泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)采石裝置研究與設(shè)計(jì)

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

泥水平衡盾構(gòu)憑借其開(kāi)挖面壓力穩(wěn)定與控制精確、地表沉降小、施工清潔環(huán)保以及地層適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在地鐵隧道、公路隧道以及大埋深、高水壓的海底隧道得到了廣泛應(yīng)用。泥水盾構(gòu)依靠泥水環(huán)流系統(tǒng)中的泥漿泵和泥漿管路進(jìn)行排渣，因此泥水環(huán)流系統(tǒng)的滯排或堵塞將直接影響盾構(gòu)的出渣情況，進(jìn)而導(dǎo)致盾構(gòu)停機(jī)。針對(duì)富含大粒徑砂卵石和全斷面硬巖地層，為了避免泥水循環(huán)系統(tǒng)滯排或堵塞，通常在氣墊倉(cāng)出渣口后方依次布置有破碎機(jī)和格柵，但由于破碎機(jī)工作效率和破碎能力有限，且格柵開(kāi)口不能設(shè)計(jì)太小，以免引起氣墊倉(cāng)底部積渣，因此需要在主排漿泵前設(shè)置大粒徑卵石或巖塊收集裝置，以緩解泥水環(huán)流系統(tǒng)的滯排或堵塞、減緩主排漿泵和排漿管路的磨損程度。

目前已應(yīng)用在泥水循環(huán)系統(tǒng)中的采石裝置按其對(duì)砂石的篩分收集方式主要可分為重力篩分式、格柵沖刷篩分式以及攪拌式等，如圖1～圖3 所示。重力篩分式采石箱具有篩選方式簡(jiǎn)單、開(kāi)箱取石方便等優(yōu)點(diǎn)，但其存在前部篩選網(wǎng)格容易堵塞、整體較長(zhǎng)、進(jìn)出漿管路折返布置等缺點(diǎn)。格柵沖刷篩分式采石箱具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、泥漿管路順延布置以及并聯(lián)布置方便等優(yōu)點(diǎn)，因此該采石箱應(yīng)用較多，但其格柵在大粒徑砂石堆積一定量后容易積渣，增加了開(kāi)箱取石的頻率。攪拌式采石箱與上述兩種采石箱主要區(qū)別在于具有攪拌動(dòng)力，對(duì)箱體里的大塊卵石進(jìn)行攪拌以防止砂卵石在底部沉積而形成滯排，但攪拌軸和攪拌棒磨損較快，容易發(fā)生攪拌軸或攪拌葉片過(guò)載而斷裂的故障。

圖1 重力篩分式采石箱

圖2 格柵沖刷篩分式并聯(lián)采石箱

圖3 攪拌式采石箱

結(jié)合以上3 種采石箱的優(yōu)缺點(diǎn)，以開(kāi)挖直徑為?6.5m 的地鐵隧道建設(shè)工程為應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)一種同軸斜置滾動(dòng)格柵式采石箱，根據(jù)功能需求進(jìn)行整體組成設(shè)計(jì)，并對(duì)其箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、驅(qū)動(dòng)軸強(qiáng)度以及出渣過(guò)程控制進(jìn)行分析。

1 采石裝置整體設(shè)計(jì)

在進(jìn)行采石裝置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先結(jié)合地層計(jì)算盾構(gòu)掘進(jìn)一環(huán)管片的渣土中大粒徑卵石的體積，得出采石箱的設(shè)計(jì)參考容量，再根據(jù)采石排渣的功能需求進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。

1.1 設(shè)計(jì)參考容量

查閱項(xiàng)目地質(zhì)報(bào)告，了解地層中大粒徑卵石含量，根據(jù)開(kāi)挖直徑和隧道管片尺寸可求得采石箱設(shè)計(jì)參考容量VS。

其中，Dk為隧道開(kāi)挖直徑，Lg為管片長(zhǎng)度，δ1為地層中卵石的含量，δ2為卵石地層中大粒徑卵石的含量，將參數(shù)值代入式（1)求得采石裝置設(shè)計(jì)參考容量約為4.5m3。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)參考容量，結(jié)合采石箱顆粒篩分、采石排渣、排漿順暢以及開(kāi)箱取石方便的功能需求，對(duì)同軸斜置滾動(dòng)格柵式采石箱進(jìn)行整體組成設(shè)計(jì)。采石箱由前端軸承組件、前端軸承組件、箱體、旁通接口、滾動(dòng)格柵、箱蓋，驅(qū)動(dòng)單元、底部沖刷接口以及出渣通道等部分組成，如圖4所示。

