大型盾构管片吊机真空吸盘的研究及应用

　　阐述了隧道施工用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，并着重讨论了盾构管片吊机真空吸盘的工作原理及相关技术参数的确定。同时介绍了大型盾构管片吊机真空吸盘的结构组成、安全性及操作注意事项。

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。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为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度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。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。