土压平衡顶管施工方法(共4篇)
土压平衡顶管施工方法 篇1
1 改进后的机械顶管工艺流程
顶管工艺流程的确定对施工过程控制有着重要的指导意义, 现改进后的顶管工程中, 是在以往机械顶管工程的基础上对机械顶管工艺流程进行了优化, 形成了更科学合理的机械顶管工艺流程, 使施工各道工序衔接更加紧凑;工作效率得到提高。
2 注浆减摩控制技术
在顶管顶进施工时, 随着管节顶进长度的增加, 顶推力也在不断增加, 目前施工中主要采用膨润土触变泥浆来降低摩擦系数的大小, 其主要作用有以下两个方面:润滑作用、填充和支撑作用。
1) 基本要求。顶进管道与地层之间要保证一定的环状间隙, 一般不应小于20mm;对于较坚硬的土层, 一般要求的间隙更大, 甚至达到30mm, 这样在顶进管到外周才能形成一个比较完整连续的润滑膜, 才能保证减摩效果。
2) 注浆管理
(1) 控制注浆时间、压力: (1) 控制好每次顶进的注浆时间。遵循“边顶边注”的原则, 严格控制每次注浆时间不超过3min。 (通过时间继电器来实现) ; (2) 控制好注浆压力。为了保证浆液的连续性和注浆压力, 在施工中将双活塞定量泥浆泵变为三活塞变量注浆泵。
(2) 施工注浆管理要求: (1) 遵循“同步注浆与补浆相结合”和“先注后顶、随顶随注、及时补浆”的注浆原则; (2) 做好管道进洞的注浆工作, 避免产生干摩擦; (3) 合理布设注浆孔以及注浆管的间距; (4) 采用全段注浆和分段注浆相结合的方式。中继间未启动时, 采用全段注浆。中继间启动后, 注浆重点为每次顶推的区间, 其余各段则保持不动; (5) 顶进过程注浆时, 注浆的方向从后向前进行, 防止阻滞现象的发生。
3 中继间技术
在长距离、大管径顶管施工中, 如果仅仅依靠主顶泵站提供顶力, 顶进距离就会受到限制。中继间技术是解决长距离顶管施工顶推力过大的最有效的措施之一, 它的出现使长距离顶管成为可能, 施工安全性能得到提高和保证。
1) 中继间组成。中继间由前壳体、后壳体和均压环、密封环、油缸固定架组成。
2) 中继间设置原则。 (1) 中继间产生的最大顶力不能超过混凝土管材的允许顶力; (2) 布设中继间时必须考虑对其所能提供的设计顶力预留足够的安全系数和地层条件。可以根据以下经验数据确定中继间的布设位置:第一中继间位置一般按照中继间所能提供设计顶力的60%计算;其他中继间按照中继间所能提供设计顶力的80%计算。
4 土压平衡控制管理技术
顶管施工, 尤其是土压平衡顶管施工中, 核心就是保持顶管机前仓的土压平衡, 减少施工过程中的地层损失和地面沉降。
1) 土压平衡管理原理。土压平衡式顶管属于封闭式顶管, 顶管推进时前端刀盘旋转切削地层, 切削下来的土体进入土仓。当切削土体充满土仓时, 在顶力作用下, 致使切削土体对开挖面加压。当该加压压力与地层的土压、水压相等, 且螺旋出土机的出土 (泥) 量与刀盘的切削量相等时的这种状态称之为土压平衡。在土压平衡式顶管施工中, 保持合适的土压, 对于地层稳定、顶进安全以及顶进质量都具有非常重要的意义;
2) 土压力的控制管理。如螺旋输送机的排土量不变, 则顶进速度与土压力成正比。因此, 要保持机舱内控制土压力不变, 就必须把顶进速度调节在一个合适的范围之内。当初始顶进时, 须反复进行试验, 只有当初始顶进比较正常了。一般情况下, 当排土量达到进尺空间土质量的95%~100%时, 都视为正常。
5 纠偏控制管理技术
在顶管施工过程中, 由于地层条件等各种情况的综合影响, 顶管机受到的作用力不断在发生变化, 同时由于顶管机内部设备布置的原因, 都会造成顶管机在顶进过程中偏离设计轴线和高程的问题。因此为了保证顶管施工质量, 需要不断对顶管机实施纠偏作业。纠偏是指顶管机或管道偏移设计轴线, 利用顶管机的纠偏装置或其它措施, 改变或修正顶进方向, 减少偏差, 使管道按照设计轴线顶进。
1) 纠偏方法: (1) 小角度纠偏。根据顶管工程实践, 每次纠偏角度不大于0.5°; (2) 纠偏过程应保持平稳, 不能大起大落; (3) 利用测量成果, 绘制管道走势图, 提前预判顶管机的走势。一般在机械顶管施工中, 使用液压纠偏油缸作为纠偏装置。土压平衡机械顶管施工具有保护环境、施工速度快、受天气影响小、适合西北地区的地质条件等优点, 在西北地区具有良好的社会经济效益, 是今后给排水管道发展的方向, 是构建资源节约型社会和循环型经济的重要举措。
参考文献
[1]给水排水管道工程施工及验收规范 (GB50268-2008) .
