大型泥水平衡盾構機主機裝配

趙懷輝，葛 兵，丁洪波

北方重工集團有限公司盾構機分公司，遼寧沈陽 110141

0 引言

盾構法始于英國，發展于德國、是本；已有180余年歷史。在180多年中，世界各國制造了數以千計的各種類型、各種直徑的盾構，盾構掘進機從低級發展到高級，從手工操作到計算機監控機械化施工，使盾構掘進機及其施工技術得到了不斷發展和完善。

隨著地下空間的開發，盾構技術已廣泛地應用于鐵路、公路、地鐵、隧道、水利工程、過江（過海）隧道、城區有軌交通、城區水網、氣網、電網、市政管道等工程領域。是國家現代化建設不可或缺的重大機械裝備。

20世紀90年代，我國開始引進國外先進的盾構機和管理方法用于國內工程施工，據不完全統計，用盾構機開挖的隧道累計達到了176km，在今后可用盾構機開挖的隧道約5800km，約需150臺盾構機。盾構機及其配套設備、備品備件價值總計達幾百億，盾構機的使用和發展具有廣闊的市場。

由于盾構機是在地下施工的一種機械設備，受其施工環境的限制，如果工作過程中出現故障，維修起來十分困難，甚至會造成災難。因此，盾構機的制造質量十分關鍵，而在工廠內的裝配過程就是保證其使用性能和加工質量的檢驗過程，因此盾構機的裝配是十分重要的過程。

1 盾構機結構特點及主機裝配難點

1.1 泥水平衡盾構機的結構

泥水平衡式盾構機按其結構主要分為主機和后配套兩部分；按其功能可分為掘進系統、排渣系統、支護系統和輔助系統。而主機部分又包括刀盤、盾體、推進系統、驅動系統、管片安裝機等部分組成。圖1是泥水平衡盾構機的結構簡圖。

圖1 泥水平衡盾構機結構簡圖

大型泥水平衡式盾構機通常指的是開挖直徑在10m以上。其結構復雜，零部件數量較多，且尺寸和重量較大。主機的總長度約為15m，而總重量約為900t，主要部件刀盤一般重約150t以上，前盾、中盾一瓣的重量也在130t以上。

大型泥水平衡式盾構機的主機部分的簡圖如圖2所示（去除刀盤）。

1.2 泥水平衡盾構的工作原理

泥水平衡盾構的工作原理就是：通過加壓泥水或泥漿（通常為膨潤土懸浮液）來穩定開挖面，其刀盤后面有一個密封隔板，與開挖面之間形成泥水室，里面充滿了泥漿，開挖土料與泥漿混合由泥漿泵輸送到洞外。具體過程是通過主驅動裝置旋轉帶動安裝有滾刀或刮刀的刀盤轉動，連續不斷的切削土體，破碎的土體被泥水利用泥漿泵抽出并利用管道運輸至地面；安裝在盾體中的推進油缸推動盾體和刀盤前進，達到一定距離后，刀盤和推進油缸停止運行，管片安裝機開始襯砌管片，襯砌完一環后，刀盤和推進油缸再進行下一環的切削和推進。

圖2 大型泥水盾構機主機（拆除刀盤）

1.3 主機裝配前的準備工作[1]

由于主機部分的重量較重，且為圓形結構，穩定性較差；而且某些關鍵部件重量較大，精度較高。因此在主機裝配前要做好相應的準備工作，以保證裝配質量和安全性。

首先，為了保證主機裝配的穩定性，制作了用于支撐盾體的“V”型支座，并且在支座與盾體外圓接觸處使用一對楔鐵用來調整盾體的高度及接觸位置。另外，因為盾體共分為3段（前盾、中盾和尾盾），并考慮到各盾體的結構形式，確定好各盾體支座的支撐位置，決定裝配時使用5個“V”型支座。

其次，為了保證裝配精度或使部件吊運方便，減小勞動強度還準備了多套專用工具。

例如，主驅動裝置在裝配時使用了專用的吊運翻轉工具，因為主驅動裝置是盾構機重要部件之了，其精度較高，直徑5m以上，重量達130t以上，且其外圓柱面是與前盾相配合的加工面。在吊裝時需對其進行翻個操作，如果不采取措施，按常規的操作進行主驅動的翻個工作，極易對其表面或內部的零部件造成損傷，這樣一來，不但會影響驅動裝置的使用性能，而且會影響整臺設備的使用性能，甚至會造成整個部件損壞。

因此，為了保證主驅動裝置在吊運及翻轉過程中的安全，使用了專用的吊運翻轉工具。該工具主要由吊耳、托架和支架組成，使用方法和翻轉過程如簡圖3所示，首先將吊耳和托架安裝到驅動裝置上，然后將其豎起，豎起時托架外圓弧板與地面接觸，不但保護了驅動裝置外表面，而且使起吊過程更加容易；最后將托架放到支架上并固定好，重新安裝起吊用具，最后將托架拆下，吊起驅動裝置。

圖3 驅動裝置翻轉工具使用示意圖

2 主機裝配方案[2]

2.1 方案一

2.1.1 預裝配

主機在總裝配前，部分部件及部件之間要先進行預裝配，確保裝配尺寸正確后才能進行總裝配。

1）刀盤：刀盤先與聯接法蘭裝配好，并配制定位銷孔，然后刀盤翻個，聯接法蘭朝下平放找好水平。安裝各種刀具，因為刀盤平放時，刀具的安裝較為方便快捷，而且刀具安裝后的檢測工作也較方便容易；