圖4 采石箱整體設(shè)計(jì)圖

為了縮減采石箱的設(shè)計(jì)體積，對(duì)滾動(dòng)格柵與箱體進(jìn)行同軸設(shè)計(jì)，使?jié)L動(dòng)格柵的回轉(zhuǎn)軸線與箱體上半圓軸線重合，同時(shí)可以通過(guò)箱體壁的擠壓將卡在滾動(dòng)格柵孔中的大粒徑卵石擠壓回格柵內(nèi)，起到防堵塞的作用。采石箱整體傾斜布置，可使格柵內(nèi)的砂卵石在自身重力的傾斜分力和泥漿流動(dòng)沖刷的作用下，首先漂流到格柵中距離出渣口較近的位置，防止砂卵石在滾筒格柵距離進(jìn)漿口較近的位置堆積。箱體傾斜布置和底部的高壓水沖刷可使經(jīng)格柵篩選出的小粒徑砂卵石快速漂流出漿口并及時(shí)排出，防止箱體底部渣石堆積而導(dǎo)致出漿口堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。箱體頂部旁通接口的設(shè)計(jì)都是為了促進(jìn)泥漿在箱體內(nèi)的循環(huán)，緩解堵塞情況。

同軸斜置滾動(dòng)格柵式采石箱具備驅(qū)動(dòng)單元，可使?jié)L動(dòng)格柵在驅(qū)動(dòng)軸的帶動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在格柵旋轉(zhuǎn)和箱體壁擠壓的作用下，滾動(dòng)格柵內(nèi)的卵石做往復(fù)的上升滑落運(yùn)動(dòng)，間歇性的避讓出格柵開(kāi)孔，使小粒徑卵石通過(guò)格柵開(kāi)孔漂落到箱體底部，緩解格柵底部卵石堆積程度，提升采石箱工作效率。

2 箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

采石箱箱體是采石箱的基體，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且具承壓能力的壓力容器，因此需要對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。該應(yīng)用項(xiàng)目中采石箱承壓能力需求是6bar，安全系數(shù)是1.5，因此箱體承受的極限壓力是9bar，采石箱箱體選用Q345B 作為主材料，屈服強(qiáng)度約為345MPa。借助分析軟件ANASYS 中的Workbench 模塊對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。在仿真環(huán)境中對(duì)箱體內(nèi)壁施加9bar 的壓力，在箱體驅(qū)動(dòng)單元安裝座上添加驅(qū)動(dòng)扭矩，分析結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 采石箱箱體等效應(yīng)力云圖

圖6 采石箱箱體整體變形云圖

由分析結(jié)果可知，箱體在極限工作壓力和驅(qū)動(dòng)單元滿(mǎn)載的情況下，等效應(yīng)力最大值約為239.05MPa，小于結(jié)構(gòu)鋼材料Q345B 的屈服極限強(qiáng)度，因此箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求；箱體整體最大變形量約為2.12mm，變形量較小，有利于驅(qū)動(dòng)軸支撐端軸承和密封的選型和工作。

3 驅(qū)動(dòng)軸校核計(jì)算

驅(qū)動(dòng)軸是實(shí)現(xiàn)采石箱滾動(dòng)格柵旋轉(zhuǎn)篩分砂卵石的關(guān)鍵部件，需要對(duì)其進(jìn)行受力分析、強(qiáng)度校核以及剛度校核，以保證其設(shè)計(jì)滿(mǎn)足工況要求。

3.1 驅(qū)動(dòng)軸負(fù)載分析

在采石箱工作過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)軸受自身重力、滾動(dòng)格柵及其內(nèi)部渣石的重力、驅(qū)動(dòng)扭矩、前后端軸承的支撐力的作用，具體受力情況如圖7 所示。其中，F(xiàn)1、F2為軸承支撐力，L1、L2是F1和F2在豎直方向的作用力臂；Gz、Gg和Gs分別表示驅(qū)動(dòng)軸重力、滾動(dòng)格柵重力和格柵內(nèi)渣石的重力，TJ是驅(qū)動(dòng)扭矩，a為驅(qū)動(dòng)軸軸線相對(duì)水平面夾角。

圖7 驅(qū)動(dòng)軸負(fù)載示意圖

驅(qū)動(dòng)扭矩TJ可分解為

其中，Tq為驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)格柵的扭矩，Tf為軸承摩擦扭矩。由于Tf值較小可忽略不計(jì)，則滾動(dòng)格柵驅(qū)動(dòng)扭矩TJ計(jì)算公式如下

