倪鴻斌，楊雪芳，錢文啟，鄧高鈺

（中交天和機械設備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

管片搬運系統(tǒng)是整個盾構機運行系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，負責把平板車上的管片搬運到拼裝機的抓取范圍內，再由拼裝機進行管片拼裝作業(yè)。管片搬運系統(tǒng)主要由管片搬運小車、小車軌道梁和平衡梁組成。這種形式的管片搬運小車是目前城市地鐵隧道盾構機上應用最廣泛的一種，其優(yōu)點很明顯［1-2］：安裝簡單、使用便利、雙速起降。缺點是起重葫蘆外形尺寸一般較大，影響小車通過性（特別是配置了真圓器）；還有就是起重葫蘆容易損壞，較常見的是限位損壞、導鏈座磨損嚴重、電氣短路故障等。起重葫蘆采用環(huán)鏈葫蘆的形式，防護等級一般是IP55。而隧道施工環(huán)境惡劣，高溫濕度大，泥水砂土很容易覆蓋到管片小車并進入起重葫蘆內。另外，作業(yè)人員常有操作不規(guī)范，起吊傾角過大的行為，快起快降，而且管片搬運小車的起吊作業(yè)亦是非常繁忙，所以管片搬運小車的起重葫蘆經(jīng)常發(fā)生故障，需要頻繁的保養(yǎng)和檢修，對施工進度產(chǎn)生不利影響。本文針對上述管片搬運小車的形式，提出了另一種管片搬運小車的設計，即利用液壓油缸和鋼絲繩的組合來替換掉環(huán)鏈起重葫蘆。這種新形式的管片搬運小車可以明顯降低小車的故障率并減少維保檢修的工作量。

1 油缸驅動式管片搬運小車系統(tǒng)的原理

如圖1所示，該搬運系統(tǒng)主要由起升油缸、鋼絲繩滑輪繞組、行走小車和平衡梁組成。行走小車利用滾輪和驅動電機行走在工字型軌道梁上，液壓油缸的伸縮動作帶動活塞桿頭部的定滑輪移動，使得鋼絲繩伸長或收緊，進而實現(xiàn)平衡梁的起降，帶動掛載在平衡梁之下的管片起降。通過一些列的動作，使管片從臺車部位移動到盾尾，實現(xiàn)管片搬運的功能。

圖1 液壓油缸和鋼絲繩組合式管片搬運系統(tǒng)基本結構

管片運輸系統(tǒng)伸縮油缸通過支架固定在連接橋鋼架上，其活塞桿端部安裝有定滑輪組。定滑輪組上纏繞的鋼絲繩基本水平，油缸所受載荷方向也基本水平，因此負載不會對活塞桿形成豎向力，這對長行程的活塞桿是比較有利的受力方向。為保險起見，在定滑輪下部安裝導軌和導輪，可以抵消活塞桿承受的彎矩，有效保證油缸的使用壽命。鋼絲繩繞過幾組滑輪和平衡梁后穿過小車。小車架分成驅動車架和起重車架兩段，兩段車間鉸接連接，當盾構機姿態(tài)調整時小車會自動轉向調節(jié)。驅動車架安裝了驅動電機和同步齒輪及鏈輪傳動機構，鏈條固定在工字型軌道梁底部。這種鏈傳動結構技術非常成熟，6m級盾構機一般都是采用這種傳動形式。起重車架最常見的是下掛起重葫蘆，此處則用鋼絲繩和滑輪組替代。

與掛載環(huán)鏈起重葫蘆比較，油缸加鋼絲繩組合式的起重方式，其設計和安裝相對復雜，但是優(yōu)點也很明顯。純機械結構的耐用性要好于電氣結構的耐用性，且制造成本更低，生產(chǎn)周期也更短。這種搬運小車的設計載荷安全系數(shù)也要遠高于采用環(huán)鏈起重葫蘆的小車，所以它的起吊過程非常平穩(wěn)，不會發(fā)生帶不動或者兩邊不同步的情況。在使用過這種管片搬運小車的實際項目中，鮮有故障反饋。

2 液壓驅動式起重系統(tǒng)的設計

2.1 鋼絲繩的選型

本文以杭州至海寧城際鐵路工程中所使用的6980mm土壓平衡盾構機為例。管片加平衡梁的總重約6.2t，平衡梁上掛載的鋼絲繩股數(shù)是8根，那么單根鋼絲繩承受拉力約775kg?？紤]到管片起降時的動載，單根鋼絲繩負額定載取1t即可滿足實際需要。

