引言
随着我国珠三角、长三角、环渤海、长株谭、成绵乐等城际铁路的不断规划建设，直径在8m~10m的城际铁路盾构隧道累计建设历程已达到50km以上，处于世界领先水平；但是由于中国盾构机产业起步较晚，城际铁路隧道施工用的大直径盾构机主要都由海瑞克、罗宾斯、NFM、三菱、奥村、日立小松等欧系、日系企业生产或与国内企业联合制造。本文结合国内自主研制的ZTE8800铁路大直径土压平衡盾构机总体要求，设计了一种由重载大坡度管片吊机、管片卸载器组成的管片吊运系统，可直接适用12°斜坡齿条轨道将管片直接从卸载位置吊运至管片拼装位置。样机研制完成后进行了工业性试验，并在广珠城际铁路珠海横琴隧道工程中进行了成功应用。
1管片吊运系统概述
管片吊运系统主要由管片吊机、喂片机等组成，其主要功能是：在盾构机掘进期间，进行管片卸载、转运、回转下放及喂送作业，再由管片拼装机逐块拼接成整环隧道衬砌结构。管片吊运系统工作效率直接影响着盾构机掘进效率。目前海瑞克等欧系盾构机的管片吊运方式为：管片吊机从管片运输车上抓取管片沿直线轨道将管片吊运下放至喂片机上，再由喂片机输送到管片拼装机的管片抓取区域进行拼装，如图1所示。其存在的主要缺点是：管片需要喂片机的二次转运，而且当盾构机在富水地层施工时，位于隧道底部的喂片机容易被主机处的积水淹没发生故障导致管片无法转运，盾构机只能停工维修。
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图1欧系盾构机管片吊运系统
小松等日系盾构机的管片吊运方式为：采用两台管片吊机分别在双层高低梁轨道上连续交替吊运管片，将管片转运至管片拼装机下方在进行拼装如图2所示。其存在的主要缺点是：两台管片吊机功能配置简单，自动化程度低，故障率高，并需要两人交替作业，工序繁琐，故障率高。
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图2日系盾构机管片吊运系统
2吊运系统设计
2.1吊运系统结构优化设计
针对上述盾构机吊运系统的缺点，现设计一种新型的管片吊运系统如图2所示。新型管片吊运系统由单梁吊机、管片过渡平台、双弯梁吊机、环式拼装机等组成。具体吊运流程：单梁吊机将编组列车上的管片转运到管片过渡平台，然后通过双弯梁吊机直接将管片运输到拼装区域，环式拼装机抓取管片进行拼装。由图3可见，新型管片吊运系统取消管片输送小车，采用单梁吊机转双梁吊机的吊运形式，拼装机改为环式拼装机。其中的管片过渡平台又起到防止编组列车溜车的作用。其中的双弯梁吊机的吊机梁采用斜坡式，吊机由斜坡梁转运到盾尾平台的水平段吊机梁，进而满足了管片拼装机的抓取行程，并且双弯梁的左右梁相互独立，分别采用销轴铰接以及油缸铰接，满足掘进转弯要求。当编组列车行走到管片过渡平台边界处时，图示的前3片管片可由双弯梁吊机直接吊运，提高了运输效率。环式拼装机相对于常规的主梁式拼装机，结构相对简单，价格便宜。
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图3新型管片吊运系统
2.2管片吊机
管片吊机主要由工字形齿条行走轨道、主起升机构、行走驱动机构、辅助吊机、起升行走小车、驱动行走小车、辅助吊机、铰接连杆等组成，其结构原理为：起升行走小车、驱动行走小车对称安装在工字形行走轨道内，主起升机构通过销轴与吊运行走小车铰接，行走驱动机构通过销轴与驱动行走小车铰接，辅助吊机通过销轴与吊运行走小车铰接；主起升与行走驱动机构、工字形齿条行走轨道由直线轨道、9度倾斜轨道、弧形轨道连接而成，依次将盾构机的管片拼装抓取区域、连接桥、后配套管片卸载区域串通，为管片吊机主机行走提供运行通道和承受管片吊运载荷；主起升机构由起升行走架、起吊架、4台环链电动葫芦、回转吊具、真空吸盘、液压平衡机构组成，负责管片的起升、下放、回转与管片水平状态调节。行走驱动机构由行走驱动架、大功率变频减速电机、行走齿轮传动部件等组成，利用变频减速电机驱动行走辅助吊机相互之间通过铰接连杆铰接。齿轮在工字形齿条行走轨道上前后行走从而推拉主起升机构、辅助吊机完成管片、辅助物料吊运功能。
2.3真空吸盘
ZTE8800土压平衡盾构机管片吊运系统中的真空吸盘主要由真空系统、吸盘体、法兰盘、位置检测系统等组成，其各种动作与状态参数都通过管片吊机电气控制系统进行操作与控制。
2.4现场应用试验
ZTE8800土压平衡盾构机的施工区间为广珠城际铁路新建铁路珠海市区至珠海机场线横琴隧道1号井至港仔北区间，盾构隧道全长1.237km；分别设置半径R=400m、800m、500m转弯段，区间盾构段纵断面为下坡，最大坡度为15.7‰，转弯半径R=413m；隧道开挖断面主要为粗砂层、粉质粘土层，局部含孤石；隧道中后段开挖面多为弱风化花岗岩，线路左侧临海，建筑多为工业厂房。盾构机2016年3月正式始发掘进，截止2016年9月5日，累计掘进里程1306m，最高日进尺达18m.与其它同类型盾构机设备应用结果相比，该管片吊运系统的一环管片卸载吊运速度为其2倍以上，但操作人员只有其一半，这就对城际铁路盾构隧道的施工效率提高和施工成本降低具有显著意义。
结语
该新型吊机系统已经在工程中得到应用，在实际运行中得到较好的评价。相对于常规盾构的缺点，该吊机系统主要的优点如下：（1）取消掉管片运输小车，增加管片拼装区域空间；（2）方便螺机出渣口下方渣土的清理工作，提高了人员工作效率；（3）提高了管片运输效率以及拼装效率，加快了工程施工进度；（4）整体的成本减少，安全性提高。
参考文献
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[4]唐卫平，赵林，郑勇.大直径泥水平衡盾构机12‰下坡隧道双机同井洞内始发控制技术[J].铁路标准设计，2013，（9）：75-81.
论文作者:刘帅
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷22期
论文发表时间:2020/3/10
标签：管片论文; 盾构论文; 吊机论文; 系统论文; 装机论文; 隧道论文; 小车论文; 《建筑实践》2019年38卷22期论文;