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盾构法隧道双层结构预制立柱拼装机设计与分析

摘 要:以上海市诸光路隧道建设项目中隧道内部结构施工为依托,对盾构法隧道双层结构预制中预制结构件拼装施工装置进行研究,创新研发出一种能满足预制立柱高精度安装施工需求的拼装机。结合此拼装机的结构形式及工作方式,探讨其特点及优势:动作灵活,可以实现多自由度的姿态调整。采用此拼装机不仅能提高工程质量、缩短工期、降低成本,而且提高地下工程施工的机械化程度。
  现如今,预制装配式施工工艺机械化程度高、现场作业环境好、施工速度快,被广泛应用于路桥、住宅、隧道施工中。在盾构法隧道建设中,超大直径盾构法隧道日益渐增,特别超大直径公路隧道中双层车道结构具有隧道空间利用率高等特点。提高双层结构隧道的预制结构件占有比例,能更有效地加快隧道内部结构施工。在有限的隧道结构中,如何进行预制结构件的高效、安全及高精度拼装,具有很大的研究价值。本文介绍了一种针对立柱预制件的拼装机,探讨其特点及优势。
  诸光路通道工程位于上海市西部、大虹桥板块,工程连接青浦段诸光路和闵行区北青公路,全长约 2.8 km。隧道内径 12.8 m,设计为上下双层结构。隧道内部结构断面见图 1。采用预制装配式,主要包括:π 型预制构件、预制立柱、车道板、盖板等。
1 预制立柱特点
  预制立柱外形尺寸见图 2。
 (1)立柱高 2.65 m,底部横向长 500 mm,纵向长 500 mm;
 (2)顶部横向长 1 000 mm,纵向长 500 mm,重 2.1 t;
 (3)底部预埋 10 个灌浆套筒与基座钢筋连接,顶部预埋 13 个接驳器与梁 - 柱节点钢筋连接。
  该预制立柱施工难点在底部预埋 10 个灌浆套筒需与基座钢筋精确连接。灌浆套筒选用的型号为GT4- 28SH,长 560 mm,贯穿直径为 32 mm,而基座钢筋直径为 28 mm,其间只留最大 4 mm 间隙进行拼装。
2 施工环境
  现浇基座养护之后可进行预制立柱的安装工作,此时隧道中的空间布局如图 3 所示。预制立柱安装的平面距离隧道底平面 (即 π 型预制构件表面)1 850 mm,需要吊装设备进行施工。同时预制立柱的安装施工随着隧道推进施工同步进行,吊装设备需要随隧道推进向前移动。但现浇基座所在的位置原因,无法利用隧道中运输拼装 π 型预制构的行车进行拼装施工。在隧道内部进行结构施工,大型的吊机设备又无法运输进隧道内部。传统的吊装安装设备无法满足预制立柱的安装需求,需要针对预制立柱安装施工设计专业设备。
3 预制立柱拼装机设计
  预制立柱拼装机需要具备:可随隧道推进移动;满足预制立柱提升高度;结构紧凑,可运输进入隧道;具有高精度拼装能力。根据这些设计需求,调研了现有设备及相关工程的应用情况,最终采用挖掘机改制的方式设计了 1 台针对预制立柱拼装的拼装机设备。
  选定“三一重工 SY155C 履带式挖掘机”的底盘结构、行走机构及动力系统。由于隧道内部结构有限,原有 SY155C 的前后臂过长不适于隧道中施工,选用“三一重工 SY55 履带式挖掘机”的前后臂,再对其后臂进行重新设计,能够匹配上宁波类矩形管片拼装机机械手。其设计效果见图 4。
4 拼装过程仿真分析
  预制立柱拼装机在设计中使用了 solidworks 进行模型构建及运动仿真。软件的运动分析中对预制立柱拼装机的各个执行部件添加执行马达 (见图5),进行运动仿真。在其中挖掘机原有行走机构上分别添加了直线马达及旋转马达,使其能在隧道底平面移动。
  大臂添加旋转马达、小臂添加旋转马达、拼装机机械手添加 3 个旋转马达,使其能抓取预制立柱后改变其姿态,并托举至预设安装位置上方,再通过各个旋转马达之间的联动配合进行精确拼装。通过上述执行元件的同步配合运行,能够满足预制立柱拼装机六自由运动。
5 改制件有限元分析
  预制立柱拼装机主要采用标准挖掘机的结构形式进行改制,大部分的结构件是成熟产品,而配合上宁波类矩形管片拼装机机械手的改制小臂相对于原有挖掘机的小臂有较大的改动,同时改制小臂需承担立柱的重量以及机械手在竖直平面旋转时产生的力,固然有必要在设计后期进行有限元分析。在有限元分析中,主要是检测改制小臂在最不利工况下,它的机构强度及结构刚度的情况。小臂最不利的情况是在小臂与地面平行时(见图 6)。此时小臂所承受的力矩最大。 
  现使用 solidworks 软件中的 simulation 功能,对改制小臂进行有限元分析,得到小臂的结构应力云图如图 7 所示。从应力云图能看出小臂的结构中最大应力为 92 MPa,远远小于 Q345 材料的屈服强度。小臂的结构满足结构强度要求。
  同时得到小臂结构的位移云图见图 8。从位移云图可以看出小臂结构的最大位移位置在于机械手所连接的耳环位置,最大位移量为 1.134 mm。可见位移量相当小,可以忽略不计。所以小臂的结构刚度能够满足设计要求。
  根据上述对改制小臂进行有限元分析的结果,改制小臂在最不利工况时结构强度和结构刚度皆能保证其在拼装施工中的机械性能。
  6 驱动油缸行程模拟预制立柱拼装机通过大臂驱动油缸、小臂驱动油缸以及机械手垂直方向旋转控制油缸 3 组油缸提供主要动力。这 3 组油缸的联动,能控制预制立柱在隧道空间中的大体位置及姿态。在控制方法上,3 组油缸联动,能控制立柱在竖直平面的位置。同时,3 组油缸也是主要向立柱提供支撑力的部件。有必要对其进行油缸行程模拟。
  在 solidwroks 中进行拼装运动仿真模拟,并对油缸行程在拼装立柱时对立柱的姿态进行大臂驱动油缸、小臂驱动油缸以及机械手垂直方向旋转控制油缸的行程位移检测,得到图 9~ 图 11 的 3 组油缸各自的行程位移图。
  由图 9~ 图 11 可知大臂驱动油缸、小臂驱动油缸以及机械手垂直方向旋转控制油缸在对立柱进行拼装时的姿态变化时,他们的行程变化都在所选型的油缸的行程内,能够完成立柱在狭小的隧道内部结构中进行拼装工作,且拼装过程相对比较平稳,有一定的安全性。
7 结语
  测试、驱动油缸行程模拟及改制小臂有限元分析的仿真及模拟分析。在仿真及模拟分析中,从理论上验证了预制立柱拼装机在隧道内部结构中立柱拼装过程的可行性和驱动油缸的可靠性,以及校验改制小臂的刚度及强度。
  盾构法隧道双层结构预制立柱拼装机是为响应我国住房和城乡建设部继住宅产业化和新型建筑工业化后提出的建筑产业现代化发展战略。未来隧道及其内部结构件全面预制化将成为隧道建造技术革新发展的趋势,此类设备必将拥有巨大的市盾构法隧道双层结构预制立柱拼装机在进行数字化设计之后,进行了立柱拼装的模拟轨迹路线场需求。往后,该类设备将发展出更多种类型,适用于圆形、矩形乃至异形隧道中预制结构件的施工安装,从而将使我国的隧道建设水平迈上新的台阶。
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