小轉彎半徑盾構球形鉸接液壓系統設計及研究

朱 雷，李 光，杜旭峰

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

隨著國內城市化進程的快速推進，城市中配套的一些地鐵、公路、綜合管廊等地下隧道工程漸多，該類型隧道有時需設計成小轉彎半徑（轉彎半徑小于200m）。由于成本、工期、施工條件等因素的限制，不能采用明挖法施工，必須采用盾構施工，如日本京井之頭排水隧道、曼谷的Klong Phra Khanong 電纜隧道等，最小轉彎半徑甚至達到35m[1～3]。日本在這一領域研究較早，我國實現后來趕超，也設計制造出了自己的小轉彎半徑盾構。其中鉸接裝置、超挖刀系統、注漿系統等技術是小轉彎半徑盾構制造的關鍵技術。

鉸接系統作為小轉彎半徑盾構的關鍵技術之一，在盾構轉彎時起著至關重要的作用，而鉸接液壓系統設計的優劣直接關系到盾構施工時的平穩性和可靠性。本文設計了一種適用于球形鉸接的液壓控制系統，并結合某電力隧道施工案例對該球型鉸接液壓系統的設計進行分析介紹。

1 工程背景

某電力隧道施工工程，區間里程2 360m，開挖直徑4 350mm，隧道工程采用盾構法和明挖法進行施工，其中該電力隧道主干線主要采用盾構法施工，工程最小轉彎半徑達到105m，對盾構的轉彎性能提出了嚴格的要求，如圖1 所示。

2 盾構鉸接結構的選擇

圖1 盾構施工線路規劃圖

在盾構施工過程中，鉸接系統使盾構盾體前后實現折彎從而實現隧洞的轉彎。鉸接系統主要分為3 種型式：主動鉸接、被動鉸接和復合式鉸接[4]。主動鉸接和被動鉸接的選擇需根據具體的工程而定。而鉸接的結構形式又分為平面鉸接和球面鉸接。

平面鉸接接觸面為平面結構，如圖2 所示。它的優點是操作簡單，盾構姿態調整靈活，系統設計簡單，缺點是轉彎半徑有限，不適用于小轉彎半徑的隧道。

圖2 平面鉸接結構

球面鉸接相當于關節軸承結構，如圖3 所示。其特殊的球面結構可以適應于更小轉彎半徑的隧道，但是盾構轉彎時，會出現盾構姿態過于靈活，難以控制，所以對結構、密封裝置和控制系統的設計提出了更高的要求。

圖3 球面鉸接結構

綜上考慮，由于本工程轉彎半徑較小，選擇平面鉸接結構不能很好地實現轉彎效果，故將盾體前后兩段的搭接處設計成大直徑關節球形結構，同時為防止轉彎時，盾構姿態過于靈活，難以控制，在關節球形結構內外側的上下兩處設置銷軸式結構，此外，鉸接油缸行程較常規鉸接油缸長，采用中位放置形式，并選擇特定方位的油缸內置行程傳感器，現場施工時可根據轉彎半徑，控制各根油缸的伸縮量，從而實現轉彎要求。

3 球面結構鉸接液壓系統設計

3.1 鉸接系統液壓工作原理

圖4 是該工程的球形鉸接系統液壓原理簡圖，該系統由電機驅動液壓泵提供油源，溢流閥調節系統壓力，使系統壓力維持在穩定范圍之內，調速閥通過改變系統油液的流量控制鉸接油缸動作的快慢，電磁換向閥和電磁球閥組合來控制油缸的伸出和縮回，單向閥可在油缸停止動作時對油缸實現保壓狀態，同時回路中還設置有壓力傳感器，可實時監控工作油壓，當其探測的壓力超過系統的設定值油缸會停止工作，對系統進行過載保護。在實際工程中還在盾體和油缸上設置位移傳感器，通過檢測到的行程計算出轉彎角度。通過連通閥實現兩個油缸的聯動控制，另外，系統還設有背壓閥，用于在鉸接控制的過程中，在油缸運行中增加一個背壓，使油缸運動更加平穩。

