小曲線TBM隧道出渣用調車平轉橋研究及設計

嚴振林

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

TBM(全斷面巖石隧道掘進機)法隧道施工具有速度快、工期短、作業環境好、綜合效益高等優點，在隧道施工中扮演著越來越重要的角色，而保障TBM隧道內出渣運輸系統的暢通是正常掘進的關鍵問題[1－2]，TBM施工常用的出渣方式為連續皮帶機出渣、有軌車輛運輸及無軌車輛運輸[3－4]。

當隧道斷面較大、掘進施工里程較長時，采用連續皮帶機出渣，可明顯減少轉載卸渣時間，提高出渣效率。齊夢學、王智遠、唐志林等[5－7]對皮帶機出渣技術進行了研究分析。王文勝[8]研究了渣土運輸車、翻車機、皮帶輸送機與TBM合理匹配完成渣土運輸問題。隧洞斷面較小時，受制洞內出渣系統布置困難及連續皮帶機成本較高等因素，常考慮有軌車輛運輸出渣。邵云帆[9]結合那邦水電站引水隧道，研究了小直徑TBM施工中的有軌運輸技術。毛錦波[10]研究了山西中部引黃工程和天山勝利隧道TBM施工中，采用軌道引導式多功能膠輪車MSV設備進行出渣流程。在小曲線(轉彎半徑<10倍洞徑)非連續隧洞TBM施工中，受掘進線路復雜、隧道斷面狹小和配套設備不成熟等因素影響，如采用傳統的出渣方式，會帶來出渣運轉周期長、費用投入大及工序協同性差等問題，無法發揮TBM高效連續掘進的優勢。鐘慶豐[11]等提出了一種適用于小洞徑隧道的儲備式連續出渣技術，該技術解決了小直徑TBM隧道內物料運輸連續性差、效率低等難題，但該套技術所配備的設備較多，投入較大。路振剛[12]等對超小轉彎半徑的緊湊型TBM設計關鍵技術進行研究，提出了皮帶機采用液壓馬達驅動、重錘張緊局部收縮的一體化皮帶機設備。目前，針對小曲線隧道TBM施工出渣技術研究較少，國內尚處在起步階段，但隨著能源礦山及抽水蓄能項目增多，小曲線隧道施工項目也將隨之增多，該項技術的研究將凸顯其重要性。

本文以河北撫寧抽水蓄能電站項目為依托，研究與小曲線隧道TBM施工相配套的出渣用調車平轉橋設備，以解決小曲線有限空間隧洞內自卸出渣汽車調頭難題，以期對后續類似工程案例的出渣系統選擇提供參考。

2 項目工程概況

河北撫寧抽水蓄能電站項目是利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電的水電站，電站裝機容量1 200 MW。其線路埋深80～300 m，線路總長2 226.7 m，開挖直徑9.53 m，交通洞最大坡度－6.6%，廠房最大坡度－9.02%。交通洞和通風洞采用小曲線TBM施工，最小轉彎半徑為90 m。其施工布置如圖1所示。

圖1 撫寧抽水蓄能電站項目施工布置

針對該項目施工里程短、曲線半徑小、線路折角大等因素，經綜合對比幾種物流運輸方式，確定出渣環節采用大型自卸汽車運輸，掘進供給保障采用可雙向行駛的輪胎式工程車。但由于隧道內空間有限，出渣自卸汽車在洞內無法實現自主調頭，為保障出渣運輸暢通，在TBM尾部設置車輛可自動調頭的調車平轉橋設備。

3 調車平轉橋設計參數及結構組成

3.1 主要設計參數

(1)動態回轉承載能力:50 t；動載安全系數為3。

(2)接渣平臺承載能力:100 t；靜載安全系數為1.3。

(3)車輛通過速度:5 km/h。

(4)回轉速度:0～2 r/min可調。

(5)駐車精度:±10 mm。

(6)工位轉移方式:TBM臺車拖拽。

(7)設計壽命:≥10萬次。

(8)重心偏載能力:偏心1 000 mm內系統具可靠性。

(9)使用頻率:滿足15 m3渣土車每天往返通過45次。

(10)施工環境:有單獨的密封系統，可適應現場水、渣土飛濺環境。

(11)可滿足隧道轉彎半徑90 m的要求，前后引橋坡度小于10‰。

3.2 調車平轉橋結構

調車平轉橋整機設計長度約71.8 m，總重量約120 t。為便于組裝及運輸，結構采用模塊化設置，設計時合理安排各部件的尺寸及重量。主要組成結構有前引橋、C型梁平臺、接渣平臺、姿態調整平臺、中心回轉調頭平臺、后引橋及走行輪系等部件。主體結構件采用Q355B材質，連接銷軸采用40Cr材質，走行輪采用鑄鋼件，以滿足強度、剛度和疲勞性要求，其結構如圖2所示。

