大直徑盾構管片快速吊運系統的設計及應用

任錦江

（中國鐵建重工集團有限公司，湖南長沙410100）

大直徑盾構管片快速吊運系統的設計及應用

任錦江

（中國鐵建重工集團有限公司，湖南長沙410100）

針對8m～10m直徑級盾構機在城際鐵路隧道施工中的管片快速吊運需求，設計了一種由重載大坡度管片吊機、管片卸載器組成的管片吊運系統，完成了樣機研制與工業性試驗。本管片吊運系統具備管片一次卸載吊運功能，可直接沿12°斜坡軌道將重型管片從卸載位置吊運至管片拼裝位置，具有施工迅速、自動化程度高的特點，并成功應用在廣珠城際鐵路珠海橫琴隧道工程的國產ZTE8800土壓平衡盾構機上。

盾構機；管片吊運；真空吸盤；大坡度；重載

隨著我國珠三角、長三角、環渤海、長株譚、成綿樂等城際鐵路[1]的不斷規劃建設，直徑在8 m~10 m的城際鐵路盾構隧道累計建設歷程已達到50 km以上，處于世界領先水平；但是由于中國盾構機產業起步較晚，城際鐵路隧道施工用的大直徑盾構機主要都由海瑞克[2]、羅賓斯、NFM、三菱、奧村、日立小松等歐系、日系企業生產或與國內企業聯合制造[3]。本文結合國內自主研制的ZTE8800鐵路大直徑土壓平衡盾構機總體要求，設計了一種由重載大坡度管片吊機、管片卸載器組成的管片吊運系統，可直接適用12°斜坡齒條軌道將管片直接從卸載位置吊運至管片拼裝位置。樣機研制完成后進行了工業性試驗，并在廣珠城際鐵路珠海橫琴隧道工程中進行了成功應用。

1　管片吊運系統概述

管片吊運系統主要由管片吊機、喂片機等組成，其主要功能是：在盾構機掘進期間，進行管片卸載、轉運、回轉下放及喂送作業，再由管片拼裝機逐塊拼接成整環隧道襯砌結構。管片吊運系統工作效率直接影響著盾構機掘進效率。

目前海瑞克等歐系盾構機的管片吊運方式為：管片吊機從管片運輸車上抓取管片沿直線軌道將管片吊運下放至喂片機上，再由喂片機輸送到管片拼裝機的管片抓取區域進行拼裝，如圖1所示。其存在的主要缺點是：管片需要喂片機的二次轉運，而且當盾構機在富水地層施工時，位于隧道底部的喂片機容易被主機處的積水淹沒發生故障導致管片無法轉運，盾構機只能停工維修。

圖1　歐系盾構機管片吊運系統

小松等日系盾構機的管片吊運方式為：采用兩臺管片吊機分別在雙層高低梁軌道上連續交替吊運管片，將管片轉運至管片拼裝機下方在進行拼裝如圖2所示。其存在的主要缺點是：兩臺管片吊機功能配置簡單，自動化程度低，故障率高，并需要兩人交替作業，工序繁瑣，故障率高。

圖2　日系盾構機管片吊運系統

2　大直徑盾構管片吊運系統設計

2.1設計依據

隧道管片外徑為8 500 mm、內徑為7 700 mm、寬度為1 600 mm、隧道最大坡度5%，整環管片結構采用3+2+1結構型式、單塊管片最大重量約7 t，盾構機設計掘進速度12環/天，管片拼裝機拼裝速度45 min/環。

2.2設備構成及工作流程

ZTE8800土壓平衡盾構機管片吊運系統（見圖3）主要由管片吊機、管片卸載器、電氣控制系統等組成，具體工作流程為：管片運輸車將整環管片從隧道外運輸至后配套拖車管片卸載位置，待3組管片卸載器定點將整環管片從管片運輸車上卸載提升至安全高度，管片運輸車倒車駛出管片卸載區域；3組卸載器再將整環管片放低后托起，管片吊機沿直斜軌道利用真空吸盤從管片卸載器上依次將管片吊運至管片拼裝機抓取區域，直至吊運完整環管片，見圖4.

圖3　ZTE8800土壓平衡盾構機管片吊運系統

圖4　ZTE8800土壓平衡盾構機管片吊運系統工作流程示意圖

2.3主要性能參數

管片吊運系統額定起重量7.5 t，吊運行程40 m，具備管片卸載、抓取、起升、回轉正負90°功能，管片在吊運過程中始終保持水平狀態并能隨時下放。管片吊機整機工作級別A6、起升機構工作級別M6；行走方式采用齒輪齒條行走，行走速度15 m/min ~35 m/min、適應軌道傾角≤12°；起升機構采用4×5 t電動環鏈葫蘆同步起升，真空吸盤額定吸取重量7.5 t；單組管片卸載器額定提升量為22 t、提升高度為700 mm、提升速度為1 750 mm/min、橫移距離為170 mm.