[2]工程测量规范 (GB50026一2007) .
[3]葛金科, 沈水龙, 许烨霜编著.现代顶管施工技术及工程实例[M].中国建筑工业出版社.
土压平衡顶管施工技术的应用探讨 篇2
某水源管道工程采用ϕ2 648×24 mm钢管, 材质Q235B, 单管长度为6m, 质量10.18 t。钢管采用手工电弧焊连接, 焊条采用E4303。焊缝现场100%超声波检测, Ⅲ级焊缝。钢管外防腐采用环氧玻璃钢, 厚度大于3 mm。钢管覆土5.5 m, 穿越长度52 m。
钻探资料显示, 管道所处土层为粉土, 密度适中, 土壤含水率25%左右, 稳定水位2.5 m, 初见水位1.5 m, 标准冻土深度0.6 m。根据调档查阅资料及现场踏勘, 该土层地下市政设施多且复杂, 管线摆放空间狭窄, 地上空间限制多, 交通压力大, 决定采用土压平衡顶管掘进技术进行施工。
2 技术措施及效果分析
2.1 减阻措施
2.1.1 玻璃钢外防腐上涂抹石蜡
钢管外防腐直接与土层接触, 外防腐的好坏对顶管产生的摩擦阻力影响很大。选择粗糙度较小的材料进行管道外防腐, 是减小摩擦阻力的重要手段。环氧树脂玻璃钢防腐层粗糙度只有0.01 mm~0.05 mm, 且耐磨性、绝缘性、附着力等指标均满足顶管工程的要求, 故成为顶管管材外防腐的首选。同时在玻璃钢外防腐上涂抹润滑剂石蜡, 也可以减小管材与土壤的摩擦阻力。
2.1.2 触变泥浆减阻
触变泥浆的主要成分是膨润土。膨润土种类繁多, 为加强膨润土的膨润效果, 本工程采用了造浆率较高的钠基膨润土。它是在天然钙基膨润土中加入纯碱, 经研磨加工制成, 膨胀率12%~18%, 配比为膨润土:水=1∶8, 并加入适量CMC (粉末化学浆糊) 和纯碱作为增粘剂和润滑剂, 密度为1.15 g/cm3。
2.1.3 顶管掘进机制作时机头直径大于钢管外径
本工程注浆采用移动式注浆, 即利用注浆泵把储浆池中的触变泥浆通过安装在钢管内部的注浆管道输送至顶管的前部, 在管材周围形成均匀的浆套, 使管材与土壤的湿润摩擦变为管材与触变泥浆的液体摩擦, 从而大大减小顶管外壁的摩擦阻力。因此在掘进机制作时机头外径比管材外径多出6 mm, 既减小了管材外壁与土壤的摩擦阻力, 又利于触变泥浆在管材外围形成3 mm厚的浆套, 从而大大提高了触变泥浆的减阻作用。
以上减阻措施的应用取得了预期效果。原计划顶进52 m, 总顶力7 060 kN (此总顶力为减阻后顶力) , 因拆迁未到位等原因实际顶进58m, 主顶油缸平均顶力7 020 kN, 与计算顶力较为接近。
2.2 纠偏措施
本工程纠偏系统由4只纠偏油缸组成, 分布在距管道垂直中心线左右各45°角位置上, 根据掘进机中激光测量系统提供的数据纠偏。油缸直径100 mm, 顶力500 kN/个, 行程50 mm。顶进过程中激光经纬仪自始至终进行跟踪测量, 纠偏系统随时根据激光点的左右上下位置进行纠偏。采取慢顶勤测勤纠的方法进行控制。当高程及中心线均出现偏差时, 要先纠高程偏差, 后纠中心线偏差。
施工组织设计允许偏差:①过程中中心线偏差10 cm, 高程偏差正负10 cm;②出洞时中心线偏差50 mm, 高程偏差正40 mm负50 mm。实际结果:中心线偏差负150 mm, 高程偏差负250 mm。纠偏效果不理想, 且机头出洞时沿顺时针方向旋转了90°。分析原因如下:
(1) 顶管管材口径较大, 顶管长度较短。口径较大造成钢管弯曲曲率半径较大, 纠偏需要较长距离才能达到预期效果, 而顶管长度较短也限制了纠偏功能的发挥, 这是纠偏效果不理想的主要原因。
(2) 顶管管材为钢管且单节管长较长。钢管管材接口为刚性接口, 为纠偏增加了难度, 同时管节6m的长度也使纠偏油缸动作难度加大。