其中，ρs為砂卵石堆積密度，在干燥狀態(tài)下ρs=（1.6～1.8)×103kg/m3，l為滾動(dòng)格柵的長(zhǎng)度，r1為滾動(dòng)格柵的內(nèi)徑，r2為驅(qū)動(dòng)軸半徑，φ表示格柵滾筒內(nèi)渣石的分布角度，如圖8 所示，當(dāng)φ=90°時(shí)滾動(dòng)格柵內(nèi)作用在驅(qū)動(dòng)軸上的扭矩最大，將式（3）中的參數(shù)值代入求得驅(qū)動(dòng)扭矩最大值TJmax≈7015Nm。

圖8 格柵內(nèi)渣石分布示意圖

3.2 驅(qū)動(dòng)軸強(qiáng)度校核

對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核，應(yīng)用第三強(qiáng)度理論計(jì)算軸危險(xiǎn)截面的應(yīng)力[2]，第三強(qiáng)度理論公式如下

其中，a為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的折合系數(shù)，由于驅(qū)動(dòng)軸單向旋轉(zhuǎn)，受到的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τ為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，a≈0.6，驅(qū)動(dòng)軸上的彎矩M=0。因此

其中，W為軸的抗彎截面系數(shù)，電機(jī)輸出端軸徑截面為危險(xiǎn)截面，將相關(guān)參數(shù)值帶入式（5)得危險(xiǎn)截面應(yīng)力σca=49.6MPa。驅(qū)動(dòng)軸材料為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理后的許用彎曲應(yīng)力[σ-1]=60MPa，因此σca＜[σ-1]，驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

對(duì)驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，確定變應(yīng)力情況下的安全程度。僅有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力時(shí)，安全系數(shù)校核公式如下

其中，安全系數(shù)Sp=1.3～1.5，脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力的平均應(yīng)力及應(yīng)力幅均為

將查閱參考文獻(xiàn)[4]獲得的參數(shù)值和τa值，代入式（6）求得系數(shù)Sτ=1.8 ≥Sp，因此驅(qū)動(dòng)軸的危險(xiǎn)截面安全。

3.3 驅(qū)動(dòng)軸剛度校核

3.3.1 軸的彎曲剛度校核計(jì)算

驅(qū)動(dòng)軸的當(dāng)量直徑

最大撓度為

最大轉(zhuǎn)角為

其中，F(xiàn)為軸所受力豎直分力，其值F=（GZ+GG+GS)cosa，E為彈性模量，L為驅(qū)動(dòng)軸支撐跨距，I為慣性矩。將相關(guān)參數(shù)代入式（9)和式（10)可得最大撓度wmax=0.003mm，最大轉(zhuǎn)角θr=0.0007°/rad。一般軸允許撓度[y]=（0.0002～0.0005)l，圓錐滾子軸承和調(diào)心球軸承正常工作的允許偏轉(zhuǎn)角為[θ]=0.0016°/rad 和[θ]=0.05°/rad，因此驅(qū)動(dòng)軸的彎曲剛度滿(mǎn)足要求。

3.3.2 軸的彎曲剛度校核計(jì)算

驅(qū)動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式為

將參數(shù)值代入求得Jmax=0.048°/m，一般傳動(dòng)軸，[φ]=（0.5°～1°)/m，因此驅(qū)動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 采石箱出渣過(guò)程控制

采石箱出渣是在盾構(gòu)停止掘進(jìn)拼裝管片的時(shí)間間隙里完成的。采石箱出渣過(guò)程中需要關(guān)閉進(jìn)出漿口閘閥，并進(jìn)行泄壓處理。電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有高低速轉(zhuǎn)換感應(yīng)開(kāi)關(guān)、定點(diǎn)止停感應(yīng)開(kāi)關(guān)和點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，通過(guò)速度轉(zhuǎn)換和定點(diǎn)啟停使渣石從格柵滾筒中流出，并找到合適的開(kāi)箱采石位置。采石箱出渣的具體控制流程如圖9 所示。

5 結(jié)論

1）根據(jù)地層中大粒徑砂石的含量、隧道開(kāi)挖直徑以及管片的尺寸，計(jì)算出盾構(gòu)掘進(jìn)一環(huán)大粒徑砂石的體積VS，將其作為采石箱的設(shè)計(jì)容積。

圖9 采石箱出渣過(guò)程控制流程圖

2）將采石箱設(shè)計(jì)成同軸斜置的方式，并在箱體底部增加沖刷，頂部加上旁通管路，促進(jìn)采石箱內(nèi)泥漿的循環(huán)。

3）通過(guò)箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和驅(qū)動(dòng)軸的校核計(jì)算，得出采石箱強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿(mǎn)足泥水循環(huán)系統(tǒng)的需求。