圖2 TBM尾部調車平轉橋結構(單位:mm)

前后引橋為了實現車輛上下接渣及調頭平臺而設置，其坡度可通過引橋兩側的斜拉絲杠來調整，保證坡度始終小于10‰，以滿足重載車輛爬坡需求。C型梁平臺兩側通過銷軸與TBM最后一節作業臺車相連接，為調車平轉橋提供前進動力，保證調車平轉橋始終跟隨TBM連續行走。

中心回轉調頭平臺是設備的核心部件，可實現重載50t出渣車輛0°～180°的自動回轉調頭，同時滿足雙向行駛的輪胎式工程車通過需求，車輛調頭狀態如圖3a所示。該平臺包含回轉系統、驅動系統、回轉潤滑系統、限位保護系統以及警示報警系統等。其中回轉系統采用直徑2m大承載系列軸承，驅動部分采用6級11 kW電機減速機。為滿足0～2 r/min的可調回轉速度，驅動系統采用變頻調速控制，同時配備電磁制動器，以保證回轉啟動和停止時的平穩性。

接渣平臺可同時滿足兩輛車輛通過及停放，以實現出渣車輛運輸和停放接渣兩個工序同時進行，避免了隧道有限空間內物流工序干涉。車輛接渣狀態如圖3b所示。

圖3 車輛調頭狀態及車輛接渣狀態

調車平轉橋整機共設置64組雙輪緣走行輪，輪組的設置需同時滿足輪壓承載、行走時不脫軌及整機轉彎半徑90 m需要。走行輪采用間歇無壓潤滑，每個輪組均配備有壓注油杯和潤滑通道。根據結構需要，輪組布置方式為:C型梁平臺長度尺寸小，采用2輪布置；前引橋只通過小載荷的雙向行駛工程車，采用4輪布置；整機其余通行重載出渣車單元均布置8組行走輪。為滿足90 m轉彎半徑需求，輪組踏面寬度設計為220 mm，在通過最小曲線半徑時輪緣距軌道間距為12 mm，以保證整機在通過最小曲線時所有輪組均不啃軌，其通過性模擬如圖4所示。

圖4 調車平轉橋曲線通過性模擬狀態

4 關鍵結構分析

對于TBM尾部調車平轉橋而言，關鍵結構件主要為接渣平臺、中心回轉調頭平臺以及輪組。接渣平臺的最大靜載荷為100 t，其結構強度和剛度需滿足承載要求；中心回轉調頭平臺需滿足車輛重心偏載1 000 mm時的調頭可靠性，即偏載時其強度、剛度及抗傾覆性需同時滿足出渣車在回轉平臺上頻繁啟停帶來的沖擊疲勞要求；走行輪組需滿足所承重輪壓要求。

4.1 接渣平臺分析

4.1.1 結構受力分析

當兩輛滿載渣土車并排停在接渣平臺上時，接渣平臺所受載荷最大為100 t。接渣平臺所受載荷分布如圖5所示。對接渣平臺結構建立三維模型，并添加固定約束和所受載荷進行有限元分析。分析結果如表1所示，最大應變為0.85 mm，最大應力為109.7 MPa，接渣平臺所用材料為Q345B，屈服強度為345 MPa，滿足結構強度和剛度要求。

圖5 接渣平臺載荷分布

4.1.2 走行輪組輪壓計算

(1)滿載100 t時輪壓計算

當兩輛渣土車分別停于接渣平臺，接渣平臺走行輪組車輪數n＝8，滿載渣土車重量為G，接渣平臺重為G1，則輪壓為:

可見，兩輛滿載渣土車同時停在接渣平臺時，其輪壓處于許用輪壓范圍內，滿足實際工況需求。

(2)偏載50 t時偏載輪壓計算

當一輛渣土車偏載停在接渣平臺上，偏載距離L1＝1 458.5 mm，此時走行輪組最大輪壓與最小輪壓分別為:

可見，一輛滿載渣土車偏載停在接渣平臺上時，走行輪組最大輪壓和最小輪壓均在許用輪壓范圍內，滿足實際工況需求。

4.2 中心回轉調頭平臺受力分析

4.2.1 平臺結構受力分析

滿載車輛偏心1 000 mm停在回轉調頭平臺上時為最不利工況，需對此工況下的平臺結構進行強度和變形量分析，其強度需滿足材料屈服強度要求。為避免平臺受力變形后與底座結構相互干涉，要求其變形量不能大于18 mm。其所受載荷分布如圖6所示，分析結果如表1所示，最大應力為180 MPa，材料屈服強度為345 MPa，滿足結構強度要求；最大應變為2 mm，在回轉平臺的最外端，滿足設計變形量不大于18 mm的要求。

