Ф8780mm盾构机后配套设计及优化

圜出团豳　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　８　７８０　ｍｍ盾构机后配套设计及优化　盛少琴，闰　振，刘德全　（广州广船国际股份有限公司，广州５１０３８２）　摘　要：本文介绍了用于广东省珠三角穗莞深城际轨道交通隧道盾构法施工的　８　７８０ｍｍｉ￣，平衡式盾　构机后配套系统的设计及优化。　关键词：盾构机、后配套、设计、优化　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ＯｐｔｉｍｉＴａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｇａｎｔｒｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　８　７８０　ｍｉｌｌ　ＥＰＢ　Ｓｈｉｅｌｄ　Ｍａｃｈｉｎｅ　ＳＨＥＮＧ　Ｓｈａｏｑｉｎ，ＹＡＮ　Ｚｈｅｎ，ＬＩＵ　Ｄｅｑｕａｎ　（Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｓｈｉｐｙａｒｄ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０３８２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇａｎｔｒｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ￣Ｐ８　７８０　ｍｌＹｌ　ＥＰＢ　ｓｈｉｅｌｄ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｈｉｅｌｄ—ｄｒｉｖｅｎ　ｉｎｔｅｒｖａｌ　ｔｕｎｎｅｌ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　ｉｎｔｅｒ－ｃｉｔｙ　ｒａｉｌ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＥＰＢ　Ｓｈｉｅｌｄ　Ｍａｃｈｉｎｅ；Ｇａｎｔｒｙ；Ｄｅｓｉｇｎ；Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　１前言　置、管片拼装机、排土机构、人闸等。后配套装置的　　在隧道工程中，越来越多的工程建设单位首选隧　功能是为主体部分的掘进提供各种支持，包括动力、道盾构法施工，与传统的施工方法相比，盾构法具有　控制、注浆、润滑、渣土输送、管片输送、土壤改良　　施工安全、快速、工程质量高、地面扰动小、劳动强　等。后配套装置根据功能要求，一般包括几大系统：电控系统、液压系统、注浆系统、膨润土系统、泡沫　度低等优点。　系统、压缩空气系统、循环水系统、润滑系统、渣土　盾构隧道掘进机，简称盾构机，是一种隧道掘进　和管片输送系统及油脂密封等。　专用工程机械，现已广泛用于地铁、铁路、公路、市　盾构机后配套装置一般由一节连接桥和若干节台　政、水电等隧道工程。现代盾构机集合了光、机、　车组成，如广船国际２００９年为罗宾斯制造的　６　２６０　电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削岩　ｍｍ盾构机，整个后配套装置由１节连接桥和单层７节　土、输送渣土、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功　台车组成，广船国际２０１　ｌ￣ｌｚ６月交货的应用于穗莞深　能，涉及岩土、机械、力学、液压、电气、控制、测　城轨的　８　７８０　ｍｍ盾构机则由１节连接桥和４节上下两　量等多门学科技术，而且要按照不同的地质状况进行　层的台车构成。虽然盾构机后配套因施工地质情况、　“量体裁衣”式的设计制造。　招标文件、设计者对盾构机的理解及积累经验的多少　而不同，但可靠性高、操作方便、维护简单是后配套　２后配套设计及优化　盾构机主要由主体结构、后配套装置二大部分　设计的要点。　广船国际在设计　８　７８０　ｍｍ盾构机时，根据用户　组成（见图１），主体部分包括刀盘、盾体、驱动装　要求、招标文件及广船国际多年来积累的盾构机制作　后配套装置　图１盾构机　刀盘和盾体　作者简介：盛少琴（１９６８．８一），男，高级工程师，一直从事于机电产品的设计　闫　振（１９８４．７一），男，助理工程师，一直从事于机电产品的设计　收稿日期：２０１卜１卜１２　圜出　豳　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　经验，做了大量的优化、改进、创新，本文重点针对　前方挖掘出的渣土输送到台车尾部的牵引机车上，中　盾构机后配套部分的设备布置、结构设计作初步的介　绍、探讨。　