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6m 级盾构机分体过站用小车设计及运用

摘 要:本文综述了运用于上海西站 6 m 级盾构机分体过站的状况,盾构运输通道宽度仅 5.4 m、高度仅 6 m,盾构机无法正常运输进入始发井,运输及其困难。通过设计的小车,实现了 6 m 级盾构机在宽度窄、长距离通道中运输至始发井,并顺利完成盾构机组装。
一、 盾构设备及过站概况
  上海西站地铁用隧道工程使用盾构机进行施工,需要吊装及运输盾构机至始发工作区域,该隧道区间用盾构机是中交天和机械设备制造有限公司生产的 Φ6760 m 土压平衡盾构机。该盾构机主要由刀盘、前盾、主驱动、中盾、尾盾、螺旋输送机、拼装机、整圆器、后方作业平台、皮带机、六节后配套台车等部件组成,总重约600 t,最重部件约 71t,设备总长约 82 米。
  盾构机始发作业井上方已建设完毕,盾构机需从上海西站东端头井直接下井,然后过站至上海西站西端头井安装。从上海西站东端头至西端头为一条运输通道,通道长 300m、宽 5.4 m、高 6 m。如上表 1.1 盾构机主要部件参数表所示,Φ6760 m 级盾构机刀盘、驱动、盾体、铰接环等各部件外形尺寸大于运输通道宽度和高度,无法实现盾构机正常运输进入始发井,运输困难。在同类 6 m 级盾构机进行始发井安装前涉及到分体始发、分体过站等难点工作,为国内首例情况。
  为实现盾构机各部件顺利运输至始发作业井,需要设计制作相应的运输固定装置,能在长 300 m、宽 5.4 m、高 6 m 的过站通道内安全有效的顺利通过。
二、 过站用小车的设计
  为实现上海西站用盾构机顺利过站至始发工作井,小车的设计需要考虑以下因素:
  (1) 过站用小车需实现盾构机各部件在宽 5.4 m、高 6 m 通道内不与墙体干涉;
  (2) 小车需与盾构机运输部件有效连接固定;
  (3) 小车运输盾构机部件需在长 300 m 通道内长距离行驶;
  (4) 小车需考虑结构强度,装载部件时整体能稳定受力于钢轨上,通过车轮运动,运输动载下具有安全稳定性;
  (5) 小车需考虑盾构机下井过站工序流程,科学合理设计满足盾构机安装作业工序中部件转运顺序。
  根据以上实际情况进行针对性设计过站小车,为实现各部件运输过站,设计过站小车具备以下三种模式:1. 用于刀盘部件运输模式;2. 用于铰接环部件运输模式;3. 用于驱动及其他部件运输模式。
  (一) 过站用小车用于刀盘部件运输模式 如下图所示过站用小车主结构使用 200 H 型钢进行设计,结构形式参考下图所示,主框架采用焊接形式连接。框架底部设置 3x4组车轮,小车斜面设计底板通过螺栓与刀盘法兰板有效连接。
  刀盘重 39 t、外径达 φ6770 mm,通过与小车斜面螺栓连接,整个刀盘呈斜向通道对角线的形式进行放置,刀盘外周与宽 5.4 m、高 6 m 通道上部最大距离宽 232 mm、高 333 mm;下部最大距离宽232 mm、高 322 mm,满足刀盘在通道内运输空间。刀盘部件重心在小车结构中心位置,刀盘法兰板与斜面接触面积大,依靠小车的承载力、刀盘法兰板与斜面连接预紧力、刀盘法兰板与斜面接触摩擦力,能将刀盘的压力有效的分散在 12 处车轮处,使得行进途中小车与钢轨受力均匀、构件处于平衡稳定状态,提高运输的安全有效性。
  (二) 过站用小车用于铰接环部件运输模式 过站用小车用于铰接环部件运输模式,在刀盘运输模式的形态下外侧增加四个延伸支架,支架与铰接环底部法兰通过螺栓连接固定。
铰接环重 22 t、外径达 φ6770 mm,通过与小车四个延伸支架螺栓连接,整个铰接环呈斜向通道对角线的形式进行放置,铰接环外周与宽 5.4 m、高 6 m 通道上部最大距离宽 210 mm、高 302 mm;下部最大距离宽 210 mm、高 343 mm,满足铰接环在通道内运输空间。铰接环部件重心在小车结构中心位置,铰接环法兰板与斜面接触面积大,依靠小车的承载力、铰接环法兰板与斜面连接预紧力、铰接环法兰板与斜面接触摩擦力,能将铰接环的压力有效的分散在12 处车轮处,使得行进途中小车与钢轨受力均匀、构件处于平衡稳定状态,提高运输的安全有效性。
  (三) 过站用小车用于驱动及其他部件运输模式 过站用小车用于驱动及其他部件运输模式,在刀盘运输模式的形态下拆除平板车与斜侧支架连接螺栓,在平板车上铺设钢板用于运输驱动及其他部件(除台车以外)。