3　主要組成系統的設計

3.1管片卸載器

單個管片卸載器（見圖5）主要由內外機架、提升油缸、導向部件、管片伸縮支腿、支腿伸縮油缸、電液控制系統等組成。其結構原理為：外機架與后配套拖車固定，為整機提供支撐力；兩個提升油缸的活塞桿端與內機架鉸接，提升油缸缸筒端與外機架鉸接，內、外機架之間安裝有導向部件，避免提升油缸在伸縮過程中出現卡死偏載；微調管片伸縮支腿內的伸縮油缸行程可滿足不同位置的管片卸載；6個管片卸載器成3組對稱安裝在后配套拖車內側。

圖5　管片卸載器結構原理圖

3.2管片吊機

管片吊機（見圖6）主要由工字形齒條行走軌道、主起升機構、行走驅動機構、輔助吊機、起升行走小車、驅動行走小車、輔助吊機、鉸接連桿等組成，其結構原理為：起升行走小車、驅動行走小車對稱安裝在工字形行走軌道內，主起升機構通過銷軸與吊運行走小車鉸接，行走驅動機構通過銷軸與驅動行走小車鉸接，輔助吊機通過銷軸與吊運行走小車鉸接；主起升與行走驅動機構、工字形齒條行走軌道由直線軌道、9度傾斜軌道、弧形軌道連接而成，依次將盾構機的管片拼裝抓取區域、連接橋、后配套管片卸載區域串通，為管片吊機主機行走提供運行通道和承受管片吊運載荷；主起升機構由起升行走架、起吊架、4臺環鏈電動葫蘆、回轉吊具、真空吸盤、液壓平衡機構組成，負責管片的起升、下放、回轉與管片水平狀態調節。行走驅動機構由行走驅動架、大功率變頻減速電機、行走齒輪傳動部件等組成，利用變頻減速電機驅動行走輔助吊機相互之間通過鉸接連桿鉸接。

齒輪在工字形齒條行走軌道上前后行走從而推拉主起升機構、輔助吊機完成管片、輔助物料吊運功能。

圖6　管片吊機結構示意圖

3.3真空吸盤

ZTE8800土壓平衡盾構機管片吊運系統中的真空吸盤主要由真空系統、吸盤體、法蘭盤、位置檢測系統等組成，其各種動作與狀態參數都通過管片吊機電氣控制系統進行操作與控制。

4　工業性試驗

4.1真空吸盤保壓試驗

（1）真空吸盤放置在標準管片上，通電后在真空泵抽取真空過程中，管片與密封條吸附緊密，各個真空腔真空度達到95%以上、消耗時間不得高于75 s；同時各儀器儀表顯示正常、真空壓力傳感器顯示壓力與真空表顯示壓力差不得超過5%（見圖7）。

圖7　真空吸盤保壓試驗

（2）斷電關閉真空泵，要求各個真空腔真空度在30 min內不得低于80%（此時7.5 t重的管片依然被吸附在真空吸盤上）。

4.2真空吸盤管片吸附斷電試驗

（1）通電后吸附管片，吊機提升真空吸盤使管片與地面脫離約10~20 mm，觀察此時真空度是否大于95%，真空度顯示值是否穩定（要求真空度穩定且大于95%）。

（2）真空度穩定大于95%至5 min后，切斷電源進行斷電測試。實際測試中經過450 min后，真空度降到43%時，管片掉落，遠超過目前隧道施工要求的真空吸盤在意外斷電情況下30 min內不得掉落的合格條件。

4.3起重特性試驗

真空吸盤性能試驗合格后，進行管片吊機的起重特性試驗，主要內容包括：

（1）對主起升機構的上下限位開關、行走機構限位開關進行整定、校準；

（2）起升機構載荷升降速度試驗：額定載荷條件下，四臺環鏈電動葫蘆上升速度誤差為（-5%，+10%）、下降速度為（-5%，+25%）為合格。進行載荷升降速度試驗過程時，載荷應分段逐步加至額定載荷；加載過程中，應安排專人注意觀察主起升機構、真空吸盤的現場情況，如出現異常情況，必須排除后才能繼續加載。

（3）升降速度同步試驗：四個環鏈電動葫蘆聯合升降時，選取1#葫蘆吊鉤為基準鉤，2#、3#、4#葫蘆吊鉤對比偏差允許值為（-2.5%，+2.5%）。

（4）整機運行過程中，齒輪齒條無卡死、溜車現象；回轉吊具回轉角度與回轉速度偏差允許值為（-3.5%，+3.5%，），行走機構運行速度偏差允許值為（-5%，+10%）；整機在全行程范圍內，主起升機構中的起升回轉真空吸盤部分在液壓平衡機構作用下始終處于水平狀態，相對主起升行走架無明顯晃動現象。

