盾构机管片吊运系统技术综合分析

1 概述

盾构法隧道施工是指使用盾构机（也称隧道掘进机），一边控制开挖掌子面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在盾构机内拼装预先制作的管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而在不扰动围岩的基础上修筑隧道的方法[1]。该法集开挖、出渣、支护、衬砌等功能于一体，可连续掘进，掘进速度较快，效率高[2]；相较传统人工作业及钻爆法等施工方式，极大改善作业人员劳动条件，减轻体力劳动量，人员在盾壳保护下施工，避免了其他施工法可能造成的人员伤亡事故，安全性大大提高。本文着重阐述盾构机管片运输相关技术内容及特点。

2 管片吊运系统

管片吊运系统是盾构管片运输过程中的一个组成部分。管片从隧道外通过隧道电瓶车运送至盾构机后配套拖车指定位置，经由管片吊运系统输送至管片小车，再由管片小车将管片输送至管片拼装机拼装区域[3]，该方式以泥水盾构应用为主。也可直接由管片吊运系统直接从盾构机后配套拖车位置直接输送至管片拼装区域，该方式以土压平衡盾构应用为主。

管片吊运系统一般由垂直起吊系统、水平输送系统、安全限位及制动系统、电气液压控制系统、报警系统等部分组成。管片吊运系统的设计接口，多与实际工况要求、管片型式、后配套拖车设计接口、拼装机设计接口以及出渣系统设计接口相关联。

3 吊运技术综合分析

管片吊运系统设计，根据工况要求，一般行走速度在10m/min左右，行程在20m-100m之间，根据隧道开挖直径大小，整环管片采用“5+1”拼装方式，管片厚度常见250mm，300mm，350mm，500mm，单环管片宽度1.2m或1.5m，少数1m，因此单块管片重量不一，1.5吨，4吨，8吨不等。因此设计合理的吊运技术方案，显得尤为重要。

管片吊运系统，从轨道数量分，常见有单轨梁式、双轨梁式和单-双梁结合式，轨道梁可以是平直轨道，也可以是带弯曲弧度的轨道；从水平运输机构形式分，常见有齿轮齿条式、链轮链条式、摩擦轮式；从起吊方式上分有，液压卷扬式，油缸起吊式、电动葫芦起吊类，从管片抓取方式分，机械抓取式，真空吸盘式。下面详细介绍下各型式吊运系统。

3.1 单轨梁式。单根轨道，承载重量有限，一般不超过2吨，多半在行程短或管片重量轻的情况下采用此设计方案，具有占用空间少，电气液压控制简单的有点，但单梁式一般单点起吊，起吊运输过程中，容易晃动，易对周围设施如管路、电气元器件等造成碰撞性损坏，运输平稳性差，尤其是管片在旋转90°时对起吊支承索具损坏较大，钢丝绳或葫芦链条易打转或磨损，疲劳寿命短。

单梁式吊运系统多在小型盾构机（开挖直径小于6m，常见3m至5.5m）上设计使用，多数配合采用油缸起吊或电动葫芦起吊，少数采用液压卷扬起吊；采用摩擦轮式或链轮链条式行走方式。

3.2 双轨梁式。采用双梁式，承载能力范围广，可在较远距离、重载情况下使用，较为普遍。该形式，多数采用电动葫芦起吊，很少采用油缸或者卷扬形式起吊。行走采用链轮链条、摩擦滑轮式或齿轮齿条式。

双梁式单根轨道运行机构可单独控制，也可双轨联动控制，电气控制较为复杂。联动控制时，双轨运动及起吊同步性取决于众多因素。进行较远距离运输时，电气控制电缆偏长，有较大或较严重的下垂现象，对电缆回卷（收）质量以及电缆寿命有很大影响，电缆易磨损断，影响控制信号传送。

与单轨梁式比，双梁式控制附件以及机械结构附件偏多，成本以及维护成本相对较高；但是，在使用过程中，采用两端起吊中间抓取管片方式，管片运行相对平稳，在管片转动90°过程中，起吊索具打转角度小，对起吊索具的损坏程度相对较小。