圖6 回轉調頭平臺偏載時載荷分布

表1 接渣平臺及回轉平臺應力及應變結果

4.2.2 回轉支承抗傾覆性分析

設計工況要求滿載車輛偏心1 000 mm內調頭可靠，所以需分析滿載車輛在中心回轉調頭平臺回轉至90°的位置，且車輛重心與平臺中心偏心L＝1 000 mm時的抗傾覆性，此時為最不利工況。在該工況下，初選回轉支承型號為014.60.2000，需計算回轉支承承載角為45°時的當量中心軸向力和當量傾覆力矩，計算結果再與回轉支承承載能力曲線圖進行對比，然后判斷其抗傾覆性是否滿足要求。

回轉支承所受軸向力為滿載車輛的重力G，即軸向承載力為:

回轉支承的徑向承載力為:

回轉支承所受傾覆力矩為:

當回轉支承承載角α＝45°時，當量中心軸向力為:

回轉支承當量傾覆力矩為:

式中:n1為回轉安全系數，n1＝3；fs為回轉支承靜態工況下的安全系數，fs＝1.25。

圖7為回轉支承承載能力曲線圖，承載角45°時的靜態當量中心軸向力和當量傾覆力矩(圖7中a點)在靜態承載能力曲線之下。對比靜態承載能力曲線結果可知:承載角45°所對應的當量中心軸向力和當量傾覆力矩均在靜態工況曲線下，即:回轉支承承載能力滿足重心偏載1 000 mm時的抗傾覆性要求。

圖7 回轉支承承載能力曲線

4.2.3 回轉支承壽命校核

設計要求回轉支承的壽命需大于10萬次，所以需對其使用壽命進行校核。

滿載車輛以最快速度5 km/h駛入回轉調頭平臺，再減速停在回轉調頭平臺上進行調頭，此工況下，滿載車輛的行程為7.7 m，回轉調頭平臺受到的荷載為滿載車輛重力G及減速沖擊動載荷Fr。

加速度為:

此時回轉支承受到的徑向力為:

回轉支承受到的軸向力為:

偏心L＝1 000 mm時，回轉支承受到的傾覆力矩為:

當回轉支承承載角α＝45°時，回轉支承當量中心軸向力為:

回轉支承當量傾覆力矩為:

式中:fd為回轉支承動態工況下的安全系數，取fd＝1.5；n2為動態安全系數，取n2＝3。

比對結果顯示:45°承載角所對應的當量中心軸向力和當量傾覆力矩(圖7中b點)在動態承載能力曲線之下，即:回轉支承滿足動態工況下重心偏載1 000 mm時的抗傾覆性要求。

相比于傳統的滾動軸承，回轉支承壽命計算是依據回轉支承在帶載回轉運行360°為整圈作為循環的基本單位，連續運行30 000個工作循環試驗工況下，所統計樣品所能承受的最大負載而得出，即回轉支承壽命為:

式中:ε為壽命指數，回轉支承型號為014.60.2000，取球軸承ε＝3；Ma為圖7中原點至經b點相交于動態承載能力曲線所對應的傾覆力矩值，取Ma＝310×104N˙m。結果表明，最不利動態工況條件下，回轉支承壽命遠大于設計要求壽命，滿足設計需求。

5 應用效果

小曲線TBM隧道尾部調車平轉橋成功應用于河北撫寧抽水蓄能電站項目交通洞和通風洞的施工，解決了小曲線TBM隧道內出渣和物流運輸問題。該設備可快速實現洞內車輛調頭，避免了不同工序物流組織的相互干涉。由于可以在接渣平臺上實現兩輛出渣車的連續接渣，相比于傳統的有軌車輛運輸方式，至少提高一倍的出渣運輸效率。調車平轉橋現場應用效果如圖8所示。

圖8 調車平轉橋現場應用

6 結論

為解決小曲線TBM隧道施工出渣車輛在洞內有限空間快速調頭的難題，研制了與施工物流相匹配的TBM尾部調車平轉橋設備，能夠同時滿足出渣車輛的自動快速調頭和運輸工程車的平穩通行。該設備連接在TBM尾部，可以與TBM同步連續前進，相比于采用連續皮帶機出渣方式節省了大量的皮帶機費用及轉接皮帶機工作量，同時極大地增加了洞內運輸能力，提高了運輸及施工效率，對后續類似小曲線TBM施工出渣系統選擇提供有效參考。