1 引言
21世纪是地下空间世纪，随着国民经济的快速发展，我国城市化进程的不断加快，人们对公共交通要求的不断提高，国内的城市地铁隧道、铁路隧道、公路隧道、市政管道隧道、水工隧道等隧道需求不断加大。地下隧道建设以其高效性、技术性、安全性及可维护性正得到地铁建设部门和使用部门的日益重视。目前，地下隧道的施工方法有明挖法、钻爆法、盾构法等。近年来，盾构施工以其对地面和地下环境影响小、掘进速度快、地表沉降小等特点，被广泛应用于地下隧道建设。盾构施工中采用预制混凝土管片支护的方法，该方法快速、高效、机械化程度高、对环境影响小，能有力地保证隧道的施工质量。采用盾构法施工的隧道，其一般呈圆形，直径可达4～15 m，预制混凝土管片按隧道工作面的形状和大小预制成圆弧形，并衬砌在隧道的内壁，起到支护隧道的重要作用。因此对管片提出了较高的要求，如要求管片弧面密实、光滑平整、边棱完整无缺，以提高管片的高渗性能，减少盾构施工中对盾尾刷的磨损。一般来说，小型盾构(7 m以下的盾构)管片吊机通常采用机械抓取式吊具，大型盾构(7 m以上的盾构)管片吊机吊具通常采用真空吸盘。
2 混凝土管片的结构特点及大型盾构管片吊机对真空吸盘的要求
以9 m盾构为例，隧道用混凝土管片成圆弧环形，其表面光滑圆整尺寸精度高，如图1所示，管片外弧弦长3 732 mm，外径9 000 mm、内径8 100 mm，宽度1 800 mm，管片重量约为7 t。采用该种混凝土管片对隧道进行支护具有施工速度快，衬砌质量高，对环境影响小等优点。在盾构法隧道施工中，这种管片经严格控制制造运输等过程质量后，作为成品直接拼装到隧道中，具有高强度、高精度、高质量，高抗渗性能和较高的外观质量等一系列优点，同时能对隧道的长期稳定和安全运行起到至关重要的作用。
图1 外径9 000 mm混凝土管片结构
大型盾构管片吊机通常采用真空吸盘抓取管片，要求真空吸盘对管片的吸附安全可靠，并在意外断电情况下30 min内不得掉落;要求真空吸盘在真空压力不够或真空吸盘未与管片接触时管片起吊被锁定，不能起吊。同时对管片的内表面的表面质量也提出了更高的高要求，以提高真空吸盘气密性及密封条的使用受命。
3 大型盾构管片吊机真空吸盘的工作原理及相关参数确定
3.1 工作原理
大型盾构管片吊运真空吸盘由真空系统(包括真空泵、真空压力表、真空过滤器、真空电磁阀、真空蓄能器、真空压力传感器、真空单向阀)、吸盘体、法兰盘、位置检测机构等组成。工作时管片吊运真空吸盘通过法兰盘与相应起重设备相联，并依靠自重使真空吸盘密封条紧贴在混凝土管片的内弧面上，真空泵在电机的驱动下通过真空单向阀抽取真空蓄能器(集气箱)内的空气，使其产生大于或等于80%真空度，由于真空吸盘内腔与大气隔绝，当操作吸取管片开关时，真空吸盘内腔通过真空电磁阀与真空蓄能器(集气箱)内真空连通，依靠真空蓄能器(集气箱)内真空与大气压之负差，即可吸吊管片。此时真空吸盘起到一个管片吊具的作用(见图2)。
3.2 真空吸盘相关参数的确定
3.2.1 真空度及真空泵型号的确定
所谓“真空”，是指在给定空间内的气体压强低于环境大气压的稀薄气体状态，真空吸吊机在工作时，其吸盘腔内的气压处于“真空”状态，真空状态的程度用真空度百分数表示，真空度百分数越高，表明吸盘腔内的压强越低，即吸盘吸附物体的能力越大［1］。根据混凝土管片的形状、特点及质量，如果系统的真空度比较高，吸吊的安全系数也较高。根据盾构施工的安全性要求，按经验选取真空度百分数≥80%。此时吸盘内腔的压强≤20 000 Pa。
图2 真空吸盘原理
按选取的真空度，同时考虑管片的形状特点，采用旋片式真空泵，其名义抽速≥100 m3/h。
3.2.2 真空吸盘的吸附面积及密闭腔的数量
按选取的真空度和混凝土管片的重量计算吸附面积。管片重量G=70 000 N，真空度百分数80%，此时吸盘内腔的压强为P真=20 000 Pa。设所需的吸附面为S(m2)，大气压强为P大=100 000 Pa，如要使管片吸附不下掉，根据受力分析需满足如下条件:
将参数代入，则S≥0.875 m2。
