自行走式掘進(jìn)機(jī)增阻力與增阻塊撐出面積關(guān)系研究

盧清國，馬俊朋，張延欽

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100022)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化水平也在快速提高，向地下發(fā)展已成為城市發(fā)展的必然趨勢，是擴(kuò)增城市空間的最佳途徑［1］。隨著地下空間開發(fā)力度不斷加大，環(huán)境保護(hù)意識(shí)及生活質(zhì)量的提高，傳統(tǒng)的礦山法正逐步被盾構(gòu)和頂管等機(jī)械施工法所取代。盾構(gòu)和頂管是目前應(yīng)用比較廣泛的機(jī)械施工方法［2－4］，但這2種新型施工技術(shù)也存在著一些不足和局限，如轉(zhuǎn)彎不夠靈活，必須依賴后方人工構(gòu)筑物才能前進(jìn)等，這使得城市地下管網(wǎng)建設(shè)和地下空間開發(fā)受限［5］。因此，目前急需一種可自由穿行于城市地下土體，并具備空間急曲線轉(zhuǎn)彎、自行走功能的隧(管)道施工技術(shù)和相應(yīng)的設(shè)備［6］。

在自行走式掘進(jìn)機(jī)的研究方面，盧清國［7］首先提出利用工具管外側(cè)設(shè)置的增阻撐起裝置與周圍土體緊密接觸所提供的反力，調(diào)節(jié)安裝在掘進(jìn)機(jī)內(nèi)側(cè)圓周上液壓缸組的不同側(cè)向推力，在常規(guī)挖土設(shè)備配合下，使掘進(jìn)機(jī)在土體中自行進(jìn)開挖形成一條小半徑曲線式隧道，并獲得國家發(fā)明專利授權(quán)。楊海濱［8］、張延欽［9］和王慶學(xué)［10］就自行式掘進(jìn)機(jī)增阻參數(shù)，轉(zhuǎn)彎反力與增阻塊高度、環(huán)數(shù)的關(guān)系以及小型樣機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)作了初步研究。

本文依托“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目課題“城市市政隧(管)道自行走式施工技術(shù)和裝備研究與開發(fā)”進(jìn)行實(shí)施性研究，為自行走式隧道施工裝備的基本功能實(shí)現(xiàn)的重要研究內(nèi)容，并結(jié)合樣機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)和模型試驗(yàn)，獲得了掘進(jìn)機(jī)增阻力和增阻塊撐出面積的關(guān)系。

1 試驗(yàn)概況

1.1 掘進(jìn)機(jī)的構(gòu)成特征

在室內(nèi)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，為室外試驗(yàn)制造了一臺(tái)由4節(jié)組成的自行走式掘進(jìn)機(jī)樣機(jī)。第1節(jié)為切削掘進(jìn)節(jié)，通過前端的刃腳切削土體前進(jìn);第2和第3節(jié)為驅(qū)動(dòng)行走節(jié)，沿周向各布置64塊和96塊增阻塊，利用增阻塊撐起后與周圍土體緊密嚙合產(chǎn)生的嵌入摩阻力提供掘進(jìn)機(jī)前行反力;第4節(jié)為支護(hù)節(jié)，可在其內(nèi)拼裝支護(hù)管片，為開挖的隧道提供支護(hù)。

1.2 自行走式掘進(jìn)機(jī)的行走原理

土中自行走式掘進(jìn)機(jī)自行走的原理是:1)第2節(jié)增阻塊撐起嵌入土中產(chǎn)生與其相鄰各節(jié)前行的反力。首先，使連接1和2節(jié)之間的液壓缸執(zhí)行推動(dòng)作，使切削掘進(jìn)節(jié)處的刃腳切入土層，切削土體前進(jìn);完成此動(dòng)作后，利用連接2和3節(jié)之間的液壓缸執(zhí)行拉動(dòng)作，拉動(dòng)第3節(jié)與第2節(jié)靠攏。2)縮回第2節(jié)增阻塊，使第3節(jié)增阻塊撐起，仍利用連接2和3節(jié)之間的液壓缸，推動(dòng)第2節(jié)與第1節(jié)靠攏，然后拉動(dòng)第4節(jié)與第3節(jié)靠攏。完成一個(gè)掘進(jìn)自行走循環(huán)。隨著掘進(jìn)機(jī)向前行走，在第4節(jié)的尾部拼裝PE中空壁纏繞管的管片，形成一個(gè)成形隧道。

2 增阻塊撐出高度數(shù)據(jù)采集

2010年10—12月，在遼寧省燈塔市郊區(qū)進(jìn)行了自行走的原理性現(xiàn)場試驗(yàn)，掘進(jìn)機(jī)始發(fā)于一高約4 m的土坎下，開始原理性試驗(yàn)。