(3) 顶管掘进机机头太重, 这是造成中心线向下偏移的主要原因。顶管掘进机机头重20余t, 且机头前部由于刀盘、纠偏油缸、封闭工具管, 各种信号电缆等设施配备较集中, 形成前重后轻的布局, 造成机头刃进土层后由于重力原因下扎, 从而引起钢管中心线向下偏移。
(4) 由于减阻措施效果较好, 助盘旋转扭矩较大, 因此带动管材旋转。
2.3 控水措施
本工程采用多层次降水结构, 主要有大口井降水、深层水泥搅拌桩蔽水、止水墙与止水圈止水、工作坑设泵抽水等四项控水措施。具体做法如下:
(1) 主顶工作井周边打6口ϕ500 mm大口井, 副工作井周边打4口ϕ500 mm大口井, 井深15 m, 井内设泵昼夜抽水。利用井点降水的漏斗效应及多口井点降水的叠加效应, 使主副工作井周围的地下水位始终保持在工作井底板之下, 形成工作井内的干槽作业环境。
(2) 工字钢桩外侧打一圈深层水泥搅拌桩, 桩径600 mm, 长15 m, 含灰量15%, 桩与桩之间叠加200 mm, 洞口部位不喷灰。它可有效防止地下水穿透工字钢桩向工作井渗透, 起到蔽水作用。
(3) 洞口处浇筑C30混凝土止水墙一道, 止水墙厚度0.3 m。止水墙内预埋螺栓, 连接特制的双层止水圈, 双层止水圈含胶量大于50%, 止水墙、止水圈中心线与管中心线一致。因为顶管的进行是动态过程, 如洞口处封闭不严, 很有可能造成洞口上方土层塌陷、坠落, 所以止水墙既有止水作用, 又有防止洞口处土层塌陷的作用。止水圈密封更好, 它可与管材紧紧挤在一起, 防止地下水及触变泥浆回流至工作井。
(4) 工作井底板四周设0.3 m×0.3 m排水沟, 1%坡向集水井。井内设泵昼夜抽水, 使渗入工作井的地下水及时被抽走, 保证底板干槽作业。
实际作业中, 大口井昼夜抽水, 井内水位始终保持在地面以下11 m~12 m;降水后开挖工作坑, 坑内作业环境较好;止水圈处未见地下水及触变泥浆, 止水效果较好;工作井内始终比较干燥, 坑内排水沟有少量水, 通过排水泵排除, 水泥搅拌桩发挥了蔽水作用。以上控水措施得当, 控水层次分明, 有针对性, 效果非常理想。
2.4 后背加固措施
完善的控水措施弥补了工字钢桩不蔽水、惧流沙的缺点, 故本工程工作井采用工字钢桩作为承力结构, 具体做法如下:后背采用40#工字钢桩竖排密打, 其他三侧采用40#工字钢桩横排咬打, 桩长12 m。工作井共设上、中、下三道矩形支架, 四角加焊三角支撑, 中间加设两道ϕ300 mm钢管横撑。为满足后背承力要求, 后背处横向码放32井工字钢, 码放高度2.5 m, 宽5.5 m, 工字钢之间点焊牢固, 连为一体。然后立一块5.5 m×2.5 m×0.02 m钢板, 钢板后摆放4 m×2.5 m×0.3 m钢制后背铁。这样既保证了足够的强度与刚度, 防止后背发生位移, 又保证了后背与主顶油缸的垂直度及力的传递效果。经土工和力学计算, 总顶力7 060 kN, 后背承载力8 050 kN, 承载力大于顶力, 后背安全。
实际作业中, 最大顶力7 520 kN, 接近后背承载力。经监测, 顶进时后背最大位移10 mm, 已接近极限。以上事实说明设计后背承载力偏小, 风险较大, 应加大安全系数。笔者认为, 一般后背承载力不应简单大于总顶力, 而至少应为总顶力的1.3倍才算安全。
3 结束语
(1) 顶进机头旋转会影响机头内各项仪器设备的使用、操作。建议今后顶管前, 在机头上焊接导向钢板, 以解决这一问题。
(2) 顶管工程依靠单一的纠偏装置并不完善, 还要辅以其他的技术措施, 如在顶进机头后面的钢管上设置配重块、顶管导轨采取小角度上扬等措施, 才能取得较好的效果。
(3) 减阻措施可有效降低摩阻, 减轻顶管后背压力, 直接影响顶进设备配置及后背结梅形式设计, 对于降低顶管工程造价具有重要意义。