圖4 球面鉸接液壓原理簡圖

3.2 鉸接油缸布置圖

該隧道所使用盾構采用球形結構的鉸接液壓系統，共有8 個液壓油缸，分成A、B、C、D 四組進行控制，如圖5 所示。調整時四組油缸全部動作，轉彎方向一側油缸縮回，相對一側油缸伸出。

圖5 鉸接油缸分布圖

由于球型鉸接在轉彎動作時要求相對側油缸動作行程應保持一致，所以分布在4 個象限中的液壓油缸在盾體上需滿足軸對稱和中心對稱分布，并且在油路連接時將對角象限內油缸連通，其中1 號、2 號油缸的有桿腔通過連通閥1 與5 號、6 號油缸有桿腔相連；3 號、4 號油缸的有桿腔通過連通閥2 與7 號、8 號油缸有桿腔相連。如圖6所示。

圖6 鉸接油缸連接示意圖

3.3 鉸接系統操作模式

鉸接操作界面如圖7，分別有兩種操作模式：聯動模式和單控模式。聯動模式為正常掘進時的鉸接控制模式。當鉸接進行向左轉彎時，1 號、2號、3 號、4 號油缸伸出，由于與對稱油缸的無桿腔相連，所以對應的5 號、6 號、7 號、8 號油缸縮回；同理當進行上抬時，3 號、4 號、5 號、6號油缸伸出，對應的1 號、2 號、7 號、8 號油缸會縮回。

圖7 鉸接系統操作界面

單控模式僅用于鉸接姿態的復位，在鉸接單控模式下可對4 組油缸進行獨立控制，以A 組油缸為例，單控時連通閥1 處于斷電狀態，A 組油缸伸出時，相應電磁換向閥右位得電，電磁球閥得電，油缸伸出；電磁換向閥左位得電，電磁球閥得電，油缸縮回。

鉸接單控模式未經授權禁止操作，同時該模式下最大推進速度不能超過20mm/min，當鉸接姿態復位后應立即終止該模式，切換為聯動模式。所有操作必須在“操作允許”指示燈激活后進行，鉸接調試時還可以通過鉸接全縮進行鉸接行程歸零。

在球型鉸接的控制界面上可實時顯示每組油缸的伸出和縮回壓力、左右鉸接角度、上下鉸接角度、鉸接中心滑塊位移等信息。

4 球形鉸接系統測試分析

通過理論計算，可以得到轉彎時不同角度的參數，以左轉彎為例計算了相應的油缸行程參數，如表1 所示。

表1 理論左轉彎油缸行程參數

在工程現場測試分析一個105m 的轉彎半徑情況。現場操作時，單次長按調整超過0.5°時，鉸接動作停止。一次鉸接動作限制在0.5°內是為了防止一次轉彎過度，影響管片拼裝，故掘進與鉸接同時交替進行。在上述操作過程中記錄了左轉彎過程中鉸接油缸的行程參數，并和理論計算進行對比，如表2 所示。

表2 實際左轉彎油缸行程測試數據

通過測試數據可以看出，實際測試數據與理論計算數據基本吻合，說明此種液壓系統設計性能穩定可靠。

5 結論

本文設計了小曲線轉彎盾構球型鉸接控制系統，對今后小曲線盾構設計及應用有很大的借鑒意義。該球型鉸接系統具有如下特點。

1）鉸接系統選型為球型鉸接形式，增加控制的靈活性。

2）鉸接油缸采用了軸對稱和中心對稱布置形式，并且對角象限內油缸有桿腔通過聯通閥連通，確保動作時對角象限內油缸行程一致。

3）鉸接控制模式設置了聯動和單控兩種模式，更好的實現轉彎控制及姿態的復位。