驱动及其他部件与小车接触式摆放固定,前后使用手拉葫芦进行锁紧固定。
  (四) 过站用小车有限元分析
  过站用小车运用于盾构机部件运输状态功能性满足条件下,需要对小车机械构件进行有限元分析。
  根据最大受力运输刀盘部件进行分析,分有以下四大布置:a. 核算载荷;b. 建立模型;c. 求解计算;d. 得出结论。
  下表 1 为有限元分析数据表,小车结构使用 Q235B 设计,根据运载最重部件进行受力计算,小车所承最大应力约为 69.1 MPa,最大位移为 0.24 mm,安全系数达到 3.4倍,该小车满足强度要求。
三、 过站用小车的现场运用
  过站用小车设计→生产制造→检验完成后,运输至现场,为现场盾构机分体过站投入使用。
  盾构机分体过站通道宽 5.4 m、高 6 m、长 300 m,底部铺设 4道钢轨。小车行驶前需对通道内钢轨进行检查:钢轨铺设轨道间距、直线度、上下平整度、钢轨固定强度、前后钢轨连接强度、轨道内有无异物。小车运输部件前进行试车运行,小车为运输刀盘部件模式并连接电瓶车,检查行进途中有无异物干涉、车轮与钢轨接触运转情况、钢轨及地基承载部件情况。小车试运行确认无误后进行运输部件。
  (一) 过站用小车运用于刀盘部件运输
  过站用小车切换成刀盘部件运输状态,刀盘下井后调整其倾角姿态,角度与小车斜面角度一致,刀盘与小车接触面预留一定高度。
  移动小车至刀盘连接法兰下方,小车上对应螺栓连接孔设有工艺导柱,主吊钩缓慢下放使刀盘法兰板向小车连接面移动,使得刀盘连接孔顺利通过工艺导柱。
  刀盘与小车调整姿态进行连接,后侧电瓶车前行与小车进行连接,通过电瓶车顶推实现小车前进。
  电瓶车顶推小车通过通道到达至始发安装作业区域,行车主钩连接钢丝绳,钢丝绳与刀盘吊耳通过卸扣进行连接,完成后起升主吊钩使得钢丝绳处于张紧状态,拆除小车与刀盘连接螺栓,主吊钩继续提升至一定高度,保证小车与刀盘有足够的分离距离,电瓶车牵引小车离开始发作业区域,进行下一部件运输作业。
  (二) 过站用小车运用于铰接环部件运输
  为小车运输铰接环,在刀盘运输模式的形态下外侧增加四个延伸支架,支架与铰接环底部法兰通过螺栓连接固定。通过电瓶车顶推小车实现小车前进,小车运输铰接环到达始发作业区域后,行车主钩连接铰接环吊耳,松去铰接环与小车连接螺栓,起升主吊钩,电瓶车牵引小车离开始发作业区域,进行下一部件运输作业。
  (三) 过站用小车运用于驱动及其他部件运输
  在刀盘运输模式的形态下拆除平板车与斜侧支架连接螺栓,在平板车上铺设钢板用于运输驱动及其他部件(除台车以外)。这些部件(除台车以外),与小车接触式摆放固定,前后使用手拉葫芦进行锁紧固定,通过电瓶车带动小车顶推前进及牵引后退,实现小车运输盾构机各部件。
四、 结论及展望
  (一) 结论 根据上海西站盾构机过站实际情况进行针对性设计过站小车,实现各部件运输过站,设计过站小车具备以下三种模式:
  1. 用于刀盘部件运输模式;
  2. 用于铰接环部件运输模式;
  3. 用于驱动及其他部件运输模式。
  通过设计及现场运用的过站小车实现 6 m 级盾构机在宽度窄、长距离通道中运输至始发井,并顺利完成盾构机组装。通过在上海西站盾构机分体运用的过站小车,得出了过站小车具有以下几点优势功能:
  (1) 过站小车能实现盾构机分体过站时,各部件在宽 5.4 m、高 6 m 通道内不与墙体干涉;
  (2) 过站小车具有足够的结构强度,装载部件时整体能稳定受力于钢轨上,通过车轮运动,运输动载下具有安全稳定性;
  (3) 过站小车通过与盾构机运输部件有效连接固定,保障了在长 300 m 通道内长距离行驶中的安全稳定性;
  (4) 过站小车考虑盾构机下井过站工序流程,科学合理设计满足盾构机安装作业工序中部件转运顺序。
  (二) 展望
  盾构机始发运输通道尺寸布置考虑到方方面面因素,始发运输通道尺寸无法满足盾构机正常运输进入始发井将成为常态,盾构机需要分体过站。过站小车的设计及成功运用解决了盾构机分体过站时的难点,过站小车考虑盾构机下井过站部件尺寸及工序流程,科学合理设计实现盾构机各部件分体转运工作。

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