(4) 顶管掘进机机头重量布局应合理, 并尽量减轻机头重量, 以缓解土压平衡顶管掘进技术中心线普遍向下偏移的问题。
(5) 粉质土层中, 工字钢桩结构辅以充分合理的控水措施符合顶管工程工作井的施工特点及技术要求, 该措施技术成熟, 造价合理, 值得在今后的工程中推广。 [ID:3717]
摘要:本文介绍了土压平衡顶管技术中减阻、纠偏、控水和后背加固等技术措施的应用情况及实际效果, 提出了解决问题的方法和建议。
土压平衡顶管施工方法 篇3
随着我国社会经济的高速发展、城市化进程的加快,顶管施工技术在开拓城市建设方面,由于其对周围环境影响较小,适应软弱的地质条件及施工速度快等优点,顶管机在城市地下隧道工程得到广泛应用。非开挖埋设地下管道的顶管施工技术,适用于最大可埋设5 600~54 000 mm的地下管道,它具有环保、施工文明、造价合理的特点,尤其是在穿越城市道路及江河的管道工程中应用尤为普遍[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。
以郑州市南三环东延线南台路至107辅道高压线路改造工程为例,结合参考文献[11,12,13,14,15]中在软土地区土压平衡隧道施工,对沿线道路、地表建筑沉降规律的经验分析及有关规范,诸如《南水北调东干渠某标段土压平衡盾构施工参数优化研究》、《软土地区深埋盾构开挖对土体扰动特性的影响研究》等,阐述了DN3500土压平衡顶管机曲线隧道施工技术,及在城市地下工程中的应用,其隧道项目位于郑州市东南郊,沿线地形起伏较小,相对高差3.0~6.0 m,线路沿线地貌为发育巨厚的第四系松散堆积物,钻孔揭露深度范围内,地层岩性以粉质黏土、粉土及粉细砂为主,属黄河冲积平原,地形平坦开阔,多有风成沙丘分布,沙丘地面以上高度一般3~5m。勘区内有潮河、七里河流过,隧道全长约3.785km,其中顶管法施工长度3.431 km,明挖法施工长度0.354 km。该工程是大直径、长距离曲线顶管项目,顶管管节采用F型预制钢筋混凝土管,管道内径3.5 m,外径4.14 m。沿线设置竖井10座,其中9座为综合井,1座为接线井。其中1—2号井线路长度471.76 m;2—3号井线路长度498.47 m。均为曲线顶管,曲线半径为1 500 m,坡度为0.316%~0.300%,顶管机由2号工作井分别向1号、3号综合井顶进。通过实测数据技术分析研究,选用平衡性好,对周围土体扰动小,易于操作的DN3500土压平衡顶管机进行掘进作业。
1 施工原理及结构
DN3500土压平衡顶管机,采用TP式大刀盘旋转,顶进油缸推动顶管机前进切削土体,切削下的泥土进入密封的储土仓和螺旋输送机被挤压,形成一定的土压力来平衡顶管机所处土层中的土压力1P和地下水压力2P,同时采用螺旋输送机排出土量的多少或控制顶管机的前进速度,使土压力与切削面前方的静止土压力和地下水压力保持平衡。土仓内的土压力值P控制在10~20 k Pa,保证开挖面的稳定,防止地面的沉降或隆起,避免破坏周围环境。借助油缸的推力,把顶管机及跟随其后的管子从工作坑一节一节地顶进,至顶管机进接收坑的一种非开挖敷设地下管道的施工工艺。
DN3500土压平衡顶管机,其结构如图1所示,主要由切削搅拌系统、壳体系统、动力系统、测量系统、螺旋输送系统、液压系统、电气系统共七大系统组成。
顶管机技术参数:顶管机外径4 160 mm;刀盘转矩2 250 k N·m;刀盘驱动电机37 k W×7;纠偏油缸200 t×8;最大推进速度30 mm/min;顶管机质量为80 000 kg;顶管机总长为6 000 mm;刀盘转速1.1r/min(变频);纠偏泵站电机5.5 k W;最大纠偏角度3°;螺旋输送机直径为500 mm。
2 施工方案设计
