盾构管片拼装机原理及结构分析-陈国伟

盾构管片拼装机原理及结构分析

1.盾构管片拼装机简介

管片拼装机，又称举重臂，是一种设置在盾尾部位、可以迅速把管片拼装成确定形式的起重机械。开挖后的隧道需要用洞外预制好的钢筋混凝土管片进行永久性支护，管片拼装机的作用就是将管片快速准确地安装到刚开挖的隧道表面，以支护隧道表面、防止地下水土的渗透和地表沉降，管片承担着盾构前进的推进反力。盾构管片拼装机是一种典型的复杂机电液产品，是盾构成套装备系统的关键子系统之一（见图1），管片拼装机的功能直接影响到管片拼装质量和隧道施工的效率。

图1 盾构机上的管片拼装机

2.盾构管片拼装机工作原理：

管片拼装机将自动输片装置输送来的管片夹持锁紧，升降油缸提升管片，平移机构将提起的管片移到拼装的横断面位置，回转机构将该管片旋转到管片安装的径向位置，完成管片在隧道中的初步定位；再用偏转油缸、仰俯油缸和举升油缸的不同步伸缩微调定位，使待装管片的螺栓孔与前一环、前一片管片的螺栓孔同时对齐，当一环管片（一环管片衬砌通常由6～11块管片按一定顺序拼砌而成）安装完成后，用螺栓将环向及轴向相邻的管片按一定的力矩进行联接，完成管片的拼装（其示意图如图2）。

图2 管片拼装过程示意图

整个过程完全自动化，管片拼装机在空间内能完成6个自由度的无干涉运动：纵向直线运动(沿隧道轴线)、径向直线运动(隧道断面方向)、圆周方向回转运动(绕隧道轴线)及绕坐标系的三个姿态微调整转动（其示意图如图3），6个自由度分别由电液比例多路阀通过液压马达和液压缸来实现。管片拼装机在实际施工中，一般按以下顺序拼装管片：供给管片→夹持锁紧管片→提升管片→初定位管片→微调管片→螺栓连接。

图3 管片拼装机六自由度示意图

3.盾构管片拼装机的结构

管片拼装机通常的型式有盘式和中心环式。盘式拼装机一般以挡拖轮定位，中心环式一般以回转支承定位，由于中心环式具有定位精度高、结构相对简单等特点，主要用于中大型隧道断面管片安装，是目前主要的结构型式[2]。

环式管片拼装机主要由管片夹持部件、提升部件、平移机构、回转机构、螺栓联接装置、真圆保持装置等组成，其中主要部件如图4所示。

1．行走梁2．旋转盘体3．移动盘体4．液压马达5．提升横梁6．中心球关节轴承7．转动平台8. 偏转油缸9. 俯仰油缸10. 升降油缸

图4 管片拼装机结构图

3.1管片夹持部件

管片夹持部件由提升横梁、中心球关节轴承、扣头油缸、扣头持重座、扣头螺栓、扣头、偏转油缸、仰俯油缸等组成。扣头螺栓预装在管片上，通过平移机构、回转机构和举升机构将管片装机上的扣头与扣头螺栓对位，再通过扣头油缸把管片紧紧地扣在扣头持重座上[3]；管片初定位后，仰俯油缸用来调整管片绕Y轴的仰俯角度，偏转油缸用来调整管片绕Z轴的偏转角度，摆动角度＜±3°。管片夹持部件也有采用真空吸盘的方式将管片吸住，真空吸盘装置具有管片夹持简便、拼装平稳及碎裂现象少等优点，多应用在超大型盾构制作中。

3.2提升机构

提升机构主要由两根升降油缸组成，升降液压缸套筒固定在旋转盘体两侧，通过两根活塞杆的同步伸缩运动带动液压缸下方管片夹持部件的径向提升运动；管片初定位后，可通过改变两升降油缸的行程差（即差动）使管片绕X轴横摇，摆动角度＜±3°。管片拼装机径向运动时运动范围较大，行程达1000 mm以上，径向定位精度要求高，运动惯量大。

3.3平移机构

平移机构布置在行走梁之上，可以沿着行走梁的导轨槽移动，平移机构由移动盘体、平移油缸、三个支座（前中后各一个）等组成。通过平移油缸的伸缩使移动盘体及安装在其上的旋转盘体、管片夹持部件等沿行走梁的导轨槽作往复直线运动，从而使管片完成沿隧道轴向运动，轴向运动最大行程达2000 mm。

移动盘体作为旋转盘体的固定架，承受并传递旋转盘体的重量及管片负荷，在移动盘体上安装有驱动旋转盘体的马达。行走梁用螺栓安装在盾尾，行走梁共两段，左右对称分布，其上分别布置导轨各一根；行走梁是形状狭长的导轨和承重载体，且属悬臂梁结构，故常采用变截面形状的箱梁结构改善受力。

3.4 回转机构

回转机构如下图5所示，它由液压马达，减速器、小齿轮、回转支承等零部件组成。整个回转机构的动力传递过程是：液压马达→减速器→传动轴→传动小齿轮→回转盘体[4]，液压马达与减速器一体，回转盘体通过回转轴承安装在移动盘体上，小齿轮与回转轴承内齿圈啮合形成一级直齿圆柱齿轮传动，液压马达的输出扭矩和转速通过减速器传给小齿轮，再经小齿轮与回转轴承内齿圈的圆柱齿轮传动传给旋转盘体，从而驱动旋转盘体连同安装在其上的提升机构、管片夹持部件及管片作旋转运动，圆周回转角度±200°，在管片拼装机实际使用过程中，其中一个马达上安装有光电码盘传感器，用于周向定位，以便将管片精确安装到预定位置。

图4 管片拼装机回转机构图

3.5真圆保持装置

盾构向前推进时管片就从盾尾部脱出，管片受到自重和土压的作用会产生变形，当该变形量很大时，已成环管片与拼装环在拼装时就会产生高低不平，给安装纵向螺栓带来困难，真圆保持装置的作用就是使管片环在盾构推进后保持真圆度。真圆保持装置支柱上装有上下

伸缩的千斤顶，千斤顶的上下两端装有圆弧形的支架，该支架可沿着动力车架的伸缩梁上轴向滑动；当一管环拼装结束后，就把真圆保持器移到该管环内，让千斤顶使支架撑紧管片环内圆表面，盾构推进后管片环保持真圆状态。

3.6螺栓联接装置

螺栓联接装置是将由管片拼装机定了位后的管片用螺栓联接在一起的装置。这种联接装置在径向块与块之间螺栓联接(3根同时进行)用一台装置，而在轴向的环与环之间的螺栓联接则用两台装置。如下图6所示。

图6 螺栓联接装置结构图

4．盾构管片拼装机技术发展趋势

目前，我国盾构施工中实现了管片移动的机械化，但是管片的对中、就位、拼装、螺栓联接等仍是靠人工作业进行管片拼装，存在劳动强度大、管片拼装效率和拼装质量较低的问题；而国外新型的管片拼装机已利用了激光技术、光学图像处理技术、伺服控制技术、传感检测技术及故障诊断技术等，使管片的安装定位更加准确、可靠、快速，管片拼装机必将向此全自动化的智能机器人方向发展。