φmm土压平衡c型盾构设计思想及其先进性

φ6340mm土压平衡C型盾构设计思想及其先进性1引言在隧道施工中，盾构的应用越来越广泛。影响盾构施工质量和进度的因素有很多，其中盾构机本体的设计与制造质量是其中的关键。φ6340土压平衡C型盾构是适用于上海地区的地质条件，在以往土压平衡盾构基础上改型后的第三代产品。2盾构主要技术参数φ6340土压平衡C型盾构的主要技术参数如下(参见图1)：(1)机型：加泥式土压平衡盾构(2)盾构外型尺寸外径：φ6340mm盾尾内径：φ6260mm盾尾建筑间隙：2×30mm主机长度：8220mm灵敏度：1.29主机重量：约250×103kg图1盾构主机结构图(3)推进系统最大总推力及单位面积推力：35180kN;1114kN/m2长行程油缸：1100kN×2250mm×6台短行程油缸：1100kN×1500mm×26台最大工作压力：35MPa额定工作压力：25MPa推进速度：5cm/min(4)管片拼装机转速：0.5～1r/min转动范围：±220°回转扭矩：10×104N·m回转工作压力：21MPa提升能力及行程：935kN,970mm提升工作压力：14MPa平移行程：1000mm钳口伸缩行程：100mm(5)刀盘转速：1r/min最大扭矩：560×104N·m(α=2.2)最大工作压力；35MPa额定工作压力：28MPa(6)螺旋输送机最大出土能力：190m3/h转速：0～16r/min最大输出扭矩：4.5×104N·m最大工作压力：25MPa螺旋有效长度：8539mm螺杆参数：外径φ740mm螺距800mm轴径φ219mm槽体参数：内径φ750mm厚度25mm(7)皮带输送机输送量：310m3/h(最大)带速：1.6m/s带宽：650mm输送长度：～26m电滚筒：15kW(8)加泥系统流量：10m3/h最大工作压力：1.2MPa加泥点设置：4(刀盘)×4(密封隔仓)×2(螺旋机)(9)注浆系统流量：0～9.5m3/h最大工作压力：2.5MPa注浆点设置：6点(沿盾壳周边)(10)盾尾油脂系统压注量：8.5L/min最大工作压力：8MPa压注点设置：6点(11)集中润滑系统压注量：1.5L/min最大工作压力：10MPa压注点设置：36点3盾构主要部件设计特点及其先进性比较以往设计的盾构，本次盾构设计主要有以下几个特点。3.1刀盘3.1.1刀盘结构在以往盾构刀盘的设计中，主体采用框架结构，设计的主导思想是保证刀盘的强度和刚度，但由于不太注重受力体系的详细分析，切削效率较低。C型盾构刀盘设计采用主副梁结构，盘体结构简洁、刀架轻巧，刀盘盘体开口率为35%(参见图2)。图2刀盘结构图由于主梁是刀盘承受弯矩的主要部件，除承受正面阻力外，还承受副梁通过环形盘板传递过来的集中力。为了保证结构上有足够的刚度和强度，主梁采用箱形结构。以往刀盘箱形结构的横截面为矩形，切削下的土体流动性较差，为了减小土体与刀盘的摩擦力，本次设计中箱形梁的横载面采用梯形结构(参见图3)，并保证一定的梯形角α。为降低刀盘表面与土体的磨损，刀盘正面、外缘及土体流动经过梯形梁侧面的轨迹面上均堆焊一定高度的硬质合金。图3T形主梁结构图3.1.2刀盘刀具形式刀盘面板上布置有开挖刀、中心刀、周边刀及先行刀四种形式的刀具。开挖刀采用全断面双向布置在主梁上的形式，保证刀盘不论正反转，在切削轨迹上都有两把以上的开挖刀进行切削，刀具能够全断面切削土体。