顶管施工前,首先测量引点,然后工作井施工,逐次测量放样;井下导轨机架、液压系统、止水圈等设备安装,地面辅助设施安装,顶管掘进机吊装就位,激光经纬仪安装,掘进机出工作坑,正常顶进,顶管机进接收坑,顶管施工结束。
(1)土压平衡顶管机采用激光导向控制系统,通过在后顶观察台架设的J2-JDE型激光经纬仪发出的光束,射到顶管机内的定位激光靶上,影像被机内摄像机捕捉到传至顶管挖掘系统的电脑内,操作者根据测绘数值,远控操作顶管机内置油缸进行伸缩,调整纠偏切削头部上下左右的偏差,及整个管道水平或垂直方向的调整,偏离精度控制在3 cm内。
(2)根据图纸设计利用Auto CAD专用软件将设计顶管轴线及综合井坐标绘图,利用全站仪对轴线实地放样。对施工隧道两端工作井坐标进行连测,保持坐标精准度一致,采用全站仪、棱镜三角法测量,解析出机头中心坐标,将坐标点输入至Auto CAD上与设计轴线坐标进行校对,确定其相对偏差,利用三角高程及水准测量方法来测量机头高低偏差,调整机头顶进姿态。
(3)根据轴线坐标在地面对顶管轴线进行放样,每隔15 m左右在地面放1个监测点,依据放样点对轴线周围的地下管线、建(构)筑物进行测量,及时与管线产权单位联系,采取有效的安全措施。在顶管横向穿越的街道埋设观测点,根据地测参数、土压,及时调整顶进参量控制好速度,确保不引起地面大范围沉降或隆起,使顶管机安全穿越。
(4)DN3500土压平衡顶管机,沉降控制精度高、掘进快、便于操作维护,安全可靠。该机全断面切削,其切削搅拌面积可达全断面的100%,设计单刀切削搅拌刀盘突出机头表面,在切削过程中机头前方形成空隙,减少了迎面阻力,切削搅拌转矩可自行平衡,掘进中机体不容易偏转。
(5)施工中选择优质的泥浆材料,钠基质膨润土注入管道外侧,形成泥浆润滑套,有效的降低顶进阻力,控制好顶管推进力。
(6)曲线顶管,每个管节处将形成一个管外最大开口间隙S1和管内最小开口间隙S2。为防止间隙S1偏大,发生渗漏、密封失效,把单层密封橡胶圈普通混凝土管,设计为2道楔形密封橡胶圈钢筋混凝土管,其破坏荷载为15 000 k N/节,使用年限为100年,经技术质量验证符合公路加宽承载要求。
3 土压平衡顶管机的施工应用
3.1 施工步骤
顶管机在工作井内安装、调试完毕后,主顶油缸开始向前推进顶管机。掘进机头进入止水圈内接近工作面土层时,启动切削旋转刀盘,同时推进油缸开始挖掘作业,切削下的土质、石块等有转动刀盘带进土仓内挤压,通过螺旋输送机、泥浆泵站输送至地面泥水分离系统,装车运离工地。顶管机完全进入土层以后,在工作井内吊装第1节顶进管,推到尾套处与掘进头连接管一同顶进至设定位置,挖掘循环终止,然后慢慢收回推进油缸到设定位置,接着吊装第2节顶进管,前端插进第1节顶进管尾套内连接好后重复挖掘顶进作业,循环往复逐个推进直至顶管结束。
3.2 施工难点及措施
顶管施工时,曲线管道顶进中激光指向不能通视,管道内无法布置永久导线点,只有利用每节管段顶进结束时,进行人工延测校核,测量繁琐紧张且难度大。
施工管线长,顶进摩擦力对顶进阻力影响比较大,采用注泥浆减少摩擦力的办法,降低顶进阻力。
穿越市政道路时,曲线顶管要加强纠偏校准顶向工作及所穿区域地表沉降监测的管理。
3.3 安全施工措施
(1)施工前向社会发布公告及宣传条幅、标志、标语等,提示过往车辆谨慎慢行。在施工区段的上下游外200 m处,分别设置“前方施工、减速慢行”的橘黄色标志及LED夜间警示标志,减少过往车辆对路基的扰动。
(2)加强顶管施工人员的安全教育及顶管机的检查保养工作。工程技术人员要勤检勤测,绘制轨迹信息图,建立顶进测量数据档案,做好技术指导及时调整方案。
(3)按设计要求加强管材制作的规格与质量管理,使管材外表光滑平整,管口圆顺,圆度、壁厚符合要求,并作好防腐处理。
