冯朋东 冯月珠
中国电建市政建设集团有限公司
摘要：在地铁施工中经常遇到盾构过站的情形，由于盾构机重量大、用现有的过站方式效率较低。本文设计了一种驱动轮，将其安装在盾构机或接收套筒的底部，通过对液压马达的控制，即可实现盾构快速过站。
关键词：盾构过站、行星减速、液压马达、驱动轮
用于地铁建设施工的盾构机“个大体重”，设备的吊进、吊出、拼装、拆卸十分繁杂，并具有一定的安全风险，所以当两个盾构施工区间有一个车站，且盾构机在前一个区间掘进完成后需要向下一个区间掘进时，大多数施工单位选择通过车站的形式。
1现有盾构过站
1.1过站形式
盾构过站是把盾构机从地铁站的一端移动到另一端。受空间及具体条件的限制，过站没有统一的形式，有的和接收套筒一起过站；有的和接收架一起过；有的只是盾体过站。过站方法也各不相同，有的是铺钢板、摸油脂，用油缸顶进；有的是在轨道上摸油脂顶进；还有的是“步进式”——用油缸将盾构顶起，由一水平油缸将盾构下的滑轨前推，再放下盾构，用水平油缸将盾构在滑轨上向前推进，之后再进行下一循环。
1.2不足之处
现有盾构过站总体来说效率不高，倘若要过一百多米长的车站，少则半月，多则月余，大好的黄金施工期全耽误在这里。之所以慢，是因为盾构推进系统是盾构机前进的唯一动力，盾构机本身没有行走驱动。假如在盾构机的四个角底装上驱动轮，除去移出接收井及始发就位的时间，只考虑在底板上行走，用时会很短。
2驱动轮
2.1结构选用原因
车站内部空间相对狭小，就直径6280mm的盾构机来说，盾构外边线的垂直切线与底板之间的空间可以平放一个边长920mm正方体，如图2-1。
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图2-1 安装空间示意图
因行星减速机为圆形，具有结构紧凑、体积小、传动比大的特点，设置在驱动轮的内部比较容易、节省空间。本文采用行星减速的形式，考虑到盾构机重量大，所需驱动力也大，故采用二级减速。由行星架输出动力与支承盾构机重力，减速机与滚轮连成一体，为保证较好的受力方式，将支撑点设置在行星架中间位置，如图2-2。
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图2-2 原理图
选用双向液压马达驱动，液压马达安装简单、操作方便。其外配液压泵站不受安装条件的限制，只要管路相连，传动便能实现，也容易实现从零开始的无级变速。
制动：盾构过站时，一定要控制行走速度，每分钟能移动几厘米就很快了。控制驱动液压马达采用三位四通阀，分正转、反转和停止位，在停止位时操纵阀切断了驱动马达的进油、出油回路，即驱动马达处于停转状态，也能起到停车的作用。此机构不再另设制动器。为了安全，现场可准备一些楔形木方应急。
2.2结构组成
本装置主要由驱动马达、一级减速太阳轮、一级减速行星轮、一级减速齿圈、二级减速太阳轮、二级减速行星轮、二级减速齿圈、滚轮、油缸支座、轴承组成，如图2-3。
驱动力的传递方式为：驱动马达→一级减速太阳轮→一级减速行星架→二级减速太阳轮→二级减速行星架（滚轮）。
本装置将一级、二级行星减速机设置在行走轮内，二级行星减速机的行星架作为动力输出部分与驱动轮的外圆连为一体形成滚轮，它是驱动轮的重要承重结构。右侧为第一级减速，一级太阳轮由选用的双向液压马达驱动，一级输出动力的行星架通过二级减速行星架中间的花键将动力传输给二级减速太阳轮，动力由二级减速机的行星架输出，驱动得以实现。齿圈为减速机中的固定部分，与滚轮的周圈设置滚针轴承，以便支承重力及减少相对转动时的阻力。由两块钢板焊接而成的油缸支座分别与一、二级减速齿圈相连，将油缸安装在油缸支座上，油缸缸体与油缸支座焊接，缸杆焊接在盾构机上，盾构机的重力经驱动轮油缸支座传给一、二级减速机的齿圈，这是也一个重要的承力结构。
2.3原理分析：
例如某地铁施工区所用的盾构机，刀盘重50多吨、前盾120多吨、加上中盾、尾盾、拼装机、螺旋机等，总重将近300吨。保守计算，过站盾构的重量取300t；1kg=9.8N，取10N。
当盾构机的四个角底全部安装驱动轮并由驱动轮与底板接触时，驱动力≥滚动阻力即可令盾构机行走。
滚动阻力系数：钢与钢之间为0.5mm
钢与混凝土之间为0.5-1mm，取1mm
那么所需驱动力为：300t×1mm=300×10000×0.001N?m=3000N?m
考虑到实际操作时可能有驱动轮受力不好的情况发生，四个轮中按两个轮驱动分摊算（即增大了驱动力两倍的保险系数），两轮各需的驱动力为1500N?m。
取驱动扭矩较为折中75N?m的液压驱动马达，，则1500N?m/75N?m=20，传动比为20:1。
由液压驱动马达到最终滚动轮的转动，经过了两级行星减速，传动比达到20:1很容易实现，则选用扭矩75N?m液压驱动马达即可。
液压马达的转速是由供油量决定的，通过操纵阀门来实现行走速度从零到一定数值的变化是完全可以实现的。
选定液压马达之后，再确定连接花键、齿轮模数、轴承型号等，一直到最后完全定好每一个零件的尺寸。
2.4安装要求
驱动轮的油缸支座是由两块与减速机齿圈相连的钢板和两块水平的钢板焊接而成。上层钢板中间留一圆孔，直径与顶升油缸的直径相符，下层钢板对应位置设一圆槽，顶升油缸放置在钢板圆槽中，并将油缸的缸体焊接在钢板上。盾构机或接收钢套筒通过焊接临时支座与油缸杆相连，垂直的固定在一起，且不可转动。在需要过站时，顶升油缸伸长，盾构机上升，驱动轮触地，尽而由四个驱动轮支承整个盾体，通过对液压马达的控制即可行走。
由于液压油缸的活塞杆和缸体是圆柱，可以相对转动，为防止行走时驱动轮自由改变方向，需要采取一些措施。可以在油缸支座上根据实际需要焊接竖直钢板，在盾体相应的位置焊接一块竖直钢板，将再用一个钢板夹将二者套在一起，从而改变盾构的行走方向。
3结语
本文设计出一种盾构过站驱动轮，将其安装在盾构机或接收套筒的底部，通过对液压马达的控制，即可实现盾构快速过站，如若是安装四对以上，通过油缸的伸缩便可实现跨台阶的移动。此装置造价经济、操作方便、节省工期，对现场实际施工不无借鉴意义。