２．１连接桥　间上部安装风管满足整台机的通风要求，左右两边用　于安装配套设备，同时在两边靠近环体位置留有较大　的人行通道用以日常行走使用。中间层钢结构的两侧　中空布局电缆走线。　连接桥也叫桥架、设备桥等，它是盾体部分和后　配套台车部分之间的一个过渡连接件，同时也被用来　安装布置部分配套设备。　连接桥的前端和盾体通过铰链连接，掘进时由盾　体带动连接桥、后配套向前行进。一般连接桥与后面　台车之间采用单铰链连接形式，但　８　７８０　ｍｍ盾构机　的直径大、转弯半径小、后配套部分重量较重，为了　使连接桥和台车之间灵活转弯，连接桥与后面台车的　连接我们采用了一侧铰接，另一侧安装转弯补偿油缸　并铰接。这样一方面保证了连接桥转弯的可靠性，转　弯半径可达到５５０　ｍ，满足了技术要求，另一方面也　保证了连接桥钢结构的稳定性，图２为连接桥的设计　三维图。一种连接桥专利已获得了授权。　图３台车截面图　此次台车原设计总宽度为７　１６２　ｍｍ，但因始发井　的坑道宽度仅为６　０００　ｍｍ，用户要求台车宽度最多为　５　８００　ｍｍ，而在管片及渣土运输车宽度已确定不变的　情况下，我们通过在台车中间皮带输送机侧设置简易　通道、将人行通道都设计成可拆卸或翻转形式、增加　简易栏杆来最终达到了要求。　２．３注浆系统　在盾构机掘进并完成管片拼装后，水泥浆液需同　步注入隧道管片与土层之间的环隙中，待浆液凝固后　图２连接桥　以稳定管片和地层。注浆系统主要由浆液箱、注浆　泵、搅拌机构及管线组成。我们对注浆系统的布置设　２．２台车　盾构机后配套台车是运载盾构机后配套设备的钢　计做了创新，将搅拌机构常规置于箱体底部的形式改　结构车架，由盾体部分通过连接桥带动台车在路轨上　成搅拌机构置于顶部，注浆泵移到侧边，并增加维修　前进。台车形式和数量一般根据实际需求和现场工作　通道，这样密封、维修、可靠性等问题迎刃而解。图　７８０　ｍｍ盾构机注浆系统。　情况进行设计，多为门形结构，中间可以通过渣土　４为　８　车、管片运输车等，两边装载各种不同功能的设备，　主要根据盾构机运行所需设备情况而定。　①８　７８０　ｍｍ盾构机台车设计台车数量为４台，长　度约１２　ｍ，每台可承载重量５０～１００　ｔ不等，选用门型　截面上下双层结构，梁架采用型材焊接，初步构思盾　构机台车截面结构（图３）所示。底层分为左右两边　用于配套设备的安装和管路的安装，同时在两边靠近　环体位置留有较小的人行通道用以必要时的维修使　用，中间部分留给牵引机车行走以方便管片和渣土的　运输。上层分为三部分，中间下部安装皮带输送机将　图４中８　７８０　ｍｍ盾构机注浆系统　圜出疆ｌ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　２．４膨润土系统　循环水系统对液压油、空压机、刀盘驱动副及驱　膨润土系统是用来改良土壤以利于盾构机掘进。　动电机等提供冷却水、提供泡沫剂的合成用水及提供　膨润土系统主要包括加泥箱、加泥泵、气动膨润土管　盾构机及隧道清洗用水，系统主要由水箱、水泵、热　路控制阀及连接管路。根据需要，在控制室的操作控　交换器以及管线组成。　制台上，通过控制气动膨润土管路控制阀的开关，将　膨润土加入到开挖室、泥土仓或螺旋输送机中。　根据我们对国内正在使用的不同厂家的盾构机调　查及和用户的多次沟通，对循环水系统进行了改良，　占地空间。图７为①８　７８０　ｍｍ盾构机循环水系统。　膨润土系统一般为分开布置，根据我们对机械设　水泵、热交换器、管路的安装位置进行调整，缩小了　计和船舶模块等的经验，将设备、箱柜进行了系统和　结构布置优化，加大了加泥箱容积，增加了维修通　道，并缩小了系统占地空间。图５为　８　７８０　ｍｍ盾构　机膨润土系统。　图５中８　７８０　ｍｍ盾构机膨润土系统　２．５泡沫系统　泡沫系统用于产生泡沫，向盾构机开挖室中注入　泡沫，改良开挖土层，提高其塑型、流动性、防渗性　和弹性，同时也可减少刀具的磨损。泡沫系统主要南　泡沫剂箱，泡沫泵，控制装置和管线组成。　根据珠　角地区的地况，我们和用户进行了多次　技术交流，并根据用户的盾构机使用经验，对泡沫系　统原理、设备选型、电控系统等重新设计和编制控制　程序，并增加简易吊机等，大大方便了操作和使用的　可靠性，如图６所示。　图６中８　７８０　ｍｍ盾构机泡沫系统　２．６循环水系统　图７中８　７８０　ｍｍ盾构机循环水系统　２＿７液压系统　液压系统由多个液压站组成，为推进千斤顶、铰　接油缸、管片拼装机、管片运输小车、螺旋输送机、　注浆泵等液压设备提供动力。　