双梁式吊运系统多应用在普通盾构（开挖直径6m至8m）和大型盾构（开挖直径8m级以上）。

3.3 单-双梁结合式。这种形式，主要是应用在长距离或其他运输空间受限制或隧道转弯半径过小的场合。一般在靠近开挖端布置单梁结构，在管片输送端布置双梁结构，二者有效重合距离超过管片宽度。

该方式有效解决了单一双轨梁或单轨梁结构不能解决的问题，但在单-双梁重合段设计以及控制设计上，其结构较复杂，成本较高，因不同位置布置的其他设备不一样，选择合适的重合位置比较重要。

3.4 齿轮齿条式。管片运输，水平移动由齿轮和齿条啮合传动实现，承载工况条件及环境恶劣，隧道内潮湿，泥水、砂石土渣灰尘较多，对齿轮齿条的加工技术和热处理要求严格。根据轨道设计形式，齿条有可能需要设计成带一定弯曲半径的形式，其加工、热处理以及齿条与轨道焊接拼接工艺相对复杂。其优点在于承载能力及稳定性好，制动性好，适应能力强。

3.5 链轮链条式。传动原理，与齿轮齿条式相同，将链条固定焊接在轨道上，链轮在链条上行走，实现管片水平运输功能。该式相对简单，只需选用合适起重链条，免去弧度加工难题，避免了转弯齿轮齿条啮合设计难点，整体加工成本和维护成本偏低，运行稳定性比齿轮齿条式略微偏低，同步性受到一定程度影响；但在隧道掘进机上为常用吊运方式。

3.6 摩擦轮式。摩擦轮式吊运系统设计，依靠摩擦轮与光滑轨面的摩擦力驱动，实现水平传动；但是其制动稳定性较齿条式和链轮式偏差，对带弧度轨道适应性差，输送功能受限，往往不能输送到管片拼装机拼装区域，需借助管片小车（转下页）完成整个吊运功能。其成本比齿轮式和链轮式偏低，在直轨道区域应用较多。

3.7 液压卷扬式。主要通过卷扬方式，控制管片水平运动或起吊运动，结合液压马达，控制水平速度或起吊速度。结构相对简单，日常维护简单，对卷扬筒设计及控制要求高，空间占用相对较大，卷扬筒加工难度大，对钢丝绳选用要求高，制动性能相对较弱。

3.8 油缸起吊式。用油缸取代卷扬筒，控制简单，节约空间，但滑轮组使用偏多，对钢丝绳综合使用性能有影响，制动性能相对较弱，成本低廉。选择合理的钢丝绳和布置滑轮组是设计的关键，考虑机械制动与液压制动是其设计难点。

3.9 电动葫芦起吊式。电动葫芦作为起吊装置，放在轨道梁上，由行走电机驱动行走，可由手电门或无线遥控控制，可联动或单独控制。起吊时能实现良好的同步性能和制动性能，控制可靠，起吊运行平稳，但在恶劣环境下使用，使用寿命受到限制，需做好防水挡泥及散热措施。

3.10 机械抓取式。机械抓取式，是设计专用的机械手，实现对管片的抓取。一种是在管片一侧设计两个机械爪，在另一侧对称设计，实现平衡抓取，避免管片在移动过程中发生晃动或移动，保证安全。另一种是在管片重心位置处实现抓取，在管片重心位置处安装起吊螺栓，配合设计一款可抓取起吊螺栓并实现360°自由旋转的机械装置。

机械手设计安全系数高，安全可靠，，但使用空间受到限制。在考虑成本的前提下，机械抓取式在普通和大型盾构机中应用广泛。

3.11 真空吸盘式。真空吸盘式，在机械抓取式基础上改进而来，其行走机构不变，对管片的抓取采取真空吸取，配备真空泵，对真空密封保压、吸盘压缩材料以及管片表面要求较高；但其承载能力大，具有较好的保压延时性，安全性较高；因此在超大盾构机管片运输系统中得到良好应用。

4 结论

本文综合性论述了隧道掘进机有关管片吊运技术，从轨道型式，水平行走和起吊方式上进行详细的阐述。在特定工况模式下，需详细分析设计。盾构开挖直径，地质结构，管片布置形式，运输控制要求，成本要求和安全性等要求，对具体的吊运技术选择，均有不同影响。在设计过程中，需与实际工况要求、管片型式、后配套拖车设计接口、拼装机设计接口以及出渣系统设计接口相关联。