以往刀盘的设计中，开挖刀在直径方向的布置并不过多考虑刀盘内外圈切削受力的不同，虽然也是全断面双向布置，但沿直径方向一般为等距安装，且切削刀的切削方向只是垂直于安装平面。本次设计的开挖刀布置，按照刀盘内外圈切削受力的不同而合理分配，同时在刀盘外圈副梁上增加开挖刀，改善刀盘的切削能力，每把开挖刀的切削刃方向与该刀具的刀盘体上每个同心圆位置的切线方向重合，增加了切削效率。以往设计的开挖刀，直接固定在刀座上，无转动角度。当反向布置的刀具，在刀盘处于正转状态时，其切削刃的后角直接受冲击，刀刃极易崩断，严重影响了刀具的寿命，恶化了盾构的使用状态。本次设计的刀具有一定的转动角度，当开挖刀处于反向切削位置时，能避免刀具的后角受力及冲击，提高了刀具的使用寿命(参见图4)。图4刀具转动时的刀刃位置以往盾构中，刀盘中心刀的设计多采用一字形或十字形结构，过大的中心刀挤压面使切削下的土体容易形成泥饼现象，降低了刀盘的切削能力。本次设计的中心刀采用单边一字形式，在中心刀切削直径不变的前提下，增加了刀盘中心区域的开口率，能有效地避免泥饼现象的产生。沿刀盘圆周布置的周边刀在刀盘旋转切削后，能形成与盾构壳体直径相等的一圈软土真空腔，改良土体的流入，降低了摩擦力，增加周边刀是降低无功消耗、提高有效切削能力的好办法。先行刀布置在开挖刀切削轨迹的前面，能有效改善开挖刀的受力状况。3.1.3刀盘刀具安装方式原有盾构各类刀具的合金刀头与刀柄的连接只是铜焊焊接，在切削过程受力冲击时，非常容易脱落，使刀柄与刀座直接切削土体，导致了刀具的快速磨损。在本次设计中，改进了刀具的安装方式，其合金刀头采用嵌入式结构镶嵌在刀柄内，刀头与刀柄采用铜焊连接，更好地防止脱落。为改善刀具与泥砂的磨损，在刀柄和刀座上都堆有一定高度的耐磨层(参见图5)。图5嵌入式刀头结构3.2推进油缸3.2.1推进油缸结构形式在以往盾构设计中，推进系统不仅要考虑的满足盾构设备在掘进中推力的需要，同时还要根据管片拼装的要求进行布置。这样，为满足推进力的需求，单个油缸的推力较大，相应油缸的直径也大。但是，在管片拼装时，油缸的推力轴线往往不能满足管片受力面对中的要求，拼装的效果效差，同时推进的受力状况不理想。本次盾构推进油缸的设计，改进了油缸的结构形式，沿盾壳圆周布置的油缸设16组，每组2个，共计32个。相对于原设计盾构中单个油缸大吨位、大直径的形式，现在这种设计方式，单个油缸直径较小，管片对中效果好，结构更紧凑，而且由于减少了油缸组的数量，相应液压元件的数量也降低了(参见图6)。3.2.2推进油缸行程仪在盾构推进过程中，需对分区的推进油缸行程进行观察和控制。以往设计的推进油缸行程仪一般采用外置式，虽有套管保护，但在实际施工操作中，往往由于各种因素而造成损坏。本次油缸行程仪的设计采用内置式结构，直接安装在油缸内部，减少了人为因素的损坏，安全可靠。图6油缸组根据管片拼装的要求，16组油缸中，布置3组长行程油缸，满足管片1/2直缝拼装或1/3错缝拼装，16组油缸分成四个区域，各区推进工作压力可根据施工需要进行调整。3.3管片拼装机3.3.1管片拼装机控制方式管片拼装机系统在施工过程中，要满足提升、平移、钳体支撑、回转等动作的需要。在以往的拼装机系统设计中，拼装的动力由盾构的液压车架部分提供，液压动力需经过车架、连接梁、平台等其它设备，所以管线铺设较长，特别是提供提升、平移、钳体支撑的液压管线和控制电缆在拼装机回转过程中需悬空拖拽，在施工中极易损坏而造成事故。