基于SolidWorks Simulation的重疊盾構(gòu)隧道穿行式全自動(dòng)液壓支護(hù)臺(tái)車設(shè)計(jì)研究

王 松， 朱永戰(zhàn)， 喻致蓉

(平頂山平煤機(jī)煤礦機(jī)械裝備有限公司， 河南 平頂山 467000)

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的加大及大城市交通擁堵客觀形勢(shì)的需要，為實(shí)現(xiàn)城市軌道線路順利通過(guò)狹小空間區(qū)域，重疊隧道的應(yīng)用實(shí)例也越來(lái)越多[1]，如廣州軌道交通5號(hào)線區(qū)莊站—楊箕站區(qū)間[2]，深圳軌道交通2號(hào)線大劇院站—湖貝站[3]、地鐵一期工程羅湖站—國(guó)貿(mào)站區(qū)間[4]、3號(hào)線老街站—曬布站區(qū)間[5]、7號(hào)線華新站—黃木崗站區(qū)間、11號(hào)線松崗站—碧頭站區(qū)間，北京軌道交通8號(hào)線南鑼鼓巷站[6]，南寧軌道交通1號(hào)線朝陽(yáng)廣場(chǎng)站—新民路站區(qū)間[7]等。小半徑、小凈距、長(zhǎng)距離重疊隧道施工具有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)對(duì)周邊土體產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)，且重疊隧道間的相互影響較大，施工過(guò)程中如控制不當(dāng)，容易發(fā)生安全事故并造成重大的經(jīng)濟(jì)損失[7]。因此，施工時(shí)對(duì)已施工的隧道縱向、橫向進(jìn)行整體加強(qiáng)支護(hù)非常必要。

目前，國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐中對(duì)重疊盾構(gòu)隧道加固方案主要采用注漿加固和臨時(shí)支護(hù)相結(jié)合的施工方案。在臨時(shí)支護(hù)方案中，隧道內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)型鋼支撐[3-6]、同步支撐裝置臺(tái)車[7-8]、液壓輪式支撐臺(tái)車[9-13]是目前采用的主要措施。施工過(guò)程中，在先行隧道管片實(shí)現(xiàn)不間斷支護(hù)并保證先行隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是整個(gè)隧道施工成敗的關(guān)鍵。從既有重疊盾構(gòu)隧道工程案例和已有文獻(xiàn)[3-13]來(lái)看，臨時(shí)支護(hù)設(shè)備普遍存在位移不方便、結(jié)構(gòu)笨重、相鄰工序干擾、效率低下的弊端，施工單位通常僅滿足于實(shí)現(xiàn)支護(hù)功能，對(duì)于臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的便捷性、經(jīng)濟(jì)性等關(guān)注較少且缺乏專業(yè)化、系統(tǒng)化的研究，因此，研發(fā)一種支護(hù)可靠性高、連續(xù)、穩(wěn)定、高效的支護(hù)設(shè)備很有必要。

本文以已完工的深圳市軌道交通7號(hào)線華新站—黃木崗站區(qū)間重疊盾構(gòu)隧道施工為例，介紹了穿行式全自動(dòng)液壓支護(hù)臺(tái)車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和無(wú)卸載支護(hù)原理，并結(jié)合有限元分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度校核，為今后重疊盾構(gòu)隧道項(xiàng)目施工支護(hù)裝備的設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。

1 工程概況

深圳市軌道交通7號(hào)線7305標(biāo)華新站—黃木崗站區(qū)間盾構(gòu)工程位于福田區(qū)[1]，該區(qū)間包含重疊段為曲線段，左線曲線半徑為500.0 m，右線曲線半徑為450.0 m，先施工左線隧道，后施工右線隧道。由于后行隧道施工時(shí)盾構(gòu)等施工荷載對(duì)先行隧道縱向管片環(huán)間張開(kāi)量影響較大，存在既有先行隧道變形、不穩(wěn)固和沉降的風(fēng)險(xiǎn)，施工時(shí)必須對(duì)已施工隧道的縱向、橫向進(jìn)行整體加強(qiáng)支護(hù)。施工右線隧道時(shí)，在左線隧道內(nèi)采用穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車以加強(qiáng)管片的整體穩(wěn)定性，并對(duì)隧道間的土層進(jìn)行注漿加固。

