第十章-管片拼装机

第九节 管片拼装机构一、管片拼装机构的功能及构成随着盾构的向前推进，隧道的永久支护需要同时间隙拼装。用盾构施工法时，隧道的永久支护通常是将在地面预制好的钢筋混凝土管片，运输到盾构尾部，然后用盾构拼装机构逐片间隙拼装。管片拼装机构就是将管片按照隧道施工要求安装成环。它包括搬运管片的钳夹系统和上举、旋转、拼装系统。对其功能要求是能把管片上举、旋转及夹持管片向外侧移动。管片是通过管片运输机构经单、双轨粱上的电动环链葫芦将管片从管片运输车上吊起，把管片放在储存区，在拼装时，再将管片从管片储存区吊起运输到管片拼装机下部，通过拼装机完成管片的拼装。管片拼装机构设置在盾构尾部，由真圆保持器和举重臂两部分构成。1真圆保持器盾构向前推进时管片拼装环（管环）就从盾尾脱出，由于管片接头缝隙、自重和作用土压的原因，管环会产生横向变形，使横断面成为椭圆形。当发生形变时，前面装好的管环和现拼的管环连接有时会出现高低不平，给安装纵向螺柱带来困难。为避免此现象，需使用真圆保持器修正，保持拼装后的管环的正确位置。 图2.64真圆保持器示意图真圆保持器支柱上装有可伸缩的千斤顶，上下两端装有圆弧形支架，该支架可在动力车架的伸出梁上滑动。当一环管环拼装结束后，就把真圆保持器移到该管环内，当支柱上的千斤顶使支架紧贴管环后，盾构就可以推进。盾构推进后由于真圆保持器的作用，管环不产生形变，且一直保持真圆状态。2举重臂（管片拼装机）管片拼装机俗称举重臂，是盾构的主要设备之一，常必液压为动力。隧道的永久支护多为圆环形，由若干个弧形供片组成。举重臂是在盾尾内把管片按所定形状安全、迅速拼装成管环的装置，为此，拼装机需要具备以下几个动作，即提升管片、沿盾构轴向平行移动和绕盾构轴线回转。相应的拼装机构为提升装置、平移装置和回转装置。举重臂为油压驱动方式，有环式、空心轴式和齿条齿轮式三种。因环式是空心圆形旋转，即使在驱动中也可以确保作用空间，同时土砂运作不受影响，故应用较多。管片拼装机按抓取管片的方式有两种，即机械抓取式（图2-65a）、真空吸盘式(图2-65b)。二、管片拼装机的组成管片拼装机主要由平移机构、旋转机构、举升机构、抓举装置等构成。管片安装机结构示意图1平移机构（图2-66）拼装机的行走梁通过法兰与中盾的H梁连接，盾构与拖车之间的所有管线连接均通过拼装机敞开的中心部位，行走粱与设备桥之间用油缸铰接。平移机构通过两组滚轮安装在行走梁上，可通过两个平移油缸沿盾构轴线方向移动实现平移动作。拼装机的行程允许在隧道内更换前两排密封刷。2回转机构回转机架通过法兰与回转支撑的内齿圈连接，随平移机构一起平移，同时液压马达通过齿轮传动，使回转机架同回转支撑内齿圈一起实现回转动作。角度限位开关确保回转角不超限。3举升机构举升机构有两个独立的油缸通过法兰与回转机构连接，油缸的升缩杆和举重钳铰接，能实现升降功能。抓举头通过关节轴承安装在举重钳上，抓举头上的抓持系统为机械式抓举，通过位移和压力双重检测，确保抓持可靠，同时还具有联锁功能。抓举头上的两个小油缸能实现抓举头的俯仰和偏转动作。管路支架为拼装机的管路布置提供平台，所有管线布置能满足拼装机的回转、平移动作。工作平台通过法兰固定在乎移机构上，随平移机构一起动作，为观察管片拼装及管片螺栓的连接提供工作平台。拼装机的操作有无线遥控器控制和有线控制两种。拼装机上设有报警灯和报警喇叭，报警信号自动发出，当拼装机旋转时，报警灯亮。日本小松盾构管片拼装机的结构形式参见图2-69。小松管片拼装机为环式结构，在结构形式上大致可以分为回转机构、举升机构和举重钳（抓举头，见图2-70）三大部分。小松拼装机的回转机构是一个大圆环，有8个支重轮支撑，固定在中盾尾部的支承环上，绕盾构轴线回转。由两个安装在中盾H形门架上的驱动马达，与回转架上的内齿圈啮合，实现回转动作。驱动马达具有常闭制动装置。左右两个悬臂梁通过法兰与回转架连接，穿过悬臂粱的两个导向杆及一端固定在悬臂梁上的提升油缸与举重钳连接，通过油缸的升缩实现升降动作。小松拼装机的两个提升油缸与举重钳固定连接，仅能沿导向杆升降，实现升降动作，而海瑞克拼装机举升油缸是独立控制的，还能实现横摇动作。