土壓平衡箱涵掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)研究

蔣曉天

(上海城建市政工程(集團(tuán))有限公司， 上海 200333)

0 引言

目前城市快速路常采用地面道路形式建設(shè)，這會(huì)導(dǎo)致大量與快速路相交的城市道路被阻隔形成斷頭路，形成新的交通瓶頸節(jié)點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致區(qū)域交通擁堵，間接造成整個(gè)交通網(wǎng)出行效率降低。通過新建或擴(kuò)建下穿快速路地道，消除快速路建設(shè)形成的交通瓶頸節(jié)點(diǎn)，對(duì)于緩解區(qū)域交通擁堵問題具有重大意義。矩形頂管在地下空間的開發(fā)應(yīng)用十分廣泛，但是由于“背土效應(yīng)”，不利于沉降控制。榮亮等[1]的研究表明，隨著頂管斷面增大，地表沉降控制難度增加。銀英姿等[2]通過對(duì)頂管施工進(jìn)行模擬，得出隨著覆土深度的增加，地表沉降逐漸減小。管幕箱涵工法則是通過管幕的保護(hù)，可以有效減少控制箱涵開挖階段的土體損失率，控制沉降。常規(guī)的管幕箱涵施工需要輔助水平加固或者導(dǎo)管注漿來保證管幕內(nèi)土體強(qiáng)度，提高其自立性。由于大量穿越鐵路及公路建設(shè)工程的存在，日本在管幕箱涵工法方面有著很多案例，遍布日本全境。在國(guó)內(nèi)，上海市中環(huán)線虹許路—北虹路下立交工程[3-5]是唯一已完成管幕箱涵工法的地下工程，采用特殊設(shè)計(jì)的網(wǎng)格式工具頭來保證開挖面的穩(wěn)定。朱合華等[6]的研究表明，網(wǎng)格式工具頭正面平衡主要通過網(wǎng)格內(nèi)土體在穩(wěn)定的前提下摩擦力與土壓力始終平衡來保證。肖世國(guó)等[7-8]根據(jù)開挖面的土拱效應(yīng)進(jìn)行分析，采用靜力平衡條件與土體的剪切強(qiáng)度條件作為基本控制條件，可以確定網(wǎng)格的橫截面尺寸； 在實(shí)際推進(jìn)施工中，隨著網(wǎng)格后端土體的挖除，產(chǎn)生卸荷作用，網(wǎng)格內(nèi)壁各面的土壓力發(fā)生變化，需要不斷調(diào)整開挖量來維持力學(xué)平衡狀態(tài)，對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)控制難度高，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。已有學(xué)者[9-12]對(duì)箱涵推進(jìn)階段土體變形的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究分析，得出一旦正面平衡失穩(wěn)會(huì)造成頂排管幕下沉，引起地表變形和地基沉降。綜上可知，目前國(guó)內(nèi)管幕箱涵工程主要采用網(wǎng)格式工具頭作為箱涵掘進(jìn)設(shè)備，施工過程中土體開挖量控制難度大，容易造成正面土壓力與網(wǎng)格摩擦力之間的平衡失穩(wěn)，存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)。本文依托于田林路下穿中環(huán)線地道項(xiàng)目，采用1臺(tái)全封閉的土壓平衡箱涵掘進(jìn)機(jī)施工，對(duì)其在管幕箱涵工法應(yīng)用中的可行性及安全性進(jìn)行分析研究，并通過有限元計(jì)算[13]，確保箱涵掘進(jìn)機(jī)能夠承受土體荷載以及掘進(jìn)機(jī)本身切削設(shè)備的轉(zhuǎn)矩。

1 設(shè)計(jì)條件

田林路下穿中環(huán)線地道(中環(huán)線交通節(jié)點(diǎn)改善工程)新建工程位于徐匯區(qū)漕河涇開發(fā)區(qū)中部，是田林路上重要的交通節(jié)點(diǎn)，西起古美路，東至桂平路，并下穿中環(huán)線，全長(zhǎng)約1 032.78 m。下穿中環(huán)線地道長(zhǎng)86 m，箱涵頂覆土6.3 m。穿越段地道斷面布置為3條機(jī)動(dòng)車道和2條非機(jī)動(dòng)車道，箱涵斷面長(zhǎng)19.8 m，高6.4 m。地道剖面如圖1所示。