2 重疊盾構(gòu)隧道支護(hù)方案比選

根據(jù)盾構(gòu)隧道臨時(shí)支護(hù)施工需要和功能性定位，目前在盾構(gòu)重疊隧道施工中常用的可滿足持續(xù)支撐功能、可靠度較高的支撐方案主要有鋼結(jié)構(gòu)型鋼支撐方案、同步支撐裝置臺(tái)車方案和液壓輪式臺(tái)車支撐方案3種。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)型鋼支撐方案

鋼結(jié)構(gòu)型鋼支撐方案主要有以下2種結(jié)構(gòu)形式，其支撐結(jié)構(gòu)原理類似，只是型材選擇不同。

2.1.1 扣件式滿堂紅鋼管支架加固方案

在文獻(xiàn)[3]中提出鋼管支架加固方案，該方案采用建筑施工常用的滿堂紅鋼管支架對(duì)下洞進(jìn)行支撐加固，待盾構(gòu)通過(guò)后再拆除。

2.1.2 十字支撐方案

在文獻(xiàn)[4-6]和[9-11]中提出十字支撐方案，該方案主要由鋼環(huán)、十字支撐及4根縱向工字鋼組成。鋼環(huán)和十字鋼支撐位于管片環(huán)縫處，縱向鋼支撐分別在隧道的12、3、6、9點(diǎn)位沿隧道縱向布置，鋼環(huán)、十字支撐和縱向工字鋼之間均采用螺栓連接，形成整體支撐體系。為了保證支撐轉(zhuǎn)移過(guò)程中在盾構(gòu)長(zhǎng)度范圍內(nèi)至少有4榀支撐，每次架設(shè)6榀，當(dāng)盾構(gòu)通過(guò)最后2榀支撐后，及時(shí)拆除支撐并移至前端，進(jìn)行重新架設(shè)。

2.2 同步支撐裝置臺(tái)車方案

在文獻(xiàn)[7-8]中提出一種同步支撐裝置臺(tái)車方案，在上行隧道盾構(gòu)所處位置對(duì)應(yīng)的下行隧道后20環(huán)、前10環(huán)管片(總長(zhǎng)45.0 m)設(shè)置臨時(shí)移動(dòng)保護(hù)支架。該裝置主要由主架、支撐板、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、下部支撐板吊裝系統(tǒng)等部分組成。移動(dòng)順序?yàn)椋?先將最后5榀頂模和底模拆開(kāi)，再把最后5榀頂模回收并往前移動(dòng)至支撐臺(tái)架中部，然后回收最后5榀底模并往前移動(dòng)至已前移的頂模下部，最后將支撐臺(tái)架一并前移到最前方進(jìn)行組裝，如此循環(huán)完成支撐臺(tái)車的前移工作。同步支撐裝置臺(tái)車結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a) 縱剖圖

(b) 橫剖圖

2.3 液壓輪式臺(tái)車支撐方案

在文獻(xiàn)[9-13]中提出采用液壓輪式臺(tái)車支撐方案，該方案主要由4節(jié)臺(tái)車組成，單節(jié)長(zhǎng)度為4.5 m，節(jié)間凈距為1.5 m，整套臺(tái)車有效總長(zhǎng)22.5 m(不含前端引導(dǎo)段6.3 m)，總質(zhì)量為98.5 t[10，12]。臺(tái)車可在鋼軌上行進(jìn)，每節(jié)臺(tái)車沿縱向間隔約0.8 m設(shè)置1道支撐，每道支撐由9、11、12、1、3點(diǎn)鐘5個(gè)方位共計(jì)5個(gè)輪式支撐組成，臺(tái)車之間采用連接缸相連形成一個(gè)整體。在臺(tái)車液壓系統(tǒng)的推動(dòng)下，可實(shí)現(xiàn)不卸載向前移動(dòng)。液壓輪式臺(tái)車結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(a) 縱剖圖

