盾构机设备布置

关键词：盾构机；制造；布置。

摘要

盾构机的自主研发与制造是企业拥有高技术力量、企业不断创新的体现。盾构机的制造是个集聚技术与人才力量的工程，小盾构机机内与成型隧道内空间狭小，主体与台车部件的布置成为制造难点之一。布置时，不仅从设计要求、机器性能上考虑到位，还需考虑方便以后的维修、维护，同时尽可能使布置更人性化。

盾构机已成为城市地下隧道挖掘必不可少的工程机械，然而现阶段我国大部分盾构机来源均为进口，国内自主研发生产比较少。要完成自主研发与生产，必须具备大量的技术人才和先进的生产设备；自主研发与生产则必须经历主体设计、加工制造、设备组装等阶段。盾构机是集机、电、液、气为一体的高技术含量的先进隧道掘进设备，其零部件繁多、体积大，安装需要空间大，故其零部件的布置成为盾构机生产制造的一大难点，特别是小直径盾构机。本文已Φ4350盾构机生产组装过程分析其零部件的整体布置。

盾构机主体与台车上部件的布置在研发设计阶段就必须考虑的，Φ4350盾构机掘进隧道内经为3600mm，盾构机内及台车空间狭小，零部件的布置将相当紧凑，各部位可布置部件空间、要求不同，故以各部位的特点进行合理的布置。

1.盾构机机内设计及布置

盾构机设计时，考虑到铰接部位前后筒体有可能发生相对周向旋转，故设计两套周向限位装置。该装置允许筒体在轴线上相对位移，周向位移。但须考虑该装置布置于上下位置还是左右位置，由于盾构机掘进过程中左右转弯几率远远大于上下转弯的几率，若限位装置布置于左右方向，则在转弯使用铰接时，容易产生较大的铰接力，有可能出现铰接油缸无法缩回的现象。若布置于上下位置，在盾构机转弯使用铰接进行纠偏时，限位装置销的位移较短，铰接伸缩时以装置销为轴心进行一定角度的旋转，故铰接伸缩力较小，铰接容易动作，不易发生铰接无法缩回的现象，故该装置布置于上下位置更合适。

图1  机内结构布置图

盾构机在掘进过程中，严禁盾构机在刀盘扭矩作用下相对刀盘旋转反方向整体旋转，即盾构机0点位置始终保持在最高点。这就必须使盾构机重心位于盾构机轴线所在的竖直面上，即设计布置时机内零部件尽可能以轴线所在的竖直面对称布置，例如推进油缸、铰接油缸、刀盘旋转电机等均为双数且对称布置，如图2所示。在盾构机内设计两支撑柱，左边布置拼装机旋转液压马达，右边对称位置则布置重量相近的拼装机电缆卷盘。

图2  推进油缸布置

2.环流管路布置

环流系统作为泥水平衡盾构机必不可少的系统，其起到排除渣土以及保持土仓压力平衡的作用，掘进时，通过送泥管将泥浆送进土仓，增大土仓压力，又通过排泥管将切削下的土渣排至地面泥浆处理场所。故在整个盾构机内以及后续台车设备均布置环流管路。

盾构机机内空间狭窄，机内除布置刀盘旋转电机、油缸外，还需布置环流管路。8寸送泥管路从上部偏右穿过，两条10寸排泥管前端底部斜向中部穿过，而6寸循环管路从筒体中间直入土仓。由于机内空间小，若在筒体中部内布置旁通管，则需布置成一定类似弧形的管路来绕过刀盘电机，如此机内空间更加狭小，不便于人员进入调试或维护，故将旁通管布置于拼装机前端，即从张出台进入机内的入口。

初始设计时，环流管路于张出台下穿过，但组装过程将双轨梁安装完成后发现张出台下空间相当狭窄，而在运输管片至拼装机过程操作人员几乎没有工作空间，从而考虑将此段环流管路布置与张出台之上，这使操作更为便利。

环流管路在后续台车的布置则尽可能为台车留足空间，以便安装其他设备。送泥管（6B）从台车顶部经过，排泥管大部分也布置于台车顶部，如图3右上角显示的送排泥管。但在环流阀组台车或环流泵的台车，环流管需适度弯曲，弯度尽可能缓和。

3.台车上部件布置

盾构机所有的动力源均布置后续台车设备，只有执行元件或控制元件布置于盾构机筒体内，故台车上不仅布置环流系统设备、液压系统设备、注浆系统设备等所有动力源设备。故根据配套设备外型、体积、重量灵活设定台车长度，尽量缩短后续配套台车总长度，合理布置台车上设备。考虑到管片在台车段的运输，必须留足宽度1500mm、高度2000mm的管片运输车行走空间，而该隧道内经为3600mm，则将台车结构设计成单边布置设备的形状，如图3所示。

图3  台车结构图

通过台车所需布置设备的相关尺寸，该盾构机共需10节长度不等的台车。环流系统伸缩管或泥浆管卷盘只能布置于最后一节台车（第10节），利于泥浆管的伸缩。为了减少高压电缆的成本，同时提高使用高压电源的安全系数，将变压器安装于第9节台车，紧接着在第8节台车布置刀盘电机变频器以及盾构机总控制柜，即盾构机动力盘。

盾构机推进、铰接、拼装机等均采用液压形式驱动，故液压系统是盾构机主要的动力系统。盾构机液压系统由推进系统、铰接系统、拼装机旋转系统、注浆系统、超挖刀系统组成，这些系统均由一个油箱提供液压油，所以其液压站尽可能集中于一个台车，并与油箱共用一个台车；液压系统分系统太多，故泵及电机相应较多，电机电源线相对多，为便于布线及降低电线成本，将液压泵布置也与盾构机动力盘较近的台车，即第7号台车。以尽可能缩短台车总长度为原则，分别安装步骤环流泵、阀组台车、注浆系统等设备。台车布置如图4所示。

图4  台车设备布置图

4.布置的特点

从整体而言，Φ4350盾构机零部件布置相当紧凑，但体现了布置人性化的特点。环流管路从张出台上部经过，给拼装机操作人员较大的工作空间；机内留足维修、调试人员穿梭空间；每节台车间布置冲洗台车与隧道的水路接头；机内安装多闪应急照明灯，突然断电情况下仍能照明；液压管路、注浆管路、送排泥管路等均涂上不同颜色油漆，以便熟悉和拆、装盾构机，如图5所示。该盾构机设备的布置有优点的同时，仍有不足之处，单边台车结构其重心不在截面中心处，台车行走过程容易倾斜，这给掘进过程带来一定的安全隐患；液压台车距液压执行元件较远，有可能发生高压液压油的泄漏、油温度易升高等现象；各管理、线路的源头离盾构机筒体较远，不利于盾构机分体始发。

图5  台车管路布置图

盾构机主体与后续台车的布置需要遵循以下原则：

一、机内各功能结构的布置必须在设计阶段考虑到，其布置不能影响盾构机的正常掘进性能。

二、在空间允许的前提下，尽可能留出人员进行维修、维护、或操作的空间。

三、零部件布置应以减少安全隐患、设备故障率等为原则，减少不必要的损失。