實現(xiàn)坡度調(diào)節(jié)要求。在調(diào)坡過程中托架繞一端旋轉(zhuǎn),液壓缸頂部與托架、底部與地面均未發(fā)生相對移動,只產(chǎn)生滾動旋轉(zhuǎn),因此結(jié)構(gòu)中需將該兩處摩擦副設(shè)計為圓弧接觸。此外,液壓缸和托架槽箱發(fā)生相對轉(zhuǎn)動,在設(shè)計中需按角度要求留夠足夠旋轉(zhuǎn)空間以防止干涉,槽箱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    當(dāng)托架平移至返回隧道入口位置時,需將托架連同盾構(gòu)主體旋轉(zhuǎn)180°以反向進(jìn)行隧道掘進(jìn)作業(yè)。在托架四個頂點位置設(shè)計絞結(jié)頂推點,頂推液壓缸與托架對角線成一定角度,伸缸過程中依靠頂推力在垂直托架對角線上的分力形成旋轉(zhuǎn)力偶,從而使得托架逐步旋轉(zhuǎn),托架頂點具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    圖3 托架槽箱結(jié)構(gòu)圖 圖4托架頂點結(jié)構(gòu)圖

    4 控制系統(tǒng)

    計算機控制系統(tǒng)由計算機、動力源模塊、測量反饋模塊、傳感模塊和相應(yīng)的配套軟件組成,通過CAN串行通信協(xié)議組建局域網(wǎng)。計算機負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和顯示并給出相應(yīng)的動作指令;動力源模塊即泵站控制單元,負(fù)責(zé)接收計算機給出的指令并驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行元件;測量反饋模塊定時采集傳感器傳回的模擬信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C;傳感模塊包含測量位移的位移傳感器和測量油壓的壓力傳感器。整套系統(tǒng)綜合運用國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)實現(xiàn)自動監(jiān)測和控制。

    控制系統(tǒng)每隔80m s對每個頂升液壓缸的位移和壓力進(jìn)行掃描,將測量的數(shù)據(jù)送入計算機,計算機通過分析每組數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的運算后給出相應(yīng)的調(diào)節(jié)指令,泵站控制單元把計算機給出的執(zhí)行指令和調(diào)節(jié)指令進(jìn)行疊代運算后分別驅(qū)動每個頂升液壓缸,從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)控制的目的。

    圖5 自動控制調(diào)節(jié)原理圖

    5 盾構(gòu)機調(diào)平和調(diào)角

    盾構(gòu)機進(jìn)出隧道時需要一定的角度,即需要支承結(jié)構(gòu)(托架)能夠根據(jù)工程要求調(diào)定相應(yīng)的角度,本工程中需設(shè)定的角度為 4%(見圖 6、7):

    圖6 支承結(jié)構(gòu)工作圖

    控制采用20臺頂升液壓缸,在相應(yīng)的軸線位置處放置相應(yīng)噸位的頂升設(shè)備,根據(jù)力矩平衡原理可得:

    頂升液壓缸的頂推力和重力平衡:

    根據(jù)盾構(gòu)機主體各部件的位置分布,計算所得每個頂升點的相應(yīng)頂升荷載,以此作為液壓系統(tǒng)設(shè)定依據(jù)。采用電腦控制調(diào)坡過程中,當(dāng)離地調(diào)平后,每個頂升液壓缸的實際荷載與計算值相近,具體如表1所示:

    本工程中軸線 1、3、5、6、7處放置 150t頂升液壓缸,軸線 8、9、10、11、12處放置250t頂升液壓缸,在調(diào)整角度的過程中支承結(jié)構(gòu)繞前端面h1旋轉(zhuǎn),單側(cè)10個頂升液壓缸的頂升距離h始終成一比例,即:

    頂升液壓缸的流量q:

    式中:a——液壓缸無桿腔面積;

    v——液壓缸速度。

    表1 頂升液壓缸的實際荷載

    4臺泵站規(guī)格和型號相同,其流量qi和變頻器的頻率fi成正比:

    頂升液壓缸的額定頂升能力是在相同壓力下計算出來的,因此其面積關(guān)系:

    綜上所述,旋轉(zhuǎn)中h1點不動,可得知:

    因此,通過控制泵站變頻器的頻率能夠?qū)崿F(xiàn)整體構(gòu)件的均角速度轉(zhuǎn)動。圖8是實際控制中對20臺頂升設(shè)備的截圖示意,從圖9、10上可以看出,各頂推點在此時的頂升高度成線性關(guān)系,和理論計算相符,電腦同步控制達(dá)到預(yù)期效果。

    6 盾構(gòu)機旋轉(zhuǎn)調(diào)頭

    采用電腦控制4臺頂升液壓缸同步頂推支承結(jié)構(gòu)使之繞中心旋轉(zhuǎn)。頂升設(shè)備通過后座產(chǎn)生支反力,每次伸縮缸結(jié)束后重新將液壓缸后端置于新的反力支座。為減少現(xiàn)場施工時間,支座的焊接工作可提前準(zhǔn)備,則需要后座的焊接位置避開滑移時液壓缸的經(jīng)過位置,此外,為了保證液壓缸的頂推力,支座的外偏比例不宜過大。經(jīng)模擬驗算得出液壓缸的初始中心線與推點和旋轉(zhuǎn)中心的夾角為105°時為最合適位置。此時,支座與液壓缸的最短距離為41mm,滑移力:

    旋轉(zhuǎn)位置及各點分布如圖11、12所示:

    圖11 焊接反力座位置圖

    7 實際應(yīng)用

    從工程實例出發(fā),結(jié)合長江西路隧道的具體情況,詳細(xì)介紹了盾構(gòu)機主體調(diào)頭移位過程中的控制方法,實際應(yīng)用取得了較好的效果,對今后大型盾構(gòu)機調(diào)頭工程具有較好的借鑒意義。

    TU 741.1

    B

    1672-9323(2014)02-0066-03

    2013-12-29)

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