(b) 橫剖圖

2.4 現(xiàn)有方案優(yōu)劣性對(duì)比

1)鋼結(jié)構(gòu)型鋼支撐方案： 該方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且功能明確、取材方便，通過(guò)型鋼支架或滿堂紅鋼管支架對(duì)先行隧道進(jìn)行加固，支撐管片承受外部壓力，控制管片變形；缺點(diǎn)是不能與盾構(gòu)同時(shí)前進(jìn)且拆卸麻煩。對(duì)于長(zhǎng)距離重疊盾構(gòu)隧道支護(hù)而言，由于隧道內(nèi)空間狹小且不便于施工機(jī)械輔助轉(zhuǎn)運(yùn)，繁瑣的安裝、拆除和倒運(yùn)工作非常困難，作業(yè)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度較大且效率低下。

2)同步支撐裝置臺(tái)車方案： 該方案的優(yōu)點(diǎn)是相比鋼結(jié)構(gòu)型鋼支撐方案增加了液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)，自動(dòng)化程度有了一定的提高，在一定程度上可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，但也有諸多不足之處。其拆裝工作量大，而且貫穿整個(gè)支撐施工過(guò)程中下部無(wú)法通車，造成工序干擾，支護(hù)效率仍然較低，且不能杜絕鋼制模板磕碰、損壞混凝土管片風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)總長(zhǎng)45.0 m鋼制模板支撐結(jié)構(gòu)較為笨重，設(shè)備造價(jià)相對(duì)較高。

3)液壓輪式臺(tái)車支撐方案： 該方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)合理，可滿足對(duì)支撐體系的要求，自動(dòng)化程度有了進(jìn)一步提高，施工中向前移動(dòng)也比較方便，并且實(shí)現(xiàn)了連續(xù)不間斷支撐。其不足是臺(tái)車質(zhì)量較重，造價(jià)仍然相對(duì)較高，且由于該方案的結(jié)構(gòu)限制，在臺(tái)車頂推支護(hù)工作期間下部無(wú)法通行施工車輛造成物料運(yùn)輸中斷，形成相鄰工序之間的干擾，施工效率仍較低。

2.5 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車方案

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)條件下3種常用支撐方案的不足，結(jié)合本盾構(gòu)隧道區(qū)間施工組織，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)一種在無(wú)卸載支護(hù)條件下具備下部不間斷穿行施工車輛功能的全自動(dòng)新型液壓支護(hù)臺(tái)車方案，結(jié)構(gòu)如圖3所示。該方案由3節(jié)臺(tái)車組成，采用全自動(dòng)液壓軌道行走。主要參數(shù)如下： 單節(jié)臺(tái)車前后側(cè)門架中心間距為3.0 m，整套臺(tái)車公稱長(zhǎng)度為12.0 m(最大有效支護(hù)長(zhǎng)度為14.0 m)，單節(jié)臺(tái)車質(zhì)量為 12.0 t，整車質(zhì)量為36.0 t，中心軌距為2.2 m。3節(jié)臺(tái)車之間采用動(dòng)力液壓油缸連接，可實(shí)現(xiàn)不卸載連續(xù)支護(hù)。

(a) 縱剖圖

(b) 橫剖圖

1—液壓泵站； 2—電控系統(tǒng)； 3—行走輪系； 4—?jiǎng)恿τ透祝?5—支護(hù)系統(tǒng)； 6—縱梁； 7—門架系統(tǒng)。

圖3穿行式全自動(dòng)液壓支護(hù)臺(tái)車支護(hù)方案結(jié)構(gòu)(單位： mm)

Fig. 3 Structure of automatic hydraulic support trolley (unit： mm)

與液壓輪式臺(tái)車支撐方案相比，穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車結(jié)構(gòu)不再設(shè)置水平橫梁且擴(kuò)大了中心軌距，保證了施工車輛(電瓶車)通車需求。本臺(tái)車內(nèi)部通車空間B×H=2.0 m×2.4 m。

穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車方案繼承了3種既有支護(hù)方案的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足：