我们根据多年来对机电设备和船舶机舱模块的设　计经验，对液压泵组的连接方式、液压油箱的结构、　泵组安装架进行了优化，使整体美观、管线路布置合　理、结构轻便。图８为　８　７８０　ｍｍ盾构机液压系统。　图８中８　７８０　ｍｍ盾构机液压系统　２．８管线路布置　盾构机后配套设备有大量不同功能的管线从台车　设备一直延伸到盾体内部，管、线路布局杂乱是盾构　机后配套设备的通病，土建施丁设备工作环境相当恶　劣，经常处于泥桨、潮湿、灰尘等环境中，另外由于　盾构机掘进地点在地下，特别在城市施工时，对盾构　圜出圃豳　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　在整个设计上秉承安全、实用、可靠、简洁的原则，　设计得到了用户的肯定（图１３）。２０１１年６月，第一　台①８　７８０　ｍｍ土压平衡式盾构机（参见图１４）正式交　付用户使用。　图１４中８　７８０　ｍｍ土压平衡式盾构机　［２］周文波．盾构法隧道施工技术及应用［Ｍ］．北京：中国建筑丁业　版社，　２００４　［３】张厚美．盾构隧道的理论研究与施工实践［Ｍ］．北京：中国建筑工业出　版社，２０１０　［４］地盘工学会［日］，牛清山等译．盾构法的调查・设计・施工【Ｍ］．北京：中　国建筑工业出版社　２００７　［５］陈湘生等．复杂环境下盾构下穿运营隧道综合技术【Ｍ］．北京：中国铁　道出版社，２０１１．３　图１３中８　７８０　ｍｍ土压平衡式盾构机后配套部分　［６］陈馈等．盾构施工技术［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００９．５　参考文献　【１】成大先．机械设计手册．第三版．北京：机械工业出版社，２００４．８　［７］盾构法隧道施工与验收规范（ＧＢ５０４４６—２００８）．北京：中国建　筑工业出版社，２００８圄豳　（上接第４４页）　４）通过《共同规范》和《指南》两种计算方法　１）《共同规范》在船舶设计寿命的应力范围循　得出的结果进行互相校核，证明本文的计算的疲劳寿　环总次数ＮＬ的取值上较《指南》更为灵活，在Ｓ—Ｎ曲　命是可靠的。　线的选取上，《共同规范》更加安全可靠。　２）在有限元建模上，由于《指南》要求的是　参考文献　１／２＋１＋１／２的舱段建模，因此其无法模拟完整的剪力分　［１］ＩＡＣＳ．Ｃｏｍｍｏｎ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｒｕｌｅｓ　Ｆｏｒ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｈｕｌｌ　Ｏｉｌ　Ｔａｎｋｅｒｓ［Ｓ］．北京：人　民交通出版社，２００９　布，而且，其所采用的半宽模型，无法模拟斜浪的加　载，因此《共同规范》的完整三舱段全宽有限元模型　更能全面的地反映出实际载荷工况的作用。　［２］２中国船级社．船体结构疲劳强度指南［ｓ］．北京：人民交通出版社，２００７．　［３］罗广恩，王自力，张延昌等．基于ＪＴＰ规范中热点应力的油船船体疲　劳强度分析ｌＪｌ＿江苏科技大学学报，２００７．２１（１）：１８—２０．　［４］刘文华，张弛．基于ＣＳＲ中热点应力的散货船疲劳强度分析【Ｊ１．上海造　船　２００９（３）：１７—１８．　３）在热点应力的提取中，《指南》中是首先进　行拉格朗日插值，再进行线性外插值，较之《共同规　范》中的线性内插法能更精确地反映出热点处的应力　范围　［５】杨永祥，嵇春艳，罗广恩．基于ＪＴＰ规范大型油船疲劳热点寿命评估　［Ｊ］．舰船科学技术，２００７．２９（４）：６０—６４．圜强豳　（上接第４６页）　　’表２工况２第二舱段下每个墩木受力，该舱段平均墩木受力　２）对８２０００ＤＷＴ散货船。　①坞墩布置满足坞内打压载水的承重要求；　②墩木的受力是不均匀的，最大的承重能达到平　均承重的２．７倍；　③通过本计算案例，可以知道坞墩的受力并不均　匀，按照平均受力法的计算办法布置坞墩时应该考虑　个不小于２．５倍的安全系数，如果不能达到该安全　系数时，应该开展有限元直接计算分析，以确认安　一全性　４结论　参考文献　１）对３０８　０００　ＤＷＴ　ＶＬＣＣ，船舶在干坞状态下将压　［１］刘鸿文．材料力学［Ｍ】．高等教育出版社．２００４．１　载水打人货油舱坞墩受力为２２６　ｔ，对坞墩进行承压试　【２］钢质海船入级规范（第七分册）【Ｍ］．人民交通出版社，２００９，８　３］陈铁云．陈伯真．船舶结构力学［Ｍ］．上海交通大学出版社，１９９０　验，坞墩在压力加到２６０　ｔａｔ，水泥墩表面正常，没有　［出现新裂纹，故此时坞墩受力安全。　Ｉ４］刘兵山．黄聪．Ｐａｔｒａｎ从入门到精通［Ｍ］．中国水利水电出版社，２００３　隧鄹