Ф8 780 mm盾構機后配套設計及優化

摘 要：本文介紹了用于廣東省珠三角穗莞深城際軌道交通隧道盾構法施工的Ф8780mm土壓平衡式盾構機后配套系統的設計及優化。

關鍵詞：盾構機、后配套、設計、優化

Design and Optimization of Gantry for the Ф8780mm 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 Ф8 780 mm 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

在隧道工程中，越來越多的工程建設單位首選隧道盾構法施工，與傳統的施工方法相比，盾構法具有施工安全、快速、工程質量高、地面擾動小、勞動強度低等優點。

盾構隧道掘進機，簡稱盾構機，是一種隧道掘進專用工程機械，現已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程。現代盾構機集合了光、機、電、液、傳感、信息技術于一體，具有開挖切削巖土、輸送渣土、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能，涉及巖土、機械、力學、液壓、電氣、控制、測量等多門學科技術，而且要按照不同的地質狀況進行“量體裁衣”式的設計制造。

2 后配套設計及優化

盾構機主要由主體結構、后配套裝置二大部分組成（見圖1），主體部分包括刀盤、盾體、驅動裝置、管片拼裝機、排土機構、人閘等。后配套裝置的功能是為主體部分的掘進提供各種支持，包括動力、控制、注漿、潤滑、渣土輸送、管片輸送、土壤改良等。后配套裝置根據功能要求，一般包括幾大系統：電控系統、液壓系統、注漿系統、膨潤土系統、泡沫系統、壓縮空氣系統、循環水系統、潤滑系統、渣土和管片輸送系統及油脂密封等。

盾構機后配套裝置一般由一節連接橋和若干節臺車組成，如廣船國際2009年為羅賓斯制造的Ф6 260 mm盾構機，整個后配套裝置由1節連接橋和單層7節臺車組成，廣船國際2011年6月交貨的應用于穗莞深城軌的Ф8 780 mm盾構機則由1節連接橋和4節上下兩層的臺車構成。雖然盾構機后配套因施工地質情況、招標文件、設計者對盾構機的理解及積累經驗的多少而不同，但可靠性高、操作方便、維護簡單是后配套設計的要點。

廣船國際在設計Ф8 780 mm盾構機時，根據用戶要求、招標文件及廣船國際多年來積累的盾構機制作經驗，做了大量的優化、改進、創新，本文重點針對盾構機后配套部分的設備布置、結構設計作初步的介紹、探討。

2.1 連接橋

連接橋也叫橋架、設備橋等，它是盾體部分和后配套臺車部分之間的一個過渡連接件，同時也被用來安裝布置部分配套設備。

連接橋的前端和盾體通過鉸鏈連接，掘進時由盾體帶動連接橋、后配套向前行進。一般連接橋與后面臺車之間采用單鉸鏈連接形式，但Ф8 780 mm盾構機的直徑大、轉彎半徑小、后配套部分重量較重，為了使連接橋和臺車之間靈活轉彎，連接橋與后面臺車的連接我們采用了一側鉸接，另一側安裝轉彎補償油缸并鉸接。這樣一方面保證了連接橋轉彎的可靠性，轉彎半徑可達到550 m，滿足了技術要求，另一方面也保證了連接橋鋼結構的穩定性，圖2為連接橋的設計三維圖。一種連接橋專利已獲得了授權。

2.2 臺車

盾構機后配套臺車是運載盾構機后配套設備的鋼結構車架，由盾體部分通過連接橋帶動臺車在路軌上前進。臺車形式和數量一般根據實際需求和現場工作情況進行設計，多為門形結構，中間可以通過渣土車、管片運輸車等，兩邊裝載各種不同功能的設備，主要根據盾構機運行所需設備情況而定。

Ф8 780 mm盾構機臺車設計臺車數量為4臺，長度約12 m，每臺可承載重量50~100 t不等，選用門型截面上下雙層結構，梁架采用型材焊接，初步構思盾構機臺車截面結構（圖3）所示。底層分為左右兩邊用于配套設備的安裝和管路的安裝，同時在兩邊靠近環體位置留有較小的人行通道用以必要時的維修使用，中間部分留給牽引機車行走以方便管片和渣土的運輸。上層分為三部分，中間下部安裝皮帶輸送機將前方挖掘出的渣土輸送到臺車尾部的牽引機車上，中間上部安裝風管滿足整臺機的通風要求，左右兩邊用于安裝配套設備，同時在兩邊靠近環體位置留有較大的人行通道用以日常行走使用。中間層鋼結構的兩側中空布局電纜走線。

此次臺車原設計總寬度為7 162 mm，但因始發井的坑道寬度僅為6 000 mm，用戶要求臺車寬度最多為5 800 mm，而在管片及渣土運輸車寬度已確定不變的情況下，我們通過在臺車中間皮帶輸送機側設置簡易通道、將人行通道都設計成可拆卸或翻轉形式、增加簡易欄桿來最終達到了要求。

2.3 注漿系統

在盾構機掘進并完成管片拼裝后，水泥漿液需同步注入隧道管片與土層之間的環隙中，待漿液凝固后以穩定管片和地層。注漿系統主要由漿液箱、注漿泵、攪拌機構及管線組成。我們對注漿系統的布置設計做了創新，將攪拌機構常規置于箱體底部的形式改成攪拌機構置于頂部，注漿泵移到側邊，并增加維修通道，這樣密封、維修、可靠性等問題迎刃而解。圖4 為Ф8 780 mm盾構機注漿系統。