拼装机的抓举头沿平移导向杆，通过两个平移油缸的升缩，在举重钳内做平移动作，通过安装辅助装置，可以实现盾尾刷的更换。抓举头抓持管片，由抓举头中间的两个支撑油缸固定，实现锁紧动作。抓举头周边的4个小油缸联合动作实现俯仰和横摇动作。抓举头上的两个偏转油缸升缩实现偏转动作。配有携带式见线操作盒和有线操作盒，通过切换中间端子箱内的“有线无线”选择开关，选择操作方式。拼装机操作盒可以进行拼装机的回转、升降、滚动、偏转操作。拼装机控制板上有一个紧急制动器。当开动拼装机控制板上的紧急制动器时，安装机立即停止工作，并且只能用开动启动开关来重新启动。拼装机应具有锁紧、升降、平移、回转、仰俯、横摇和偏转7种动作，各种动作进行专门的调节以使管片能精确就位。海瑞克EPB盾构机的管片拼装机安装在尾盾上，用来拼装单层管片衬砌隧道。拼装机能将管片准确地放到恰当的位置上，可以确保其动作精确到位。能快速、精确、安全拼装管片，保证管片的圆度，并能有效防止盾构机推进油缸的顶推使管片端部产生裂纹。管片拼装机每环安装时间不大于30min。管片拼装机的泵站布置在后配套上。管片拼装机由悬臂梁、移动机架、回转机架、安装头组成。悬臂粱用于管片拼装机的纵向移动。它通过法兰与中盾H架连接。盾构与拖车之间的所有管线连接都穿过管片拼装机敞开的中心部位。管片拼装机悬臂梁与桥架用油缸铰接。移动机架安装在悬臂梁上，可通过两个液压缸的伸缩作纵向移动，带内齿的滚动轴承用法兰连接在移动机架上，并以此带动回转机架。回转驱动马达安装在移动机架上。回转运动通过驱动马达上的齿轮驱动，该液压马达具有制动装置，齿轮全被封装。回转机架用法兰安装在滚动轴承的内圈上，其侧向安装有伸缩臂。伸缩臂（由内外管构成）靠滑槽导向，由内部的伸缩油缸带动，伸缩油缸可以单独伸缩。内部伸缩管两端固定在安装头的悬臂梁上，安装头带有机械夹持系统。安装头上可以实现安装头的旋转与倾侧动作。管片拼装器旋转部件装有液压动力、阀的信号电压。动力通过组合供能系统供给。拼装器为中空式，并带有管片夹持系统，有6个自由度。全液压驱动，速度可以按比例调节。纵向移动：2 000mm；伸缩：1 000mm；安装头旋转：2 50；安装头倾侧：2 50。真空吸盘式管片拼装机与机械抓取式管片拼装机的主要区别在于抓取头形式不同，参见图2-72。管片使用真空吸盘吸取，在正常工作状态真空度为95% 98%。即使真空度低至80%，其产生的吸取力仍然大于要求设计的安全系数。即使所有设备单元均出现故障，真空吸盘也可以把持住管片30min以上，主要取决于吸盘密封的状况。安装头的中心有抗剪销，它们可以吸收放置管片时产生的剪切力以防止真空失效。海瑞克公司的管片拼装机的真空系统利用安装机回转机架中间的空间作为真空储蓄，从而给系统提供最大的安全保护。拼装机所有的功能都是通过一个无线遥控面板实现电一液比例控制，还有一个有线遥控作为备用控制器。这套系统可以让操作员优化定位的过程速度、精确度和安全性。在管片拼装时，推进油缸通过一个拼装在管片拼装区域附近的固定控制面板控制，这一面板也包含对喂片机的控制。三、互锁安全在盾构机上，最危险的地方就是管片拼装区域。因此，整个系统及其控制都经过专门的设计把风险降到最小。另外，为了便于操作和携带遥控器，下面的互锁也集成在系统黾：掘进机完成掘进后，操作员选择管片安装模式。这样，推进油缸的控制权交给了前面提到的固定控制面板。操作员就不能推进或者控制推进油缸。液压系统也换为低压大流量模式。控制权只能由管片安装区域返还到控制室。安装头装有管片接近识别开关。这些在真空吸盘里的柱塞式开关可以在起动真空泵之前识别当前在真空板下的管片。真空度的互锁功能可以防止真空度低于80%时抓取管片。真空度连续的显示，在真空度低于75%时发出警报。所有的安装机控制均装有支撑互锁或弹回中间挡位控制。真空释放只能在同时按住两个按钮时才能进行（必须用两双手操作），以防止误操作而放松管片。管片拼装机安装有声光信号指示装置。信号是自动发出的。如果管片拼装机旋转，红色警报灯将启动。四、自动管片拼装作业圆形断面螺栓紧固管片自动拼装机的功能，是把位于后方的自动供给装置运入的管片夹持到既定位置，并自动进行拼装成环的一系列作业。