1)下部采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在滿足隧道不間斷支護(hù)的同時(shí)保證內(nèi)部空間24 h不間斷通車，下部可通過(guò)施工車輛運(yùn)輸管片、機(jī)具等施工材料，避免工序間作業(yè)干擾。

2)一次調(diào)試完成后、在施工監(jiān)測(cè)無(wú)異常情況下無(wú)需中途調(diào)整，避免了原有支護(hù)方案設(shè)備的反復(fù)拆卸、倒運(yùn)、組裝等工序，有效降低了作業(yè)工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

3)支護(hù)結(jié)構(gòu)由現(xiàn)有技術(shù)條件下總長(zhǎng)度45.0 m[7-8]和22.5 m[9-13]縮減為12.0 m，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)便；臺(tái)車總質(zhì)量由98.5 t[10，12]縮減為36.0 t，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)，也降低了施工成本。

3 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車設(shè)計(jì)原理及參數(shù)

3.1 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車工作原理

3.1.1 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車無(wú)卸載支護(hù)原理

為了確保盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，避免管片變形、破壞等問(wèn)題，施工過(guò)程中必須保持支護(hù)臺(tái)車在無(wú)卸載支護(hù)條件下分步行進(jìn)，即在外界施工荷載工況條件下始終保持支護(hù)狀態(tài)。本臺(tái)車通過(guò)電氣控制和電磁換向閥操作9組支護(hù)輪組(每5個(gè)為一組，共計(jì)45個(gè)支護(hù)輪組)，其中每組5個(gè)支護(hù)輪組既可以一鍵升降又可以單獨(dú)控制，同時(shí)在液壓系統(tǒng)中還設(shè)置了液壓鎖等液壓元件。

3.1.2 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車無(wú)卸載行進(jìn)條件分析

選取液壓支護(hù)臺(tái)車的支護(hù)區(qū)間作為研究對(duì)象，由于3組臺(tái)車與管片及軌道的接觸點(diǎn)數(shù)和面積相等、隧道行進(jìn)方向坡度相同、鋼輪外包裹聚氨酯橡膠與管片混凝土摩擦因數(shù)相等、支護(hù)油缸推力相等，且盾構(gòu)隧道在整個(gè)臺(tái)車支護(hù)的長(zhǎng)度內(nèi)外界地質(zhì)條件基本無(wú)變化，因此，可以近似認(rèn)為3組臺(tái)車所承受的工作阻力相等。

設(shè)單節(jié)支護(hù)臺(tái)車在某段重疊隧道與該段隧道管片及鋼軌間的施工荷載正壓力合力為FN，由以上分析可知：

FN1=FN2=FN3=FN。

(1)

式中FN1、FN2、FN3分別為3節(jié)臺(tái)車所受正壓力。

右線北方重工盾構(gòu)質(zhì)量在長(zhǎng)度方向分布依次為刀盤53.0 t(1.8 m)、前盾111.6 t(2.3 m)、中盾76.9 t(2.9 m)、尾盾48.3 t(4.0 m)，則均布荷載為刀盤qdp=294.4 kN/m、前盾qqd=485.2 kN/m、中盾qzd=265.2 kN/m、尾盾qwd=120.8 kN/m，可知施工荷載主要集中在刀盤、前盾、中盾，這3個(gè)支護(hù)區(qū)間為重點(diǎn)保護(hù)部位。根據(jù)盾構(gòu)行進(jìn)長(zhǎng)度、支護(hù)臺(tái)車的布置情況及頂推施工過(guò)程，單節(jié)臺(tái)車所受的正壓力最不利情況為前盾全壓在一節(jié)臺(tái)車上，中盾壓接剩余1.7 m。支護(hù)最不利工況示意圖如圖4所示。

圖4 支護(hù)最不利工況示意圖(單位： mm)

3節(jié)臺(tái)車在最不利情況下所受的正壓力(單位： kN)分別為：

FN1=530.0+FN；

(2)

FN2=1 116.0+qzd×1.7+FN=1 566.8+FN；

(3)

FN3=483.0+(769.0-qzd×1.7)+FN=

801.2+FN。

(4)

摩擦力計(jì)算公式為：

f=μF。

(5)

