特殊工況下土壓平衡盾構機連接機構的設計

徐耀斌（上海隧道工程有限公司，上海 200032）

盾構機是一種使用盾構法隧道掘進的專用工程機械，可分為手掘式、半機械式以及機械式這三大類?，F代機械式盾構機集光、電、液、傳感、控制于一體，主要分為泥水平衡盾構、土壓平衡盾構、全斷面硬巖隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，TBM）等形式，對城市地下鐵道、上下水道、電力通訊、市政公用設施等隧道建設帶來諸多便利。

土壓平衡盾構機具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能。其基本結構如圖 1 所示，主要由刀盤、驅動機構、盾體、管片拼裝機、螺旋機、皮帶機、管片儲運機構、連接機構、工作平臺、后續配套車架等組成。土壓平衡盾構機的基本原理：由刀盤切削土層，切削后的泥土進入土腔，土腔內的泥土與開挖面壓力取得平衡的同時由土腔內的螺旋輸送機出土，裝于排土口的排土裝置在出土量與推進量取得平衡的狀態下，進行連續出土。

圖1 土壓平衡盾構機基本結構

連接機構連接的是盾構主體以及后續的配套車架，其最主要的作用就是傳遞推進油缸的推進力來牽引后續的配套車架，除此之外，連接機構還承擔著盾構機轉彎；預留行人、管線通道；預留“口”子件翻身、鋪設位置；車架軌道鋪設位置等作用。

一般連接機構的類型有牽引梁、牽引橋架、牽引車架這三種，根據其不同的形式而得名。牽引梁為兩側單獨的梁形式，所占用的空間最小，最為靈活；牽引橋架則是懸空的橋架結構，橋架整體結構較為強壯，其上面所能利用的空間也較多；而牽引車架則是輪子落地的結構形式，受力情況最好，連接機構上所能利用的空間也最多。

1 項目技術難點

本項目依托于上海市龍水南路越江隧道工程，采用的是Φ11660 mm 土壓平衡式盾構機，最大坡度為 5.9%。該土壓平衡式盾構機連接機構的設計具有三大難點：

（1）出洞時在加固區便面臨 400 m 的轉彎半徑，轉彎半徑小，對于通過性提出了高要求；

（2）始發時，后續車架軸線與盾構主機軸線存在最大 1130 mm 的高差，需要通過連接機構來過渡掉這部分高差。

（3）本項目由于采用地面出入式盾構法（Ground Penetrating Shield Technology，GPST）進行進洞，施工過程中需要穿越淺覆土、超淺覆土等各種復雜多變的工況，需設計管片穩定機構。針對在零覆土、超淺覆土工況下，管片自立性差、結構易變形的問題，設計管片支撐裝置對管片的變形進行限制，將管片變形控制在合理范圍內。管片穩定裝置位于連接結構前部，需要對其加以設計排布。

2 連接機構方案排布設計與確定

首先，連接機構的總長可由皮帶機確定，根據皮帶機的高差 △h=3448mm以及傾斜角度 α=12°，可得連接機構的總長 s 如式（1）所示。

根據傳統連接機構的方式以及為滿足管片穩定裝置的結構需求，排布了兩個方案：方案一：牽引梁內穿管片穩定裝置；方案二：管片穩定裝置和牽引車架做為一體。

其中方案一牽引梁內穿管片穩定裝置中，管片穩定裝置與牽引梁都為拼裝平臺獨立牽引，管片穩定裝置因為受到周向的土壓力，需落地；而牽引梁為懸空內穿管片穩定裝置，管片穩定裝置與牽引梁之間會有相對移動，工程始發時的最大 1130 mm 高差使得牽引梁的行人以及管路通過性難以保證。

而方案二使用牽引車架的方案，則在始發階段，因存在1130 mm 高差且前方底部軌道難以鋪設，導致整節牽引車架在始發階段難以落地，且不利于保證 400 mm 的最小轉彎半徑。

分析方案一和方案二兩種較為傳統的連接機構方式在此項目中的優劣勢，為了同時滿足前部管片穩定裝置的落地要求以及始發時存在的最大 1130 mm 高差。綜合方案一和方案二，把整個連接機構做前后的分段式設計，初步為此特殊工況設計確定出連接機構方案，其中前部為了滿足管片穩定裝置的受力情況，做牽引車架的形式，五環管片穩定裝置做可拆式設計，總長為 6585 mm，牽引車架整體斜輪落地，受拼裝平臺單側油缸單側拉桿牽引；后部則為了保證通過性以及靈活性，做牽引梁設計，軸向距離為 8725 mm，其中牽引梁的前后連接結構因為始發井中存在 1130 mm 較大高差需做特殊設計。