2）前盾：先將前盾的上、下部組裝后，初步檢測各部尺寸后與中盾進行試裝配，檢查盾體之間的把合孔對正性和外圓的圓度及大小情況。合格后將前盾的上、下部拆開平放。開始安裝前盾內部梯子、走臺和管路等零部件。待其安裝完成后，安裝前盾下部內的破碎機和泥漿門。首先將破碎機裝入到前盾下部內，在裝配前要預先根據破碎機與盾體之間的尺寸距離制作好兩塊墊塊，以保證破碎機裝配時的穩定性。然后裝配破碎機前方的泥漿門各件。此時裝配破碎機和泥漿門操作方便，難度小。因為此時破碎機可以使用天車直接將其從上至下的裝入到盾體內，而泥漿門的裝配也是水平位置操作，方便工人操作和行走；

3）中盾：中盾上、下部組裝后，分別與前盾、尾盾試裝，檢查合格后除去前盾和尾盾，中盾水平放置，將所有的推進油缸豎直裝入中盾內。推進油缸豎直吊裝不但省時省力，而且易于調整；

4）尾盾：將安裝好各種管路的尾盾與中盾試裝，檢測外圓直徑尺寸；

5）驅動裝置：主軸承平放，然后依次安裝減速機和電機。

2.1.2 總裝配

1）根據各盾體的尺寸及結構，確定主機總裝配時用來支撐固定盾體的“V”型支座的數量并安裝好；

2）依次將前盾下部、中盾下部、尾部下部放到“V”型盾體支座上，并調整好水平及同心；

3）利用驅動裝置的翻轉吊運工具將主驅動裝置與前盾下部裝配，并調整好，然后吊裝前盾上部，完成前盾部分裝配；

4）管片安裝機支撐架與中盾下部裝配，調整好水平及垂直；

5）安裝中盾內部的走臺、排漿管路、液壓和潤滑管路等，并且為了方便安裝工作和人員上下的行走，各種管路的安裝工作隨著走臺的安裝一起進行。待中盾內部的所有部件裝配完成后，裝配中盾上部；

6）管片安裝機推進框架與支撐架裝配，然后完成推進框架上的走臺的裝配；

7）管片安裝機裝配到推進框架上；

8）再完成尾盾其它三部分的安裝；

9）將預裝配好的刀盤與驅動裝置裝配。

2.2 方案二

2.2.1 預裝配

各零部件只進行必要的試裝配，且其全部工作均在總裝配時進行。例如：各盾體試裝合格后拆開，其內部的其它零部件均在總裝配時再安裝。

2.2.2 總裝配

1）根據各盾體的尺寸及結構，確定主機總裝配時用來支撐固定盾體的“V”型支座的數量并安裝好；

2）依次將前盾下部、中盾下部、尾部下部放到“V”型盾體支座上，并調整好水平及同心；

3）安裝前盾下部內部的梯子、走臺和管路，然后安裝破碎機，此時安裝破碎機可以在不需制作其它墊塊的基礎上保證其裝配時的穩定性，但時此時無法使用天車直接一步裝配到位，且天車只能起到輔助作用，主要是使用手拉葫蘆來完成破碎機的裝配。此方法雖然能夠保證裝配質量，不但費時費力，而且泥漿門也只能在破碎機裝配完以后才能進行裝配；

4）安裝泥漿門各件，此時安裝泥漿門，不但泥漿門下方要使用支撐來保證安全， 而且在裝配泥漿門油缸時，工作人員需要在盾體內部工作，因為已安裝了破碎機，空間狹小，難度較大；

5）利用驅動裝置的翻轉吊運工具將主驅動裝置與前盾下部裝配，并調整好；

6）裝配前盾上部，然后安裝前盾上部的梯子、走臺和管路。此時安裝前盾上部內的各零部件，由于盾體較高，不但零部件向盾體內部的運送困難，而且工人需長時間高空作業；

7）管片安裝機支撐架與中盾下部裝配，調整好水平及垂直；

8）安裝中盾內部的走臺、排漿管路、液壓和潤滑管路等，并且為了方便安裝工作和人員上下的行走，各種管路的安裝工作隨著走臺的安裝一起進行。同時還要完成驅動裝置電機和減速機的安裝，此時由于空間狹小和高空作業，安裝工作難度較大。待中盾內部的所有部件裝配完成后，裝配中盾上部；

9）安裝中盾內的推進油缸。此時安裝推進油缸時，不但需要在盾體內部焊接臨時支撐，而且油缸在起吊時，一端還要加配重；同時安裝時還要借助手拉葫蘆和千斤頂。裝配難度和工作強度都較大；

10）管片安裝機推進框架與支撐架裝配，然后完成推進框架上的走臺的裝配；

11）管片安裝機裝配到推進框架上；

12）再完成尾盾其它三部分的安裝；

13）將預裝配好的刀盤與驅動裝置裝配。

3 結論

通過對大型泥水平衡盾構機主機裝配方案一、方案二在裝配工藝方法、裝配難易程度和工人工作強度上的分析、對比。方案一的工序簡單、工作強度小，因而主機裝配方案一較為合理。

[1]汪建業.重型機械標準.昆明：云南科技出版社，2008：466-479.

[2]顧崇銜.機械制造工藝學.西安：陜西科學技術出版社，1989：218-388.