盾构机管片拼装系统机械结构分析

盾构机管片拼装系统机械结构分析

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来源：《中国科技博览》2013年第33期

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[摘 要]以海瑞克6.28m中型盾构机为例，介绍在盾构隧道施工中，具有六自由度的管片拼装机。分析了该拼装机的工作原理及使用过程、机械结构组成。 [关键词]盾构；管片拼装机；机械结构

中图分类号：U455.39 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）33-0090-02 盾构施工过程中，施工人员将事先准备好的管片安置在刀盘后面的管片拼装机中，若干块管片为一组，可以拼出一个圆管形，跟着盾构机放到已经开挖的隧道中，支撑着隧道四周的泥

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土和水，避免土层塌方，使地铁隧道基本成型。管片拼装机的功能就是将管片准确地放到恰当的位置，并能安全快速地把管片组装成所定形式。本文以海瑞克6.8m中型隧道断面管片拼装系统为例，介绍其中心环式的机械结构。 一、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，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。

二、盾构管片拼装机工作原理

管片拼装机的构成参见图1所示。整个机构安装在行走梁上，行走梁通过螺栓与盾尾内的H形支柱相联接。管片的轴向平移由平移油缸推动移动架沿行走梁水平移动来操作；管片的升降通过举升液压油缸伸缩实现；回转马达安装在移动架内。通过小齿轮驱动与回转架相联接的大齿圈转动，从而带动与转动架相联接的起升装置、举重钳，将管片旋转到位。

进行管片安装时，先粗定位，即用举重钳抓住管片，举升油缸将其提升，平移机构将提起的管片移到拼装的横断面位置，回转机构再将该管片旋转到相应的径向位置；然后再用偏转油缸、仰俯油缸和举升油缸的不同步伸缩进行微调定位。最后完成安装。 管片拼装作业由以下内容构成：

1、管片吊车将管片运至管片输送器，管片吊将管片旋转90°，输送器的升降架顶起管片。然后管片输送器沿着导架向前方移动，直到管片拼装机可夹持到管片的位置；

2、管片到位后，管片拼装机的管片夹持部件通过抓举油缸将装有吊装螺栓的管片夹起； 3、管片定位管片定位大体分为粗定位和微调定位两个阶段。粗定位是粗略移动到预先确定的位置上； 微调定位是指使待装管片的螺栓孔与已装管片的螺栓孔对合；

4、螺栓联接管片的螺栓孔沿环间和块间全部对齐后，再把螺栓按一定的力矩进行联接，即完成一块管片的拼装。

5、然后，反复进行这一系列的作业，直到拼装完1环（图1）。

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管片拼装机安装在尾盾，由平移机构、回转机构、举升机构、举重钳、管路支架等组成。能实现锁紧、平移、回转、升降、仰俯、横摇和偏转7 种动作，除锁紧动作外的其余6 种动作与管片的6 个自由度相对应，并在盾构空间实现6个自由度的无干涉运动，如（图2）所示。x为盾构前进方向，y 为管片切线方向，z为管片径向。x、y、z分别为三个移动动作方向的平移、回转和升降；θx、θy、θz分别为3个转动动作方向的横摇、仰俯和偏转。各种动作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。 三、盾构管片拼装机的机械结构

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。

环式管片拼装机主要由行走梁、管片夹持部件、提升部件、平移机构、回转机构、螺栓联接装置、保圆器等组成 1、行走梁

行走梁作为管片安装机构的导轨左右各1 根，对称布置。它既承重又作为导轨，因此在设计上采用了一侧封闭、一侧开口的箱式结构，开口侧的底板上加工有导槽，以利于滚轮滚动。考虑到行走梁悬臂外伸并承担较大的负荷，在固定端附近会产生较大的弯矩。所以在结构设计上采用变截面设计，使梁在固定端处的抗弯能力得到加强。为了保持行走梁的横向刚度和稳定性，使两侧梁之间保持一定跨距并用一个轭梁连接。每根梁由两段组成，前段为主梁，后段为引梁。

2、管片夹持部件

管片夹持部件由提升横梁、中心球关节轴承、抓举油缸、抓紧装置、吊装螺栓、偏转油缸、仰俯油缸等组成。吊装螺栓预装在管片上，通过平移机构、回转机构和举升机构将管片装机上的抓头与吊装螺栓对位，再通过抓举油缸把管片紧紧地扣在抓头上；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、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回转盘体两侧，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

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4、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回转盘体、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2m。

移动盘体是由联接基板、内外环板和盖板焊接成的箱形截面环状结构。在环中间沿两侧布置有滚轮架，每侧安装有两个滚轮。移动架布置在行走梁之上，以便其轴向移动。轴向移动是通过布置在两侧的平移油缸伸缩和滚轮沿导槽滚动完成。移动架通过其凸缘与内齿球轴承的外圈边缘相联接。作为回转机构的固定架，承受并传递回转机构的重量及其负荷。在移动架上安装有驱动回转机构的马达，回转驱动装置通过一个带有液压制动器的齿轮马达控制。 5、回转机构

回转机构如下图4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，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回转盘体，从而驱动回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）。 6、保圆器

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。为此，盾构机配置了保圆器，其作用就是使管片环在盾构推进后保持真圆度。该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。 四、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

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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。 参考文献

[1] 梅勇兵，程永亮，王宇飞. 盾构隧道管片拼装技术的应用与发展[J].建筑机械，2010（2）.

[2] 管会生，黄松和，徐济平 盾构管片拼装机设计研究[J].矿山机械，2005（3）.