3 牽引梁的設計校核與計算

首先，先在 CAD 中排布一下牽引梁的邊界條件：① 排布一下牽引梁在 400 m 最小轉彎半徑時所需要的轉角以及牽引油缸所需要的行程?？芍恳嚎山梃b車架長度），400 m 最小轉彎半徑時所需要的轉角 ＜ 2°，牽引油缸所需要的單邊行程 ＜160 mm，即牽引油缸需要的行程為320 mm。② 根據在始發井中存在的最大 1130 mm 的高差，可知，倘若正常推進狀態為水平一軸線的情況，則在始發最大高差 1130 mm時，牽引梁的傾角θ如式（2）所示。

為了避免過大的傾角，故把牽引梁正常推進狀態下設計為帶有一定傾角的形式。設計始發最大高差時牽引梁的傾角為 5°，可得，在正常推進狀態下牽引梁的傾角為 2.4°。始發時牽引梁最大傾角 5°。

根據牽引梁軸向長度為 8725 mm 以及正常推進情況下牽引梁的傾角為 2.4°，可以計算出牽引梁總長 L 如下式（3）所示。

常規牽引梁的連接結構，單邊用牽引油缸加關節軸承的滑槽式設計，牽引油缸的伸縮行程以滿足轉彎時候兩條牽引梁之間的長度差，底部做半圓形滑動裝置支撐住牽引梁使油缸不受徑向力，兩側槽鋼進行左右限位，以滿足轉彎時候的要求，油缸里套有關節軸承可滿足上下坡時候上下轉動的自由度；另一邊無牽引油缸，采用銷軸結構；但是此設計不可滿足本工程中存在的較大高差的情況。

故為滿足龍水南路特殊工況，設計有如圖 2 所示的牽引梁連接結構，取消螺栓連接的形式，分別設計為上下鉸接和左右鉸接的耳座形式分別與前端的牽引橋架以及后端的車架進行連接。對于單邊有牽引油缸連接結構的設計：首先，限制原來滑槽結構上下轉動的自由度，使牽引梁在上下轉動的過程中不讓牽引油缸受到徑向力；其次，在原來結構的基礎上增加一個可以上下轉動的鉸接以滿足上下轉動的角度要求，并在耳座中間設計有關節軸承，使其能夠滿足轉彎時候的角度。對于另一邊沒有牽引油缸連接結構的設計，則是設計有左右鉸接的耳座，耳座中同樣是設計有關節軸承，以滿足最大為 5° 的轉動，且此處左右鉸座的設計可以完成對于牽引梁上下鉸機械限位的要求。

圖2 龍水南路牽引梁的連接結構

在完成連接結構的初步預想設計，需對于前后連接處的牽引油缸、關節軸承、銷軸、耳座結構進行選型、計算與校核。

① 牽引油缸：牽引油缸的行程根據最小轉彎半徑選用320 mm；還需校核牽引油缸的牽引力，后續四節車架總重約為 400 t，綜合坡度、摩擦系數、過臺階的情況以及放安全系數，取綜合拉力系數為 μ=0.3，F= μ×G=0.3×400=120 t。則單邊牽引油缸拉力需 60 t，根據油缸壓力以及截面積校核，如式（4）所示。

故校核通過。

② 關節軸承：關節軸承的選型需綜合考慮所受載荷以及轉動角度，根據所受載荷 60 t 以及最大轉角為 5°，選用 GE100ES 的潤滑型向心關節軸承，其額定動載荷為607 kN，最大轉角為 6°。

③ 銷軸：銷軸需校核其所受剪力，根據所選用的關節軸承，其直徑 d=100 mm，校核其剪力如（5）所示。

故校核通過。

④ 耳座結構：耳座的結構做機械限位設計，需校核機械限位的角度是否滿足最大轉角5°。耳座的最遠處到軸心的距離為 150 mm，而耳座兩邊間隙留的各位 15 mm，通過軸套去做軸向定位，校核機械限位的角度，如式（6）所示。

故校核通過。

最后完成對于牽引梁的整體設計。

4 結 語

本文依托于上海市龍水南路越江隧道工程的特殊工況，因傳統連接機構形式的各種局限性，對于 Φ11660 mm 的土壓平衡式盾構機提出并采用了全新的分段式連接機構設計。除此之外，因為具有罕見高差的始發井結構，對于牽引梁的連接結構進行了重新設計與校核。新式的牽引梁連接結構還具備進一步的改造潛力，以滿足更大角度轉動、更大載荷牽引的能力，對于擁有各自由度重載懸臂鉸接的連接結構具備一定的借鑒意義。