圖1 地道剖面圖 (單位： mm)

上排鋼管幕處于③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，兩側(cè)和底排鋼管幕多處于④淤泥質(zhì)黏土。地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 地質(zhì)剖面圖 (單位： m)

地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。由表1可知： 1)③號(hào)土的含水量w=40.6%，黏聚力c=12.0 kPa，內(nèi)摩擦角φ=18°，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu=40 kPa，靈敏度為2.6； 2)④號(hào)土的含水量w=50%，黏聚力c=11 kPa，內(nèi)摩擦角φ=11.5°，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu=35 kPa，靈敏度為2.8。

表1 地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 主要設(shè)備參數(shù)選擇

2.1 刀盤切削系統(tǒng)

箱涵掘進(jìn)機(jī)刀盤系統(tǒng)從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，利用3臺(tái)地鐵盾構(gòu)刀盤系統(tǒng)進(jìn)行再制造，如圖3所示。周邊布置有8臺(tái)小刀盤，大、小刀盤錯(cuò)層布置，有效切削率達(dá)到92%。刀盤具體參數(shù)配置見表2。

圖3 箱涵掘進(jìn)機(jī)刀盤示意圖

2.2 掘進(jìn)機(jī)殼體

箱涵掘進(jìn)機(jī)配置見圖4，整個(gè)殼體寬19.84 m，高6.42 m。為了方便現(xiàn)場(chǎng)吊裝以及城市內(nèi)道路運(yùn)輸，將殼體分割為4塊，分塊外形最大尺寸為6 420 mm×5 040 mm×3 670 mm，質(zhì)量為65 t； 殼體上布置有14處土壓傳感器，上部4處，中部6處，下部4處； 分塊之間采用螺栓連接，外周進(jìn)行水密焊接。

表2 刀盤參數(shù)配置

圖4 箱涵掘進(jìn)機(jī)配置圖 (單位： mm)

2.3 螺旋輸送系統(tǒng)

箱涵掘進(jìn)機(jī)出土采用4臺(tái)螺旋機(jī)將土艙內(nèi)渣土排出至皮帶機(jī)后，再通過2節(jié)800 mm機(jī)內(nèi)皮帶機(jī)匯總至1節(jié)1 200 mm皮帶機(jī)，輸送至敞開段集土坑內(nèi)，然后利用挖機(jī)裝車外運(yùn)。螺旋輸送機(jī)技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 螺旋輸送機(jī)技術(shù)參數(shù)

為了保證施工連續(xù)性，在工作井區(qū)域設(shè)計(jì)一段可伸縮式皮帶機(jī)，如圖5所示。皮帶機(jī)長(zhǎng)28 m，一端安裝于末節(jié)箱涵尾部，另一端安裝于暗埋段內(nèi)。箱涵推進(jìn)階段隨箱涵前伸，保證持續(xù)出土； 推進(jìn)完成后可通過卷?yè)P(yáng)機(jī)將皮帶架拉至暗埋段內(nèi)，減少對(duì)后續(xù)箱涵結(jié)構(gòu)制作過程中的影響。

2.4 同步推進(jìn)系統(tǒng)

箱涵推進(jìn)系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)后靠反力系統(tǒng)[14]最大承受能力設(shè)計(jì)，采用70只250 t液壓油缸，分為7組，最大總推力為171 500 kN，推進(jìn)階段按照147 000 kN推力作為控制推力。同步推進(jìn)系統(tǒng)如圖6所示，油缸全部布置于箱涵底部，為2層布置，每組油缸配置有1套獨(dú)立液壓泵站驅(qū)動(dòng)控制。箱涵掘進(jìn)姿態(tài)依靠已完成的管幕群作為導(dǎo)向，上海市中環(huán)線虹許路—北虹路下立交工程應(yīng)用表明，同步推進(jìn)系統(tǒng)[15]能夠有效地確保箱涵平面姿態(tài)。根據(jù)安裝在箱涵兩側(cè)的激光測(cè)距儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)偏差值，并通過專家PID控制算法同步調(diào)節(jié)每組泵站變頻器輸出頻率，控制液壓缸推進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)同步推進(jìn)。