設(shè)1#臺(tái)車、2#臺(tái)車之間的動(dòng)力油缸推力為FD。當(dāng)1#臺(tái)車以2#、3#臺(tái)車為反力向前推動(dòng)瞬間，結(jié)合式(1)—(5)，則無(wú)卸載行進(jìn)須滿足：

f1=μFN1=μ(530.0+FN)=FD<μ(FN2+FN3)=

μ(2 368.0+2FN)，

(6)

由式(6)可知，無(wú)需任何外在推力的作用即可滿足1#臺(tái)車不卸載行進(jìn)條件。

f2=μFN2=μ(1 566.8+FN)=FD<μ(FN1+FN3)=

μ(1 331.2+2FN)，

此時(shí)，只有當(dāng)FN>235.6 kN時(shí)，才能滿足2#臺(tái)車在沒(méi)有任何外在推力作用下的不卸載行進(jìn)條件。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，橡膠輪與混凝土面的摩擦因數(shù)μ≈0.15，可以推導(dǎo)出此時(shí)2#臺(tái)車的瞬間工作阻力

f2=μFN2=μ(1 566.8+FN)=0.15×(1 566.8+

235.6) kN=270.4 kN。

此時(shí)為提供較大的反力使2#臺(tái)車不卸載移動(dòng)，采取保護(hù)措施,在1#、3#反力臺(tái)車的行走輪和軌道間設(shè)置夾軌器或塞入木楔。

f3=μFN3=μ(801.2+FN)=FD<μ(FN1+FN2)=μ(2 096.8+2FN)。

可知，無(wú)需任何外在推力的作用即可滿足3#臺(tái)車不卸載行進(jìn)條件。

在實(shí)際無(wú)卸載支護(hù)頂推施工中，盾構(gòu)等外界條件作用在臺(tái)車上的施工荷載會(huì)隨盾構(gòu)與臺(tái)車的相對(duì)位置變化而發(fā)生變化。為保證臺(tái)車無(wú)卸載支護(hù)行進(jìn)及隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，必須采取夾軌器和塞入木楔等雙重安全措施以保證安全。

3.2 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 單節(jié)臺(tái)車模塊化設(shè)計(jì)

為便于施工操作和具備支護(hù)區(qū)間范圍可擴(kuò)展功能，單節(jié)臺(tái)車采用模塊化設(shè)計(jì)，相鄰臺(tái)車節(jié)間通過(guò)頂推動(dòng)力油缸串聯(lián)。單節(jié)臺(tái)車自成支護(hù)體系，作業(yè)方式靈活，既可以相對(duì)獨(dú)立地支護(hù)也可整組移動(dòng)支護(hù)，同時(shí)可根據(jù)施工需要擴(kuò)展成更多支護(hù)節(jié)段。

3.2.2 采用滑套結(jié)構(gòu)減少支護(hù)輪組伸縮阻力

為減少工作阻力，支護(hù)輪組與縱梁間連接方式采用內(nèi)外移動(dòng)式滑套結(jié)構(gòu)，如圖5所示。縱梁上部采用口字型結(jié)構(gòu)，作為門架縱向穩(wěn)定性連接構(gòu)件，同時(shí)兼作支護(hù)輪組滑套結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和安裝底座；支護(hù)輪組底座作為滑套結(jié)構(gòu)內(nèi)芯，可在支護(hù)油缸的推動(dòng)下自由伸縮；單個(gè)支護(hù)輪組由2個(gè)鋼輪組成，為避免鋼輪行走損傷管片同時(shí)減少推進(jìn)阻力，在鋼輪外包裹聚氨酯橡膠。

1—縱梁； 2—支護(hù)輪組； 3—支護(hù)油缸； 4—支護(hù)圓柱銷； 5—縱梁連接銷。

圖5支護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig. 5 Structure of support system