2.4 膨潤土系統

膨潤土系統是用來改良土壤以利于盾構機掘進。膨潤土系統主要包括加泥箱、加泥泵、氣動膨潤土管路控制閥及連接管路。根據需要，在控制室的操作控制臺上，通過控制氣動膨潤土管路控制閥的開關，將膨潤土加入到開挖室、泥土倉或螺旋輸送機中。

膨潤土系統一般為分開布置，根據我們對機械設計和船舶模塊等的經驗，將設備、箱柜進行了系統和結構布置優化，加大了加泥箱容積，增加了維修通道，并縮小了系統占地空間。圖5 為Ф8 780 mm盾構機膨潤土系統。

2.5 泡沫系統

泡沫系統用于產生泡沫，向盾構機開挖室中注入泡沫，改良開挖土層，提高其塑型、流動性、防滲性和彈性，同時也可減少刀具的磨損。泡沫系統主要由泡沫劑箱，泡沫泵，控制裝置和管線組成。

根據珠三角地區的地況，我們和用戶進行了多次技術交流，并根據用戶的盾構機使用經驗，對泡沫系統原理、設備選型、電控系統等重新設計和編制控制程序，并增加簡易吊機等，大大方便了操作和使用的可靠性，如圖6所示。

2.6 循環水系統

循環水系統對液壓油、空壓機、刀盤驅動副及驅動電機等提供冷卻水、提供泡沫劑的合成用水及提供盾構機及隧道清洗用水，系統主要由水箱、水泵、熱交換器以及管線組成。

根據我們對國內正在使用的不同廠家的盾構機調查及和用戶的多次溝通，對循環水系統進行了改良，水泵、熱交換器、管路的安裝位置進行調整，縮小了占地空間。圖7 為Ф8 780 mm盾構機循環水系統。

2.7 液壓系統

液壓系統由多個液壓站組成，為推進千斤頂、鉸接油缸、管片拼裝機、管片運輸小車、螺旋輸送機、注漿泵等液壓設備提供動力。

我們根據多年來對機電設備和船舶機艙模塊的設計經驗，對液壓泵組的連接方式、液壓油箱的結構、泵組安裝架進行了優化，使整體美觀、管線路布置合理、結構輕便。圖8 為Ф8 780 mm盾構機液壓系統。

2.8 管線路布置

盾構機后配套設備有大量不同功能的管線從臺車設備一直延伸到盾體內部，管、線路布局雜亂是盾構機后配套設備的通病，土建施工設備工作環境相當惡劣，經常處于泥槳、潮濕、灰塵等環境中，另外由于盾構機掘進地點在地下，特別在城市施工時，對盾構機的可靠性提出了更高的要求，任何管路的泄露都可能造成非常嚴重的后果。本次設計著重考慮可靠性、維修性，在臺車設計之初就將管線路布置考慮在內。本次設計將管路進行了分類，氣、液等動能管路布置在臺車一側，注漿、水設備、泡沫等管路布置在一側，電纜從臺車架的中間隔層中穿過，取消了一般盾構機采用的將大量管路放置于臺車中間上部，避免了皮帶輸送機掉落的泥石損壞管路。重新設計的管線路布置，不僅不易損壞也容易維修、更換，參見圖9。管路的這種布置形式專利已授權。

2.9 其他系統

盾構機后配套設備還有很多，如管片運輸和起吊設備、渣土輸送設備、通風系統、電氣系統、壓縮空氣系統等，針對用戶要求和掘進工地情況，對其他系統都重新做了設計，使其滿足用戶在工地的使用要求。管片吊運裝置專利已授權。

3 設備布局及臺車設計

3.1 設備布局

我們查閱了大量的相關資料，深入了解各個系統的性能和技術參數，并去施工工地做了大量的調研深入，了解了施工工地的需求，經過4次設計聯絡會及和用戶的幾十次技術交流會，考慮到各種設備工作時噪音、使用的頻率及管路太長造成的壓力流失等因素對臺車上的設備進行了布局。圖10為其中一個臺車布置圖。

3.2 臺車設計

根據Ф8 780 mm盾構機后配套的總體布置，對臺車進行“量體裁衣”，構思出臺車結構草圖，應用三維軟件對臺車結構進行初步建模，并對各個臺車進行了有限元力學分析。

臺車承載設備重量表1

根據各個臺車載重不同，在滿足受力要求的前提下，通過增加中間車輪、增加立柱、改變主梁高度、改變材料的厚度、縮小結構的外形尺寸等方法，使優化后的臺車結構應力、應變、位移既能滿足要求又達到用料最省，節約成本，（參見圖11、12）。

4 總結

本次盾構機后配套的設計，是我公司多年參與盾構機制作及對國內多家不同廠家、不同規格、型號的盾構機調研后，自主設計完成的盾構機后配套系統，在整個設計上秉承安全、實用、可靠、簡潔的原則，設計得到了用戶的肯定（圖13）。2011年6月，第一臺Ф8 780 mm土壓平衡式盾構機（參見圖14）正式交付用戶使用。

參考文獻

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作者簡介：盛少琴（1968.8-），男，高級工程師，一直從事于機電產品的設計

閆 振（1984.7-），男，助理工程師，一直從事于機電產品的設計

收稿日期：2011-11-12