圖5 伸縮式皮帶輸送機(jī)示意圖 (單位： mm)

圖6 同步推進(jìn)系統(tǒng)

3 殼體結(jié)構(gòu)受力分析

田林路項(xiàng)目箱涵掘進(jìn)機(jī)橫斷面尺寸達(dá)到19.8 m，而且有3臺(tái)大刀盤同時(shí)切削，箱涵殼體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是本次箱涵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)階段采用SolidWorks三維平臺(tái)進(jìn)行建模分析，以殼體結(jié)構(gòu)為對(duì)象，作業(yè)荷載主要以等效荷載作用方式進(jìn)行加載計(jì)算。

3.1 邊界條件

3.1.1 一般條件

垂直荷載和側(cè)壓力示意圖見圖7。按照覆土深度8 m，正面土壓力400 kPa，并根據(jù)箱涵掘進(jìn)機(jī)技術(shù)規(guī)格書添加轉(zhuǎn)矩、傾覆力矩，包括3臺(tái)大刀盤、4臺(tái)1型小刀盤、4臺(tái)2型小刀盤。殼體作業(yè)負(fù)載加載示意圖如圖8所示。

圖7 垂直荷載與側(cè)壓力示意圖

圖8 作業(yè)負(fù)載加載示意圖

3.1.2 約束條件

根據(jù)頂管機(jī)的作業(yè)狀態(tài)設(shè)定計(jì)算約束條件，如圖9所示。以底板座底基礎(chǔ)土層、背板頂靠襯砌作為限制位移約束。

圖9 底板法向約束示意圖

3.2 受力計(jì)算分析

3.2.1 應(yīng)力分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，以應(yīng)力分布圖進(jìn)行說明。

3.2.1.1 最大應(yīng)力集中點(diǎn)

圖10示出250、270 MPa應(yīng)力分布，最大應(yīng)力集中位置主要在土艙隔板后大軸承筋板遠(yuǎn)端、螺旋機(jī)接口附近筋板端頭等變截面位置。其中大于250 MPa的應(yīng)力集中位置主要包括兩側(cè)柱軸承水平筋板在外殼側(cè)面與后隔板角位。由圖10可知，計(jì)算得到的高應(yīng)力范圍很小，屬于截面突變?cè)斐傻膽?yīng)力集中。

圖11示出最大應(yīng)力集中點(diǎn)應(yīng)力分布。由圖11可知，應(yīng)力集中點(diǎn)的高應(yīng)力范圍衰減很快，處在安全區(qū)間。

3.2.1.2 一般應(yīng)力集中點(diǎn)

圖12示出200、150 MPa應(yīng)力分布。由圖12可知，除了上述最大應(yīng)力集中點(diǎn)位置外，一般計(jì)算得到的高應(yīng)力范圍局限于中間下部小刀盤、螺旋輸送機(jī)位置，屬于截面突變?cè)斐傻膽?yīng)力集中。

(a) 左側(cè)軸承(前視)

(b) 右側(cè)軸承(前視)

圖11 最大應(yīng)力集中點(diǎn)應(yīng)力分布圖 (單位: MPa)

Fig. 11 Stress distribution of maximum stress concentration point (unit: MPa)

圖12 150、200 MPa應(yīng)力分布圖 (單位: MPa)

圖13示出一般應(yīng)力集中點(diǎn)應(yīng)力分布。由圖13可知，一般應(yīng)力集中點(diǎn)位置的應(yīng)力均不超過250 MPa，處于安全界限范圍內(nèi)。

圖13 一般應(yīng)力集中點(diǎn)應(yīng)力分布圖 (單位: MPa)

Fig. 13 Stress distribution of general stress concentration point (unit: MPa)

3.2.2 變形分析

殼體受力變形示意圖見圖14—15。由圖可知，最大位移發(fā)生在土艙入艙門處，為3.8 mm(入艙門根據(jù)計(jì)算需要進(jìn)行了簡(jiǎn)化，以板模擬承載)，同時(shí)該區(qū)域加強(qiáng)筋板相對(duì)最少。因此，該變形不影響實(shí)際結(jié)構(gòu)安全條件。