4.4載荷起升能力試驗

（1）靜載試驗

管片吊機停靠在斜線段軌道處，真空吸盤與試驗荷載起升至離地面100~200 mm高處，依次按照25%、50%、75%、100%、125%額定載荷逐級加載試驗荷載。每次加載懸空時間不得少于10 min.卸去載荷后檢查起升行走架、起吊架、驅動行走架、鉸接連桿應力測試值是否合格，如不合格，整改后重復試驗，直到滿足設計要求。管片吊機靜載試驗如圖8所示。

圖8　管片吊機靜載試驗

（2）動載試驗

管片吊機在全行程范圍內，真空吸盤與試驗荷載起升至設計要求位置，依次按照25%、50%、75%、100%、110%額定載荷逐級加載試驗荷載；每種試驗載荷狀態下全行程運行3次，檢查起升行走架、起吊架、驅動行走架、鉸接連桿應力測試值是否合格，各組成機構是否運行正常、行走電機是否運行正常，如不合格，整改后重復試驗，直到滿足設計要求。管片吊機動載試驗如圖9所示。

圖9　管片吊機動載試驗

試驗時，管片吊機應嚴格按操作規章進行控制，且必須注意把加速度、減速度和行走速度限制在管片吊機正常工作范圍內。

（3）起重量顯示及超負荷保護試驗

主要檢查管片吊機四臺環鏈電動葫蘆在正常起升條件下，超載保護、松繩保護裝置運行是否正常，真空吸盤與主機聯鎖、自鎖保護是否正常。

4.5現場應用試驗

ZTE8800土壓平衡盾構機的施工區間為廣珠城際鐵路新建鐵路珠海市區至珠海機場線橫琴隧道1號井至港仔北區間，盾構隧道全長1.237 km；分別設置半徑R=400 m、800 m、500 m轉彎段，區間盾構段縱斷面為下坡，最大坡度為15.7‰，轉彎半徑R=413 m；隧道開挖斷面主要為粗砂層、粉質粘土層，局部含孤石；隧道中后段開挖面多為弱風化花崗巖，線路左側臨海，建筑多為工業廠房。

盾構機2016年3月正式始發掘進，截止2016年9月5日，累計掘進里程1 306 m，最高日進尺達18 m.

與其它同類型盾構機設備應用結果相比，該管片吊運系統的一環管片卸載吊運速度為其2倍以上，但操作人員只有其一半，這就對城際鐵路盾構隧道的施工效率提高和施工成本降低具有顯著意義。

[1]孫洪濤，戴新鎏，楊華峰，等，我國城際鐵路重點發展區域分析[J].中國鐵路，2015，（11）：20-24.

[2]唐衛平，趙林，鄭勇.大直徑泥水平衡盾構機12‰下坡隧道雙機同井洞內始發控制技術[J].鐵路標準設計，2013，（9）：75-81.

[3]薛學偉.大直徑盾構機給力城市地鐵建設[J].建筑機械技術與管理，2011，（7）：55-56.

[4]王大江，張宇，安蘭鵬.盾構管片吊運系統的優化設計[J].工程機械，2015，46（6）：4-7.

[5]葉忠.盾構管片拼裝機原理及故障診斷與預防[J].隧道建設，2010，30（4）：486-491.

[6]常巍峰，王鑫，袁文征.真空吸盤式管片拼裝機在盾構上的應用[J].建筑機械化，2014，（4）：77-79.

[7]容錦．大型盾構管片吊機真空吸盤的研究及應用[J]．鐵道建筑技術，2012，（10）：18-20．

The Design and Application of Rapid Lifting System for Large Diameter Shield Segment

RENG Jing-jiang
（China Railway Construction Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410100，China）

According to the demands of 8m~10m diameter grade shield machine in intercity railway tunnel construction segment fast lifting，the segment hoisting system consisting of a heavy large slope segment crane and segment unloader are designed，the prototype development and industrial test are completed.This system have one time unloading and lifting function，and can directly lift segment from the unloading position to the segment assembly position along the rail ramp 12°with rapid construction and high degree of automation features.They are successfully applied in domestic ZTE8800 EPB shield machine for Guangzhou-Zhuhai intercity railway tunnel project in zhuhai hengqin.

shield machine；segment lifting；vacuum chuck；large slope；overload

U455.3

A

1672-545X（2016）10-0055-04

2016-07-06

國家科技支撐計劃-煤礦長距離斜井盾構原位地下拆解及配套技術2013BAB10B05

作者信息：任錦江（1985-），男，四川廣元人，工程師，碩士，研究方向：全斷面隧道掘進機結構設計。