超大直徑盾構主驅動翻身裝置的設計

張路賽，鄧高鈺，姜 鵬

（中交天和機械設備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

近年來，隨著國家城市建設的不斷發展和隧道規模的不斷擴充，促使盾構行業迅速向著大型化、規?；姆较虬l展，超大直徑盾構（開挖直徑14m以上）應運而生。主驅動是超大直徑盾構中不可分割且單體重量最重的零部件，其吊裝工序在盾構機組裝階段至關重要［1］。如何簡單、快捷、安全地實現主驅動的安裝作業，對保證安裝質量和提高工作效率具有重要意義。

一般而言，超大直徑盾構的主驅動組裝完成后重量在400t以上，直徑在7m以上，屬于超寬、超重零部件。傳統的焊接式吊耳已經無法滿足主驅動總成的翻身起吊工作。本文針對此問題，在充分研究各型大件翻身起吊工裝的基礎上，以φ15.03m超大直徑泥水平衡盾構項目為依托，創新性地設計了結構簡單、使用方便的新型超大直徑盾構主驅動翻身裝置。

1 翻身裝置的設計

該項目中，總裝完成后的主驅動重量達450t，最大外形尺寸達8m。但是車間內配置的行車最大起重能力為250t，遠遠不能滿足主驅動（450t）的起吊和翻身作業要求。

目前業內常用的超大直徑盾構主驅動翻身作業方法（見圖1）為：設計大型的螺栓連接式翻身吊耳，輔以超大噸位的起重機，實現主驅動的整體起吊［2］。該方法雖然可以實現超大直徑盾構主驅動的吊裝與翻身作業，但是需要直接進行起吊，同時增大了吊裝件的總重量，給吊裝和翻身作業帶來困難和風險［3］。另外，主驅動的總重量超過了一般工廠的起重能力配備，需要額外租賃超大噸位的履帶起重機［4］（起重能力600t以上）。

圖1 常規超大直徑盾構主驅動翻身方式

本文針對以上問題，通過在主驅動上設計2個旋轉銷軸，再輔以小噸位起重機和若干小型吊耳便可以實現主驅動的自由翻轉。運用這種方式進行主驅動翻身時，起重機提供的旋轉提升力只需要克服主驅動自重產生的滾動摩擦阻力，這樣可減少起重機提升力約10倍以上，實現了小起重機翻大重物的目的。

主驅動的起升和下降動作通過翻身裝置兩側設置的2個高壓油缸來控制和實現。相比租賃大噸位起重機進行起吊的方式，通過油缸頂升的方式實現主驅動的上下移動大大簡化了提升結構，同時節省了約95%的起重費用（見圖2）。

圖2 新型超大直徑盾構主驅動翻身裝置示意圖

1.1 翻身裝置結構和工作原理

該主驅動翻身裝置主要由安裝底座、旋轉銷軸、翻身支架、C型塊、系列化墊塊、高壓頂升油缸、工作平臺等組成（見圖3）。

首先將該翻身裝置安裝在盾體分塊法蘭面上，再通過分部吊裝的方式將主驅動吊裝到翻身裝置上，使主驅動兩側的旋轉銷軸分別落入到翻身裝置上的2個C型塊內。通過小噸位起重機的牽引，2個旋轉銷軸可以在C型塊內實現360°旋轉，進而帶動主驅動實現360°翻轉。

圖3 翻身裝置的主要結構組成

主驅動的起升和下降動作通過在翻身裝置兩側設置的2個高壓頂升油缸來控制和實現。為了增加主驅動抬升動作的可靠性和安全性，特殊設計了系列化厚度的支撐墊塊用于給主驅動提供剛性支撐。翻身裝置周邊安裝的工作平臺有利于工作人員現場作業。

1.2 翻身裝置的受力分析

在主驅動翻身裝置的設計過程中，必須對其整體結構進行三維建模和受力分析，從而保證結構設計合理和安全有效。

翻身裝置的基本組成材料為低合金高強度結構鋼Q345B，屈服強度為325MPa。翻身裝置的三維模型采用SolidWorks三維軟件進行創建，然后運用有限元分析軟件進行受力分析（見圖4）。