3.2.3 鉸接式設(shè)計(jì)消除管片錯(cuò)臺(tái)阻力

由于在盾構(gòu)隧道施工中一直存在管片錯(cuò)臺(tái)技術(shù)難題，傳統(tǒng)輪式臺(tái)車在錯(cuò)臺(tái)位置行進(jìn)過(guò)程中不可避免地造成工作阻力增大，此時(shí)若強(qiáng)行推進(jìn)將會(huì)引發(fā)管片破裂、隧道滲漏、支護(hù)輪組損壞等一系列風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。本臺(tái)車采用鉸接式設(shè)計(jì)，支護(hù)輪組和支護(hù)底座間采用圓柱銷連接，即使在管片錯(cuò)臺(tái)條件下也可自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)，保持支護(hù)輪組聚氨酯橡膠面始終緊密貼合在管片表面，結(jié)構(gòu)更加方便可靠。支護(hù)系統(tǒng)行進(jìn)工況模擬如圖6所示。

(a) 理想水平狀態(tài)

(c) 下坡?tīng)顟B(tài)

Fig. 6 Simulation drawings of support system under working conditions

3.2.4 支護(hù)系統(tǒng)壓力可調(diào)

支護(hù)系統(tǒng)利用液壓支護(hù)油缸提供支撐力以抵抗管片承受的外部施工荷載，施工過(guò)程中油缸的支護(hù)推力可根據(jù)施工需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。支護(hù)油缸規(guī)格為HSG140/90-300，單個(gè)支護(hù)輪組可提供最大支護(hù)推力為246.2 kN。

3.2.5 頂推動(dòng)力同步推進(jìn)措施

整組臺(tái)車行進(jìn)采用液壓油缸頂推，動(dòng)力平穩(wěn)、可靠性高。液壓支護(hù)臺(tái)車共有8個(gè)頂推動(dòng)力油缸，每4個(gè)一組，由同步閥統(tǒng)一控制保持頂推行進(jìn)速度一致。油缸規(guī)格為HSG160/100-750，單個(gè)動(dòng)力油缸可提供最大推力為321.5 kN、最大拉力為195.9 kN。

3.3 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車電氣控制

所有油缸終端由高壓油管連接到液壓泵站的電磁閥組上，由電控箱按鈕控制電磁閥實(shí)現(xiàn)油缸動(dòng)作。電氣控制系統(tǒng)由空氣開(kāi)關(guān)、熱繼電器、交流接觸器、熔斷開(kāi)關(guān)、橋式整流器、熔斷器、啟停按鈕、急停按鈕、通電指示燈等電氣元件組成，總機(jī)功率為4 kW。

3.4 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車液壓控制

本臺(tái)車液壓控制系統(tǒng)由200 L液壓泵站(額定工作壓力16 MPa)、PV2R1葉片泵、3.75 kW油泵電機(jī)、CIT-04管式單向閥、DSG-02-3C2-D2電磁換向閥、AT-63-400K-A1 GCT-02分支壓力表及開(kāi)關(guān)、MRV-02-P疊加式溢流閥、液溫液位計(jì)等液壓元件組成。在動(dòng)力油缸上設(shè)計(jì)同步閥保證油缸動(dòng)作一致，設(shè)計(jì)溢流閥和液溫液位計(jì)作為安全保護(hù)措施。液壓控制原理如圖7所示。

圖7 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車液壓控制原理圖

3.5 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車行進(jìn)操作步驟

臺(tái)車相鄰門架中心間距為1.5 m，與管片寬度相同，液壓支護(hù)臺(tái)車在盾構(gòu)掘進(jìn)半環(huán)或者整環(huán)的換車時(shí)間進(jìn)行行進(jìn)，每次行進(jìn)位移為0.75 m或1.5 m，即動(dòng)力油缸伸縮1個(gè)行程或2個(gè)行程。結(jié)合圖8所示，臺(tái)車行進(jìn)操作步驟如下:

1)利用A組動(dòng)力油缸向1#臺(tái)車提供向前推力，此時(shí)2#、3#臺(tái)車作為反力臺(tái)車靜止，1#臺(tái)車隨動(dòng)力油缸動(dòng)作向前行進(jìn)；

2)利用A組動(dòng)力油缸、B組動(dòng)力油缸共同施力，將2#臺(tái)車向前推動(dòng)；

3)利用B組動(dòng)力油缸收縮動(dòng)作將3#臺(tái)車往前拉動(dòng)，此時(shí)1#、2#臺(tái)車作為反力臺(tái)車靜止，3#臺(tái)車隨動(dòng)力油缸動(dòng)作向前行進(jìn)。