考虑到实际吸吊时的气体泄漏及断电保压等因素，应取较大的吸附面积安全系数，一般可取2.5～3［1］，由此吸盘实际所需的面积大于或等于2.8×0.875 m2，即2.45 m2。大型盾构管片吊运真空吸盘设计中由于管片内表面面积大，通常安全系数取大于3。在正常工作状态时选用真空泵可维持真空度百分数在95%～98%。
根据盾构管片的分块形式，通常K块(楔形块)较小，真空吸盘密封腔分为3个，中间密封腔面积的大小需要满足K块的吸吊能力。
3.2.3 集气箱(真空蓄能器)的容积
由于真空吸盘吸吊的管片质量要求较高，质量较大，所以真空系统的气体负荷较大，为此设置了一个集气箱(真空蓄能器)。集气箱一般直接设计在吸盘上，集气箱的容积大小与真空吸盘断电保压时间的长短及真空吸盘的漏气率有关，其中漏气率与管片内表面质量及真空吸盘密封条质量有关。根据经验真空吸盘断电保压时间为30 min时，一般集气箱的容积应为吸盘容积量的20倍以上。真空吸盘工作时，吸盘上的密封条会发生变形，经试验当真空度为80%时，变形后吸盘腔内的高度为10 mm，据此，可计算出集气箱的容积，并考虑安全系数大于3，确定集气箱的容积。
4 大型盾构管片吊机真空吸盘的结构及安全性
4.1 真空吸盘的结构
根据混凝土管片的特点，大型盾构管片吊机真空吸盘主要由真空系统、吸盘体及柱塞式接近开关组成，具体结构如图3所示。真空系统是真空吸盘的核心，主要由各真空元件(包括真空泵、真空压力表、真空过滤器、真空电磁阀、管路、真空压力传感器、真空单向阀)连接而成，以获得满足要求的真空度。考虑到被吸管片的表面质量，采用旋片式真空泵。柱塞式接近开关是检测管片是否被吸紧的安全保护装置。真空吸盘(相当于管片吊具)通过法兰盘与旋转起吊机构相连，再与动力系统一起组成管片吊机。
图3 真空吸盘结构
4.2 大型盾构管片吊机真空吸盘的安全性
大型盾构管片吊机承担在盾构内的管片转运，作业空间小，运行速度快，因此要求真空吸盘吸吊管片快速、安全可靠。管片吊机由人工通过一个悬挂的操作板操作。
设计通过以下几个方面来确保真空吸盘吸吊管片的安全性。
4.2.1 真空单向阀
作业过程中，防止意外断电工况下，空气回流，真空度下降，吸盘吸力不足，管片脱落。
4.2.2 真空电磁阀
真空电磁阀除了有换向功能外还需具备断电复位功能，能够确保在意外断电工况下，集气箱(真空蓄能器)与吸盘相连通，维持吸盘的真空度。
4.2.3 真空过滤器
隧道内空气质量比较差，真空过滤器主要过滤空气中灰尘、颗粒及水分，对真空元器件进行保护，增加系统的可靠性，防止误动作，提高安全性。
4.2.4 真空压力传感器
真空压力传感器，可连续检测吸盘内的真空度，并把压力值传给PLC，通过PLC实现互锁及报警功能。起吊管片时，当真空度小于80%时，不允许起吊;卸载管片时，当真空度大于30%时，不允许松开管片;当真空度小于75%时，吊机发出报警。
4.2.5 柱塞式接近开关
柱塞式接近开关安装在吸盘体上，可以在吸吊管片之前识别在吸盘体下的管片。当吸盘体与管片接触不到位，柱塞式接近开关把开关无信号传给PLC，不允许吸吊管片;当吸盘体与管片接触到位，相关柱塞式接近开关激活后把信号传给PLC，才允许管片吸吊。
4.2.6 操作板
操作板上设置双按钮控制释放管片，防止误操作。
4.2.7 保压测试
真空吸盘在盾构现场验收时，需进行保压测试，吸吊管片后，断电30 min，管片不得脱落。
5 大型盾构管片吊机真空吸盘的操作注意事项
为了保证设备的安全性，大型盾构管片吊机真空吸盘现场操作时需要注意如下事项:
(1)没有经过培训的人员不得操作管片吊机。
(2)真空压力传感器不得擅自进行调整。
(3)必须配备应急发电机，以便断电时把管片送到安全位置。
(4)吸吊前管片内表面必须保持清洁干燥。
(5)在吊运管片时，不允许有人员在管片下方停留。
(6)每天对密封条的磨损情况进行检查，磨损了及时进行更换。
6 结论
(1)混凝土管片作为一种高效可靠的隧道支护材料在盾构施工中得到了广泛使用，盾构内管片转运需要采用专用吊具。
(2)大型盾构管片吊机使用真空吸盘吸吊管片技术正在得到推广。
(3)大型盾构管片吊机真空吸盘的工作原理适用于各种大型真空吊具的设计。
(4)目前盾构上使用的真空吸盘大都是国外进口，价格昂贵，研制盾构用真空吸盘有广阔的市场前景。