圖14 殼體受力變形示意圖(前視)(單位： mm)

Fig. 14 Sketch of shell stress deformation (front view)(unit: mm)

圖15 殼體受力變形示意圖(后視)(單位： mm)

Fig. 15 Sketch of shell stress deformation (rear view)(unit: mm)

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)對(duì)上述殼體應(yīng)力以及變形的分析，箱涵殼體模型結(jié)構(gòu)在荷載條件下基本可以滿足強(qiáng)度要求。在局部筋板變截面位置有應(yīng)力集中，說明本次設(shè)計(jì)筋板的布置位置分擔(dān)了殼體的應(yīng)力，是合理的。后續(xù)制造過程中，可以通過采用加強(qiáng)焊縫、圓角過渡等措施來進(jìn)一步降低該區(qū)域應(yīng)力。

4 應(yīng)用情況及效果

田林路下穿中環(huán)線地道箱涵施工已于2018年12月完成全部86 m箱涵推進(jìn)，箱涵平均推進(jìn)速度為10 mm/min，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖16所示。推進(jìn)階段通過同步推進(jìn)系統(tǒng)糾偏，能夠?qū)⒄麄€(gè)箱涵左右行程偏差始終保持在10 mm以內(nèi)。

圖16 箱涵掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)照片

刀盤切削面積為92%，外周依靠殼體前端布置的鏟刀擠壓切土，所以在加固區(qū)階段推力較大，達(dá)到78 400 kN，其余正常推進(jìn)階段推力控制在58 800 kN以內(nèi)，滿足后靠設(shè)計(jì)要求。推力變化曲線見圖17。

中環(huán)線地面豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)共設(shè)置12個(gè)橫斷面，在中環(huán)線輔道范圍內(nèi)每個(gè)斷面布置有7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，中環(huán)線主路范圍內(nèi)每個(gè)斷面布置有9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布見圖18。在整個(gè)箱涵推進(jìn)過程中，通過地面監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，沉降始終控制10 mm以內(nèi)。

圖18 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

5 結(jié)論與討論

1)本項(xiàng)目首次在箱涵推進(jìn)施工中采用了土壓平衡箱涵掘進(jìn)機(jī)平衡正面土壓力，整個(gè)箱涵掘進(jìn)階段，地面沉降控制在10 mm以內(nèi)，中環(huán)線運(yùn)行全程未受到影響，有效地降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。通過箱涵掘進(jìn)機(jī)螺旋輸送機(jī)機(jī)、皮帶輸送機(jī)以及同步推進(jìn)系統(tǒng)的合理選型，能夠滿足推進(jìn)過程中的不間斷施工要求，提高施工效率。

2)利用SolidWorks三維平臺(tái)對(duì)于箱涵掘進(jìn)機(jī)的殼體進(jìn)行建模受力分析，得出該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全能夠滿足施工荷載條件。在局部變截面位置有應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)過程中可以通過圓角過渡來改善該區(qū)域應(yīng)力情況。

3)箱涵掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)未設(shè)置糾偏系統(tǒng)，姿態(tài)控制主要依靠已完成的管幕作為導(dǎo)向，通過同步推進(jìn)系統(tǒng)控制左右行程偏差，能夠滿足施工要求。由于箱涵與管幕之間存在10 cm建筑孔隙，推進(jìn)過程中需要同步注入膨潤(rùn)土厚漿以填充箱涵與管幕之間間隙，保持箱涵與管幕間隙距離并減小摩阻力。

4)從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，本項(xiàng)目箱涵掘進(jìn)機(jī)切削系統(tǒng)主要利用了3臺(tái)地鐵盾構(gòu)刀盤系統(tǒng)進(jìn)行再制造，整個(gè)刀盤切削率為92%，存在一定的切削盲區(qū)，在推進(jìn)過程中，盲區(qū)土體堆積容易產(chǎn)生推力過大的問題。下一步將會(huì)針對(duì)盲區(qū)部位處理措施展開研究討論，并對(duì)刀盤切削系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化。