圖4 翻身裝置主要部件（旋轉銷軸和翻身支架）的三維模型

由于旋轉銷軸的結構型式不對稱，且其在主驅動翻轉過程中會不停地變換受力方向，故需要對旋轉銷軸進行3種工況下的受力分析。具體分析如下：

工況1：旋轉銷軸承受平行于中心開孔方向的力。旋轉銷軸工作過程中主要承受主驅動組裝完成后的總重量（按450t計算），重力加速度取為9.8m/s2。在此工況下，旋轉銷軸受到的最大應力為143MPa，旋轉銷軸的整體強度滿足使用需求，安全系數為2.27。從變形角度來講，旋轉銷軸的最大變形為0.3mm，滿足剛度設計要求（見圖5）。

圖5 旋轉銷軸在工況1下的應力和變形云圖

工況2：旋轉銷軸承受垂直于中心開孔方向的力。旋轉銷軸在不同工況下的載荷承受情況相同，但載荷方向不同。在此工況下，旋轉銷軸受到的最大應力為153MPa，旋轉銷軸的整體強度滿足使用需求，安全系數為2.12。從變形角度來講，旋轉銷軸的最大變形為0.36mm，滿足剛度設計要求（見圖6）。

圖6 旋轉銷軸在工況2下的應力和變形云圖

工況3：旋轉銷軸承受垂直于中心開孔反方向的力。在此工況下，旋轉銷軸受到的最大應力為153MPa，旋轉銷軸的整體強度滿足使用需求，安全系數為2.12。從變形角度來講，旋轉銷軸的最大變形為0.36mm，滿足剛度設計要求（見圖7）。

圖7 旋轉銷軸在工況3下的應力和變形云圖

翻身支架在工作過程中除承受主驅動組裝完成后的總重量外（按450t計算），還需要承受1個水平側向力（約50t）用于實現翻身支架的微動調節。重力加速度取為9.8m/s2。

在此工況下，翻身支架受到的最大應力為234MPa，且為個別應力集中點，翻身支架的整體強度滿足使用需求，安全系數為1.4。從變形角度來講，翻身支架的最大變形為4.3mm，滿足剛度設計要求（見圖8）。

圖8 翻身支架的應力和變形云圖

綜上所述，該主驅動翻身裝置的整體結構滿足設計需求。

2 翻身作業流程

（1）將主驅動的基礎結構件支撐在地面上，根據工廠起重能力預組裝部分零部件。同時在主驅動上安裝相應的旋轉銷軸和小型翻身吊耳。

（2）將翻身裝置（安裝底座、旋轉銷軸、翻身支架、C型塊、系列化墊塊、高壓頂升油缸、工作平臺）組裝為一體，并與底部支撐連接固定好。

（3）將預組裝的部分主驅動件吊上翻身支架，使主驅動兩側的旋轉銷軸分別落入到翻身裝置上的2個C型塊內，并設置水平臨時支撐。

（4）根據實際需求，通過在翻身裝置兩側設置的2個高壓油缸來控制和實現主驅動的頂升動作。

（5）主驅動頂升到位后，在油缸行程空間內放置系列化鋼制支撐墊塊以增加頂升動作的可靠性和安全性。

（6）安裝主驅動總成中的其余零部件，整個主驅動安裝完成后重量約450t。根據實際需要，在主驅動組裝過程中可能也需要進行若干次旋轉翻身作業。

（7）通過小噸位起重機的牽引，主驅動總成可以在空中實現360°的自由翻轉，直至旋轉到目標安裝狀態（豎直狀態）。旋轉過程中，起重機需要提供的牽引力時刻在變化。最大牽引力出現在主驅動豎直狀態，此時吊車牽引力約60t。

（8）下放主驅動總成，至其與盾體實現可靠連接。通過回縮翻身裝置兩側的高壓油缸并拆除系列化墊塊，可以實現主驅動的安全下放。

目前，該種型式的超大直徑盾構主驅動翻身裝置已在多臺盾構上得到了成功應用，實現了安全、便捷的主驅動翻身作業。

3 結束語

超大直徑盾構主驅動的起吊和翻身作業是盾構制造過程中的關鍵工序，如何安全、便捷地實現主驅動的吊裝作業，在超大直徑盾構組裝過程中起著至關重要的作用。本文開創性地設計了一套安全實用、簡單巧妙、適應性廣的超大直徑盾構主驅動翻身裝置。該翻身裝置不僅能夠有效地解決超大直徑盾構主驅動的翻身作業，而且大幅度地節約了制作資源和施工成本，創造了更多的經濟效益。

該種新型超大直徑盾構主驅動翻身裝置設計思路還可以被復制應用到其他類似結構的超大、超重件翻身作業中，為超大、超重件的吊裝技術提供了新的技術基礎和解決思路，對相關吊裝技術的發展具有借鑒意義。