(4)顶管后背,按设计的最大顶力进行稳定性验算,要有足够的强度和刚度。安装后座与顶进油缸时,严格按规范要求,水平度在3 mm内,垂直度在2 mm内;安装导轨时,严格控制导轨轴线和导轨顶面位置,轴线倾斜度与设计轴线一致,轴线位置偏差为3 mm,顶面高程偏差为0~+3 mm,两轨内距偏差为±2 mm。
(5)穿墙前,应对工具管进行检修、调试、做止水试验,完毕后拆除闷板及时顶进,防止涌水、涌泥砂而造成坍方。
(6)施工中加强测量管理,有偏即纠对小角度纠偏采取连续纠偏顶进措施,同时触变泥浆压送及管段补浆,保持泥浆充足减小推进阻力。
(7)管道内的设备和管路要布置匀称,防止管道扭转,必要时采取单边压重的方法纠扭管道;顶管机纠偏与特征段纠偏共同作用时,要注意纠偏角度的控制,既要满足施工轨迹的要求,又要防止管道的失稳。
(8)顶管施工过程中,若发现油泵压力骤增,应即时检查解决。中继环顶进阻力增大时,应根据土质条件及时优化泥浆配比补浆,降低顶进阻力,根据计算适当拉长或缩短中继环的间距,并增加或减少中继环的数目。
(9)穿越公路时,顶管区域地面要提前做好施工安全警示,备好应急物资。
4 施工效果
土压平衡顶管施工能保持地面的稳定,施工中所穿越的市政设施、管线等不再拆迁、重装,解决了城市道路因反复开挖影响交通与环境污染的难题,对复杂的城市地形和交通布局能提供经济、快速、可靠的解决方案。
顶管施工平均日顶进20~30 m,一次性连续顶进最长可达500 m,作业效率高,施工进度快,缩短了工期,降低了施工成本;工作人员在井坑内指挥吊装管段、装拆方便。总之,土压平衡顶管机在大直径曲线段的应用,为城市地下管网隧道施工提供了典范,特别是无开挖条件的地区,顶管施工的应用会越来越优越。
5 结论
(1)土压平衡顶管机适应性强,它适用于N值0~50的各种土质,也适用于无地下水渗透系数比较大的沙卵石地层;有完善的土体改良系统,适用土质范围广,施工排出的弃土可直接装车运走,不需要处理;它可在管顶距地面覆土0.8倍的管外径浅土层中施工。
(2)土压平衡顶管与同口径的泥水平衡顶管相比,附属设备少、耗电少,只需要控制好土压力P值即可,施工管理简单,操作方便、安全可靠。
土压平衡顶管施工方法 篇4
顶管施工是一种地下管道施工方法, 它不需要开挖面层, 并且能够穿越公路、铁道、河川、地下构筑物以及各种地下管线等[1]。解决了管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题, 在稳定土层和环境保护方面凸显其优势[2]。
顶管机的设计依赖于郑州下穿中州大道工程, 工程全长801.263m, 顶管段长105m, 其余为明挖结构和路面部分。工程中采用了双向二车道超大断面矩形顶管机, 在现有项目的基础上, 研究双向三车道超大断面矩形顶管隧道, 这对超大矩形断面、超浅覆土土压平衡矩形顶管综合修建技术研究具有较为深远的市场前景意义。
依托该工程研究双向三车道超大断面矩形顶管隧道, 土压平衡式矩形顶管段结构采用矩形钢筋混凝土管节。机动车道管节截面外轮廓尺寸14.7m×9.69m, 顶底板厚度为0.8m, 侧板厚度为0.8m, 全线设置隧道 (道路) 照明, 在道路出现高差时, 设置防护护栏。
与二车道隧道相比, 三车道具有以下优点[3]: (1) 增加交通容量, 减少了车辆之间的相互干扰, 明显提高了道路的通行能力; (2) 有利于减少事故发生的概率, 尤其是迎面碰撞的概率会大大降低, 安全性明显提高; (3) 提高了地下空间的利用率, 在很大程度上缩减了路面空间的使用量; (4) 提高了行车的速度, 节省时间, 缩短里程、节约燃料。
2 矩形断面顶管机设计难点
双向三车道超大矩形断面土压平衡顶管机 (14.7m×9.69m) 与目前国内已经成功施工过的最大断面 (10.12m×7.27m) 顶管机相比, 横向尺寸增大了45%, 高度尺寸增大了37%, 横断面积增大了96%。这给矩形顶管机的设计带来了以下几个问题。