因此，本次拼装机的设计采用遥控拼装机形式，把拼装机动力油箱设计在它的本体上，为独立系统。无线遥控，能解决控制电缆的拖拽问题。而密闭油箱的设计则彻底解决了液压管线的限制。3.3.2管片拼装机密闭油箱拼装机采用遥控式拼装，其关键是密闭油箱的设计。国外盾构设备对拼装机密闭油箱的处理，一般采用两种加压形式，即主动加压和被动加压。由于油箱在拼装机本体上随拼装机回转而位置改变，油箱中要求不能有剩余的气体，同时由于油缸有杆和无杆腔的容积差，因而密闭油箱的容积也随油缸的伸缩而变化。在上海地铁隧道施工的盾构中，法国FCB盾构的拼装机密闭油箱，采用的是充压氮气的加压方式。油箱中安放已充有一定压力的惰性气体的气囊。在油缸伸缩时，加压气囊中的压力随之释放和压缩，油箱内均保持有一定范围的预压力(0.01～0.045MPa)。但由于油箱占居空间较大，所以采用外置式结构(参见图7)。图7气囊式主动加压系统在广州地铁盾构中，日本青木盾构的拼装机密闭油箱，则采用了被动加压方式(参见图8)。当拼装机油缸伸缩时，由外接活塞补充油箱的容积差，油箱采用内置式结构，直接利用拼装机的悬臂梁作为油箱，但由于压力补差利用大气压加压，系统效率较差，同时由于外接活塞与油箱的距离较长，灵敏度较低。图8被动加压系统综合各类密闭油箱的优缺点，本次拼装机密闭油箱的设计，采用了弹簧主动加压形式，即由弹簧组成密闭油箱的加压系统。由于采用主动加压形式，在箱体容积变化过程中，箱体内的压力始终保持在0.01～0.05MPa左右，同时设有安全阀，避免油箱压力过高而损坏结构和液压设备；通过设置补油系统，可及时补充由于泄漏或发热造成的油量损失，避免了油泵抽吸真空的现象，大大改善了油泵的工作状态(参见图9)。同时油箱结构采用内置式，直接利用原拼装机的悬臂梁结构布置油箱，减少了空间尺寸。为达到理想的排气效果，油箱上顶板选用倾斜1°～2°的斜坡结构，且设计成圆弧形，可充分排除油箱内的气体(参见图10)。图9弹簧加压系统图10油箱结构构3.3.3管管片拼装机机回转支撑撑形式和以往盾构拼装装机回转支支撑的形式式相比较，本本次设计的的拼装机回回转采用单单排菱形大大轴承支撑撑形式(参见图11)，简化了了装配工艺艺，增加了了系统可靠靠性，易于于实现产品品标准化。图11回转轴承承支撑结构构3.4螺旋输输送机以往螺旋输送机机的设计中中，螺杆动动力驱动端端为滚动轴轴承支撑，下下端螺杆悬悬浮在进口口槽体内。由由于实际工工作中，土土压的不稳稳定和土质质的差异，且且螺杆为单单边支撑，其其产生的径径向分力使使驱动箱轴轴承极易受受损，造成成寿命大大大缩短。因因此，在本本次设计中中，螺旋机机驱动采用用柔性设计计，在螺旋旋机工作受受到径向外外力时，能能通过球面面的轴承座座调节角度度，保证了了螺旋机轴轴承的使用用寿命(参见图12)。图12螺旋机柔柔性驱动装装置3.5液压系系统液压系统共设四四大类：(1)推进系系统设1台P080轴向柱塞塞泵，推进进速度可调调节。(2)拼装机机系统设T6CY泵和PV15泵各一台台。PV15泵作为拼拼装机回转转使用，密密闭油箱配配置T6CY泵，用作作拼装机提提升、平移移和钳体支支撑。(3)刀盘系系统设3台P14P比例泵，采采用闭式液液压回路控控制。(4)螺旋输输送机设P260比例泵和T6CY泵各1台。后者者作为伺服服油泵，可可对主泵(P2660泵)进行比例例