如此循環(huán)，1#、2#、3#臺(tái)車依次逐節(jié)行進(jìn)直至完成全部重疊段支護(hù)任務(wù)。

圖8 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車行進(jìn)示意圖

4 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

4.1 研究對(duì)象的選取

因本設(shè)計(jì)中3節(jié)臺(tái)車結(jié)構(gòu)相同，選取其中一節(jié)臺(tái)車作為研究對(duì)象即可校核臺(tái)車安全性能。臺(tái)車門架斷面為變截面焊接H型鋼結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為Q235B。力學(xué)模型： 簡(jiǎn)化為一端簡(jiǎn)支、一端固定的簡(jiǎn)支梁模型，按最不利條件即單個(gè)支護(hù)底座承受最大荷載246.2 kN驗(yàn)算。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，Q235B材料許用應(yīng)力及撓度規(guī)定為： 強(qiáng)度[σ]≤215 MPa； 撓度[ω]≤l/400。

4.2 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車強(qiáng)度校核

本計(jì)算采用有限元分析軟件SolidWorks Simulation進(jìn)行強(qiáng)度校核。

1)建立SolidWorks臺(tái)車三維模型，輸入約束條件、施工荷載。為便于計(jì)算和輸出結(jié)果，將次要結(jié)構(gòu)(如行走輪組、支護(hù)輪組等)略去，如圖9所示。

2)求解有限元模型。臺(tái)車應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D如圖10所示。

(a) 3D模型

(b) 施工荷載加載

Fig. 9 3D model of hydraulic support trolley and construction loading

(a) 應(yīng)力云圖(單位： N/m2)

(b) 應(yīng)變?cè)茍D

由以上計(jì)算可知，臺(tái)車應(yīng)力、變形量均滿足要求，結(jié)構(gòu)安全，可滿足施工要求。

5 穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車應(yīng)用案例

穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車已經(jīng)成功應(yīng)用于深圳軌道交通7號(hào)線華新站—黃木崗站區(qū)間、11號(hào)線松崗站—碧頭站區(qū)間中國(guó)水電四局、水電十四局、中鐵二局3個(gè)標(biāo)段，如圖11所示。其中，華新站—黃木崗站區(qū)間左線隧道于2014年12月14日進(jìn)入疊線段，2014年12月31日完成隧道掘進(jìn)；右線隧道于2015年3月16日進(jìn)入疊線段，2015年4月9日完成隧道掘進(jìn)。通過(guò)以上工程實(shí)踐的成功應(yīng)用，為后續(xù)重疊盾構(gòu)隧道項(xiàng)目施工提供了便捷、高效的支護(hù)方案借鑒，同時(shí)也為類似項(xiàng)目的支護(hù)臺(tái)車設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)參考。

(a) 整體組裝圖

(b) 無(wú)卸載支護(hù)的同時(shí)下部運(yùn)輸物料電瓶車通行

6 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)深圳市軌道交通7號(hào)線華新站—黃木崗站區(qū)間重疊盾構(gòu)隧道工程穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車設(shè)計(jì)，結(jié)論與建議如下：

1)穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車為重疊盾構(gòu)隧道工程提供了簡(jiǎn)便、高效的臨時(shí)支護(hù)設(shè)備，達(dá)到了減少工序干擾、提高施工效率、降低施工成本的目的。

2)由于本臺(tái)車施工過(guò)程中必須確保盾構(gòu)始終處于臺(tái)車支護(hù)范圍，這就對(duì)隧道掘進(jìn)與液壓支護(hù)工序配合提出了更高的要求。

3)穿行式液壓支護(hù)臺(tái)車在自動(dòng)化智能控制方面尚需進(jìn)一步提高，建議在今后類似工程的臨時(shí)支護(hù)裝備設(shè)計(jì)上加強(qiáng)與盾構(gòu)同步行進(jìn)自動(dòng)化智能控制方面的研究。