TBM專用混凝土噴射系統的研究

朱 英，黃 劍，董 恰

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

隨著國內外引水項目和地鐵項目的蓬勃發(fā)展，一些工程地質為硬巖的山嶺隧道，因巖石強度大，已不適宜采用常規(guī)的盾構開挖，硬巖掘進利器—TBM成為這類地質的首選。

TBM在具有一定自穩(wěn)性的硬巖工況施工時，隧道的襯砌和加固都由專用混凝土噴射系統完成，TBM專用混凝土噴射系統是整機中非常關鍵的系統，它對TBM施工的順利掘進和安全襯砌起著至關重要的作用，是技術含量高和高附加值的產品，也是裝備制造業(yè)創(chuàng)新體系的重要組成部分?？傊?，無論從哪個角度考慮，研究和開發(fā)自主知識產權的TBM專用混凝土噴射系統對我國的掘進機事業(yè)都具有重要意義，圖1為配備專用混凝土噴射系統的“彩云號”TBM。

圖1 配備專用混凝土噴射系統的“彩云號”TBM

TBM專用混凝土噴射系統主要用于具有一定自穩(wěn)性圍巖隧道的支護和襯砌，它由環(huán)形基座、伸縮機械手、噴漿系統三大部分組成。主要特點是伸縮臂架在環(huán)形基座上做隧道端面的仿形運動，多自由度噴頭隨著伸縮臂的仿形運動對隧道壁進行噴漿襯砌，進而對隧道的圍巖進行加固。

1 環(huán)形基座

環(huán)形基座是根據隧道截面仿形設計的環(huán)形軌道，伸縮機械手可在環(huán)形軌道上做圓周曲線運動，環(huán)形軌道自身可前后伸縮4m。

環(huán)形基座（圖2）為重型桁架結構，可以承受混凝土噴射機械手、后配套皮帶機的重量，并傳遞后配套牽引力?；炷羾娚錂C械手架設在可以沿隧道軸向移動的平臺上。噴漿橋外側架設防護罩用來保護內部的皮帶機、風筒及相關管路，保護罩上部預留清渣孔，可以將附著于防護罩上的混凝土反彈料收集并清理至內部的皮帶機上。噴漿橋兩側設置防塵擋板，避免噴漿區(qū)域的粉塵污染其他作業(yè)區(qū)域。

圖2 環(huán)形基座圖

為確保環(huán)形基座的可靠性，需對整個結構進行受力分析，重點對伸縮臂運動噴漿過程中的動負載進行模擬分析，找到整個結構的薄弱點進行加強設計。通過運用ANSYS12.1軟件進行加載分析，由圖3的受力分析圖可知結構設計合理。

圖3 環(huán)形基座受力分析圖

2 機械伸縮臂架

為提高噴漿效率，設計了伸縮臂架，伸縮行程2m。機械伸縮臂設計的重難點在于截面的設計，截面一般設計成矩形，其高度比一般在1.3～1.8范圍內。側板選用薄鋼板，側板薄一些對于減輕機械臂重量極為有效，但必須認真考慮其局部失穩(wěn)問題，為了減輕自重，機械臂應盡量做成等強度梁，整個箱型臂也可以做成頭部稍細、尾部稍粗的棱錐狀體，但大多數采用貼板加強的方法改變截面面積特性。

矩形的箱型截面最危險處為四角焊縫處，也是最容易產生應力集中的地方。為了改善應力狀況，可采用其他截面形式，不同的截面形式可以得到不同的抗彎模量和不同的抵抗局部失穩(wěn)的能力。梯形截面的橫向抗彎剛度和抗扭剛度比矩形好，正梯形側板的上半部拉應力較大，提高了側板的穩(wěn)定系數；倒梯形的下底板較窄，可以避免底板的局部失穩(wěn)。機械臂截面上部做出圓形或其他折線狀，可以提高底板的抗局部失穩(wěn)能力和減小側板的計算寬度，以便可采用更薄的鋼板（3.2～4.5mm），充分利用鋼板的強度。此外還有角鋼組合式截面、圓形截面以及上半部矩形、下半部凸板或凹槽的復合形式截面等，其承載能力更好，但加工制造工藝也更復雜，實際應根據需要選用。伸縮臂架如圖4所示。

圖4 機械伸縮臂架三維圖

本設計中，機械臂覆蓋范圍要求較小，且外在負荷小，因此采用矩形截面形式即可。同時為降低加工成本，直接選用國標方管組成伸縮臂即能滿足功能要求。

2.1 材料的選取

機械臂材料選用Q345鋼，其屈服極限為345MPa，許用應力為

2.2 機械伸縮臂的強度校核

1）危險截面的截面模量系數，查設計手冊（方管立式使用）：W=182890mm3。

2）此截面所受的最大彎矩：M=G1×3130+（G2+G3）×1300=16261Nm。

3）該截面的最大應力為：σ1＝M/W＝88.9MPa＜[σ]。

4）安全系數：s=[σ]/σ1=M/W=2.6＞1.25。

因此該機械臂滿足強度要求。

建立三維模型，運用ANSYS軟件對伸縮臂進行受力分析如圖5所示，并根據分析結果對臂架結構作了相應調整。

圖5 機械伸縮臂受力分析圖

3 泵送系統

泵送系統集成了中心泵送系統、儲料斗、攪拌振動裝置、電液控制系統、出料管路等，空間布置復雜，集成度高?；炷帘猛庑纬叽缂安贾冕槍BM拖車預留位置進行全新設計，泵送能力強，壓力高，泵送距離和泵送壓力是目前在用的國外品牌的1.5倍左右，可以滿足多種長距離復雜工況的輸送作業(yè)和噴漿作業(yè)。

泵送系統的工作原理為混凝土經中心泵送至伸縮臂架的噴頭位置，在混合器進行混凝土和速凝劑的充分混合后，由壓縮空氣噴射到隧道襯砌面。混凝土泵送量的多少和速凝劑配比在噴射過程中是隨時可以調節(jié)等，PLC還需要采集輸出的頻率和需要的頻率，進行對比，對速凝劑的輸出進行實時地調節(jié)，形成一套完整的閉環(huán)控制（圖6）。

混凝土泵的主要動作有泵送、換向、反泵等，混凝土泵送系統的輸送量可調，調節(jié)范圍為5～20m3/h。一般噴射速度調在10～15m3/h。

針對輸送缸連續(xù)運轉，到行程位置時，由于液壓油壓縮及泄露造成油缸行程不到端頭位置即停止，研發(fā)了液壓自動補償技術，在油缸端頭設置補償閥，對油缸進行自動補償。

4 結 語

TBM專用混凝土噴射系統是根據TBM的位置空間和施工工況“量體裁衣”的專用性研究及設計，并根據隧道地質確定各種工況下噴漿工藝，最大化的實現能源與資源的節(jié)約。

研發(fā)的專用混凝土噴射系統已在高黎貢山“彩云號”TBM上成功應用，經過現場實際測試考核，實踐證明其性能優(yōu)、工作可靠，主要體現在以下幾個方面。

圖6 泵送系統工作原理圖

1）人機互動性好，操縱簡捷。

2）各結構及系統冗余量設計合理，整機可靠性高。

3）各動作換向平穩(wěn)，速度變化快捷柔和。

4）這個混凝土噴射系統與TBM整機位置空間及施工工藝貼合性強，施工節(jié)能環(huán)保，效率高。

[參考文獻]

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