自动管片拼装机由管片供给装置、管片夹持装置、管片定位装置及螺栓连接装置构成。(1)管片供给装置将装有管片的台车用吊车放在自动供给装置上。自动供给装置位于自动组装机后方的下部，装有管片的台车沿着导架向前方（掘削面侧）移动，直藿夹持管片的位置。(2)管片夹持装置自动拼装机上的传感器确认管片到位后便开始夹持管片。(3)管片定位装置管片定位大体分为粗定位和微调定位两个阶段。粗定位是把管片粗略移动到预先计算确定的位置上，微调定位是指使得待装管片的螺栓孔与已装管片的螺栓孔对齐。此时，管片的自由度共计6个，可以完成旋转、升降、滑移、俯仰、横摇、偏转等各种基本动作，进行最终定位，参见图2-73。定位时最重要的足遥感精度和自动组装的驱动装置（油缸）的控制精度。因此，传感器为非接触式的超声波传感器、激光传感器以及接触式传感器的组合体。油缸控制方法以数字控制为主。为缩短定位时间，还采用了在管片上设置凸起和沟槽等方式。(4)螺栓连接装置螺栓连接装置是把定位后的管片用螺栓、螺母加以连接的装置，具体又分为环向连接装置和轴向连接装置两种。该装置包括螺母供给装置，螺栓插入装置，螺栓、螺母连接紧固装置。螺母供给装置。该装置储存了一环管片接触用的所有螺母（包括垫圈在内），随着供给操作指令的发出，螺母依次逐个供给螺栓连接装置。螺栓推人装置。该装置可把连接螺栓自动推人已对齐的两管片的连接孔中。螺栓紧固装置。待一块管片的螺孔全部对齐后，即开始螺栓连接。自动组装机上设有螺栓紧固机，数量与螺栓数相同，故紧固作业是同时按原定的力矩进行的。即实现一块管片的组装，随后反复这一作业，直到一环管环组装完毕。五、管片自动组装工序管片自动组装时需10道工序。该工序仅为一块管片的组装工序。若将该工序重复次（管环分割块数）即可组装一环。 (1)供给移动：来自管片供给装置的管片供向组装器。 (2)夹持管片：将管片固定在组装器夹持件上。 (3)拼装移动：将管片移动到要组装的位置上。 (4)回缩千斤顶：将处在要组装位置上的盾构千斤顶缩回。 (5)粗调整：在设定要组装位置上作粗调整。 (6)微调整：用光传感器测出待组管片和已装管片的高差、张开量，作真圆保持调整，确定管片的正确位置。 (7)螺栓连接：送上连接螺栓，连接两端螺母后紧固牢靠。 (8)推出千斤顶：用两台盾构千斤顶对密封材作压密封堵。 (9)张开夹持夹：松开组装器对管片的夹持力。 (10)原来位置：交接管片后回归到原来位置。六、管片拼装操作方式为了提高操作性能的可靠性及确保操作人员检修、维护时的安全，可采用以下几种操作方式：1.自动连接方式从供给管片开始到螺栓紧固连接为止的一系列动作，完全按自动化方式进行。2工序自动化每道工序的动作均按自动化方式进行，当移向下道工序时，只有经过操作人员确认后，操作才有效。3过程手控方式各轴的操作动作是根据传感器的信息和显示电视图像，由操作员在控制室内作出判断后进行的。4机旁手控方式操作员在机旁手持操作箱，按目视现场实况进行操作的方式。这种方式主要用于系统保养维护。上述“自动连接方式”和“手控方式”可自由选择。此外，由于组装工序中会碰到各种各样的状况，状况不同，操作也不同，所以把开关全部汇集在一个视屏画面上，对操作员选择操作起指导作用，故系统中还设置可触摸操作控制板。为了掌握自动拼装系统工作状态，特设置了监控系统。组装监控系统可配合工程的进展，通过记录仪的信息，视屏E给出拼装器和管片状态的画面及传感器测出的位置信息，结合监视管片组装的工业电视，便可进行组装工序的遥控操作。同时，还有异常监视系统。因系统中设置有相当多的传感器、电磁阈等部件，只要其中一个部件出现故障，即会使整个系统工作不正常。为了便于查找故障，系统中设置了组合报警信号，各控制器的异常信号会详细显示在CRT画面上，可使操作员迅速地作出判断。七、自动组装注意事项（1）自动拼装管片的真圆度直接关系到组装时间的长短，所以必须经常对组装状态进行检测管理和修正。另外，确保隧道的竣工精度，对提高止水性及减少地层沉降也很重要。（2）拼装管片时如果出现管片错位和存在缝隙，则管