鋼絲繩直徑［3］

式中 d——直徑（mm）；

S—— 鋼絲繩最大工作靜壓力（N），本例中根據(jù)現(xiàn)場工況按10000N考慮。

其中C是選擇系數(shù)（mm/N1/2）

式中 n—— 安全系數(shù)，根據(jù)盾構機作業(yè)環(huán)境，取M6的工作級別，安全系數(shù)為6；

K——鋼絲繩捻制折減系數(shù)，取0.82；

ω——鋼絲繩充滿系數(shù)，取0.46；

σt——鋼絲繩公稱抗拉強度，取1700MPa。

將參數(shù)帶入公式（1）與（2）計算可得C=0.109，d=10.9mm，即鋼絲繩直徑取11mm即可滿足設計要求?？紤]到鋼絲繩小半徑轉向折彎較多和減小鋼絲繩從滑輪槽內脫落的可能性，應采用柔度性較大的多股鋼絲繩的結構形式。根據(jù)GB 8918-2006《重要用途鋼絲繩》選型標準，選用較常規(guī)的6x37S+FC形式的鋼絲繩，最小直徑是12mm，公稱抗拉強度取1570MPa，對應最小破斷拉力達74.6kN，按10kN設計載荷計算，鋼絲繩安全系數(shù)高達7.4倍。

2.2 滑輪與軸承的選型

滑輪直徑計算公式［4］D≥hd，h根據(jù)工作級別M6取22.4，d是鋼絲繩直徑取12mm，計算得到D≥268.8，可取D=270mm。

根據(jù)JBT 9005.3《起重機用鑄造滑輪形式、輪轂和軸承尺寸》標準，結合盾構機工作環(huán)境，選擇B型帶滾動軸承嚴密密封的滑輪。材質預選鑄鋼ZG270-500，屈服強度270MPa。

軸承選用6212-Z防塵軸承，其額定靜載荷Cor為32.8kN，2個軸承共可承受65.6kN額定靜載荷。

滑輪上鋼絲繩合拉力可根據(jù)下式計算

其中 F——鋼絲繩拉力，按10kN??；

γ—— 繩索在滑輪上包角的圓心角度，取180°。

將參數(shù)帶入公式（3），計算得到Fp=20kN，小于軸承65.6kN額定靜載荷，軸承強度滿足設計要求。單、雙滑輪外形設計如圖2所示。

根據(jù)滑輪設計圖，校核滑輪強度。

滑輪最大彎曲應力公式如下

其中 L—— 兩輪輻間輪緣弧長（mm），等于0.5×270π，計算得424；

W—— 輪緣抗彎截面模數(shù)（mm3），根據(jù)輪緣截面尺寸計算得193206。

將參數(shù)帶入式（4），得到σmax=2.7MPa，遠小于預選鑄鋼材質的屈服強度?；啿馁|可用Q235B低碳鋼替代鑄鋼。

圖2 單、雙滑輪組外形設計圖

2.3 油缸的選型

油缸選擇單級的直推型，支座形式是單耳固定，中部加支撐。油缸頭部定滑輪是個雙滑輪組共4根鋼絲繩，所以油缸的額定負載可取40kN拉力，推力不用考慮。

根據(jù)管片提升高度需求，油缸的行程取2500mm。最終選取油缸規(guī)格125/70/2500-21MPa，最大工作拉力是176.9kN，安全系數(shù)4.4倍，油缸拉力滿足使用要求。

3 結論

在一般盾構法隧道施工中，管片搬運小車基本采用電動環(huán)鏈起重葫蘆來提升管片。電動環(huán)鏈葫蘆是一套模塊化機電設備，安裝和使用簡單，使用范圍廣泛。不過由于施工環(huán)境的惡劣和施工強度大，一旦起重葫蘆疏于保養(yǎng)和檢修，就非常容易發(fā)生故障，所以本文提出了一種液壓油缸和鋼絲繩組合式管片搬運小車的設計方案。這種利用液壓油缸和鋼絲繩來提升管片的運作系統(tǒng)，優(yōu)點非常明顯，就是耐用、起吊能力大、免維護，供油管路加裝節(jié)流閥還能調節(jié)管片起升速度。其不足之處就是不夠集約，設計難度相對較大，安裝較麻煩，盾構機制造廠家就不太愿意采用，所以也影響了這種形式應用的普及性。但是毋庸置疑，該系統(tǒng)是完全可以替代常規(guī)管片搬運小車的。目前從采用過該管片搬運系統(tǒng)的施工現(xiàn)場反饋的使用情況來看，它的運行穩(wěn)定可靠。這種搬運系統(tǒng)給盾構機管片搬運作業(yè)提供了另一種可靠的技術方案，使得盾構機在不同地質條件和施工工藝下有更多的可用于管片搬運的方案選擇，同時也可以應用到其它相似的起重搬運作業(yè)上去。