1) 三车道的大断面顶管隧道, 横断面与双车道顶管隧道相比, 其跨度增大了一倍, 准确地分析矩形顶管机在施工过程中的受力是难点。
2) 为实现全断面土体切削, 如何配置刀盘、布置仿形刀的位置及确定刀具的数量是保证断面切削率的关键, 对此需要进行深入的研究。
3) 就壳体本身而言, 矩形壳体的上部受到是均布载荷的作用, 致使受到的弯矩相比于圆形薄壳体大, 故而刚度也随之下降。因此, 如何提高超宽矩形薄壳体的强度、刚度是本设计的技术难点。
4) 超大断面矩形顶管机含有多个复杂的系统, 其中各个液压子系统需要对压力、速度、位置等输出参数进行实时控制与调节, 故在顶管机中采用电液比例控制技术。
3 矩形断面顶管机关键技术研究
3.1 矩形顶管机施工时的受力机制分析
在矩形顶管顶进过程中, 管道结构在周围土体、顶进设备、地下水及其自身荷载等的共同作用下, 受力情况复杂[4], 矩形管节在土体中的作用如图1所示, 有刀具切削阻力F1、稳定地层力F2、盾构壳体由于土压力产生的摩擦阻力F3、盾尾与管节的摩擦力F4、主机和后配套自重的摩擦阻力F5、切口环贯入阻力和盾构蛇形或曲线施工时的变向阻力等。
当矩形管节作为地下过街横通道时, 管道上的作用需要附加上行人的荷载;当矩形管节作为电力隧道或者“共同沟”时, 通道内安装了电力电缆和其他种类的管, 增加了管节的负重。
3.2 刀盘及刀具的布置
该超大矩形断面顶管机的刀盘设计采用组合旋转刀盘。即采用3前3后平行轴式布置, 相邻刀盘的切削区域相互交叉, 大小刀盘可以各自控制, 同时对土体进行切削、搅拌。刀盘的开挖直径与管片的圆角外径相同, 可减少矩形区域的开挖盲区, 其开挖率可以达到90%以上[5]。
刀盘设计时采用较大的开口率, 开口率为65%, 开口部分设计为楔形结构, 利于碴土从刀盘背面的支撑臂和搅拌臂上流入到土舱。为了安全和易于操作, 所有刀具都可在刀盘后面进行更换, 刀盘的结构形式为辐条式, 每个刀盘配置1把中心刀, 5个小刀盘, 每个刀盘5个辐条, 一个辐条20把刀, 一共安装100把切刀, 搅拌棒10个;1个大刀盘, 辐条5个, 每个辐条22把切刀, 共安装切刀110把。矩形刀盘的结构布置如图2所示。
切刀布置在辐条两侧, 为螺栓固定连接方式, 比刀盘超前100mm, 用于切削未固结的土层, 并把切削碴土刮入土舱中。其布置点位如图3所示。切刀的切削刃宽度为304mm, 刀间距定为300mm, 小于其切削刃的宽度, 以保证切刀的工作区域无死角。为了提高切刀的耐磨性, 设计时采用了双层碳钨合金刀刃, 双层刀刃的最大磨损高度为64mm (2×32mm) , 在第一层刀刃磨损了之后, 第二层可以代替第一层继续发挥作用。
组合旋转刀盘具有的优点是搅拌扭矩小, 开挖切削扭矩大, 盾体跳动小, 对周围土体扰动小, 有利于顶管姿态控制及地表沉降控制, 设备加工制造简单, 运行可靠性高[6~7]。
3.3 盾壳体的强度及刚度研究
矩形盾构顶管壳体主要承受地面载荷压力及水土压力, 载荷较大;但受地层承载力的限制, 盾壳的质量不宜过大, 因此在满足强度、刚度的情况下尽量减小盾壳的质量[8]。
1) 建立模型及网格划分在ABAQUS模拟环境中, 将超大矩形断面顶管机薄壳体结构按1∶1创建模型, 并合理地对模型进行网格划分, 如图4所示。
2) 确定边界条件及加载前盾与尾盾通过纠偏油缸连接, 在正常掘进时, 前盾承载机体后面传来的推力、扭矩及土压力;在调向时, 则由尾盾承受。因此约束纠偏油缸支座的每个Ex, Ey, Ez的自由度, 并依据所承受周围土体的压力进行加载。薄壳体上部载荷0.19MPa, 侧向上部载荷0.063MPa;薄壳体侧向载荷0.175MPa;薄壳体底部载荷0.435MPa。
3) 应力及变形量分布云图根据应力分析结果, 矩形薄壳体所承受的应力满足使用要求, 都在100MPa以下, 达到使用要求。盾尾的中间部分是壳体变形量最大处, 变形值5.26mm, 故不论是在强度或是在刚度上均能满足设计要求。
4) 基于ABAQUS的盾壳结构优化在相同的边界和载荷下, 运用线性静力结构分析, 分别模拟1个支撑梁 (图5) 和2个支撑梁 (图6) 的整体受力情况, 通过反复计算关键部位单元节点处的应力值和变形值进行改进。
由分析结果可知, 壳体模型结构在载荷作用下基本都能满足要求, 但在加筋板尺寸变化的区域容易出现应力集中现象, 最大局部应力可达300MPa, 超过了材料的屈服强度, 属于危险区域, 可以采用对直角接触部位圆角过渡的方式进行改善[9]。
3.4 顶推机构的电液比例控制技术研究
电液比例控制技术相比于以开环传动为特征的传统液压技术和以闭环传动为特征的电液伺服技术, 提高了系统设计的柔性, 也更便于操作。另外引进了负载传感与压力补偿技术, 可节约能量, 提高控制精度, 改善系统的动态性能和静态特性[10]。系统的组成框图如图7所示。
液压推进系统是实现矩形顶管机在土压平衡状态下沿着设计好的轴线掘进的主要控制系统之一。其采用电液比例控制技术, 可满足推进速度和推进压力的实时控制。
4 结论
矩形顶管机具有覆土浅、空间利用率高和施工成本低等优点。符合城市交通过街人行通道埋深浅的要求, 故其必然在城市交通引水和排水管道、人行地道、车行地道等隧道工程得到广泛应用。顶管机从二车道转向三车道的设计, 积极响应了中国制造业的发展方向, 即:推动中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变。
摘要:对超大矩形断面土压平衡顶管机 (14.7m×9.69m) 设计时运用到的关键技术:矩形顶管机施工时的受力机制、刀盘的布置及扭矩的计算分析、盾壳体的强度及刚度研究、顶推机构的电液比例控制技术等进行了分析, 为超大矩形断面土压平衡顶管机的设计与改进提供一定的理论指导。
关键词:土压平衡顶管机,超大矩形断面,关键技术,有限元分析
参考文献
[1]钱七虎, 李朝甫, 傅德明.全断面掘进机在中国地下工程中的应用现状及前景展望[J].建筑机械, 2012, (5) :28-35.
[2]刘平, 戴燕超.矩形顶管机的研究和设计[J].市政技术, 2005, (3) :92-95
[3]傅德明, 楼如岳.泥水平衡顶管施工及参数研究[J].岩石力学与工程学报, 2003, (22) :2493-2501.
[4]蒲毅, 刘建琴, 郭伟.土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究[J].机械工程学报, 2011, (15) :161-168.
[5]聂瑞, 赵海峰, 王学科.砂卵石地层微型土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究[J].制造业自动化, 2015, (11) :52-57.
[6]郑晓燕.盾构刀盘设计和刀具配置分析[J].煤矿机械, 2010, 31 (8) :75-77.
[7]王运巧, 梅中义, 范玉青.薄壁弧形件装夹布局有限元优化[J].机械工程学报, 2005, (6) :214-223.
[8]何於琏.有限元分析在盾构掘进机壳体设计中的应用[J].隧道建设, 2006, (2) :79-81.
[9]王东.顶管施工的环境影响有限元研究[J].佳木斯大学学报, 2012, (6) :849-851.
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