2.1 增阻塊撐出的橫軸向面積

增阻塊長度為掘進(jìn)機(jī)縱向方向，寬度為掘進(jìn)機(jī)切向方向，撐出方向?yàn)楦叨确较颉Ｃ繅K增阻塊的撐出面積可由每塊增阻塊的寬度與撐出高度的乘積來計(jì)算，每塊增阻塊的寬度設(shè)計(jì)為12 cm，增阻塊的撐出高度由安裝在增阻塊側(cè)面的測繩測量，測繩通過工具管管壁上的鉆孔伸入管內(nèi)，首先測出未充氣狀態(tài)下(增阻塊在原位時(shí))測繩在工具管內(nèi)的長度，然后測出在某一氣壓下(增阻塊升起一定高度時(shí))測繩在工具管內(nèi)的長度，就可計(jì)算出在某一氣壓下增阻塊的撐起高度。

2.2 增阻塊增阻力

掘進(jìn)機(jī)工具管前進(jìn)時(shí)推力的大小由1和2節(jié)、2和3節(jié)之間的液壓管路上的液壓值換算得到。工具管在執(zhí)行動(dòng)作時(shí)，讀取勻速動(dòng)作時(shí)的液壓表穩(wěn)定讀數(shù)，然后換算得出工具管執(zhí)行動(dòng)作時(shí)的推力或拉力值。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在自行走式隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中，與機(jī)器接觸的土體為2種狀態(tài)，即:經(jīng)增阻塊撐起擾動(dòng)和未經(jīng)增阻塊撐起擾動(dòng)。自行走式隧道掘進(jìn)機(jī)第1節(jié)切削土體前進(jìn)后，第2節(jié)第1環(huán)通過時(shí)土體處于未經(jīng)增阻塊撐起擾動(dòng)過的狀態(tài)。當(dāng)增阻塊撐出后擠壓土體，土體被壓密或部分土體掉落，以后各環(huán)再通過時(shí)土體均處于經(jīng)增阻塊撐起后擾動(dòng)過的狀態(tài)。在機(jī)器進(jìn)洞初期，第2節(jié)增阻塊未撐起，第3節(jié)行至此處時(shí)可近似認(rèn)為土體處于未經(jīng)增阻塊撐起擾動(dòng)過的狀態(tài)。

在自行走式隧道掘進(jìn)機(jī)行進(jìn)試驗(yàn)過程中，分別測出了在不同增阻塊撐起高度下掘進(jìn)機(jī)行進(jìn)時(shí)液壓缸產(chǎn)生的推力，通過換算成增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積，就可得知增阻塊提供的推力大小。土體未經(jīng)增阻塊撐起擾動(dòng)狀態(tài)下測得數(shù)據(jù)如表1所示。

在增阻塊多次撐起后的擾動(dòng)狀態(tài)下，增阻塊的推力有所降低，測得數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 土體未經(jīng)增阻塊撐起擾動(dòng)狀態(tài)下不同增阻塊撐出面積提供的推力試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Testing data of thrust provided by different launching-out area of resistance blocks before launching out of resistant block

表2 增阻塊多次撐起后的擾動(dòng)狀態(tài)下不同增阻塊撐出面積提供的推力試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Testing data of thrust provided by different launching-out area of resistance blocks after launching out of resistant block

根據(jù)2種狀態(tài)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以分別得出增阻塊提供的推力、增阻塊起到的增阻作用與不同增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積的關(guān)系，如圖1和圖2所示。

從圖1可以看出:土體經(jīng)增阻塊撐起擾動(dòng)前、后增阻塊提供的推力與增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積大致呈線性關(guān)系，即隨著增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積的增大而增大。經(jīng)增阻塊撐起擾動(dòng)前，增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積每增加0.001 m2，增阻塊提供的推力大約增加1.85 kN;擾動(dòng)后，增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積每增加0.001 m2，增阻塊提供的推力大約增加1.54 kN。經(jīng)增阻塊撐起擾動(dòng)后與經(jīng)增阻塊撐起擾動(dòng)前相比，相同增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積，增阻塊提供的推力降低28.5%左右。

從圖2可以看出，增阻塊起到的作用與增阻塊在管軸垂直方向的投影面積也大致呈線性關(guān)系。經(jīng)增阻塊撐起擾動(dòng)前，增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積每增加0.001 m2，增阻塊起到的增阻作用大約增加0.004 9 MPa;經(jīng)增阻塊撐起擾動(dòng)后，增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積每增加0.001 m2，增阻塊起到的增阻作用大約增加0.004 3 MPa。同理，相同增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積，增阻塊起到的增阻作用在經(jīng)增阻塊撐起擾動(dòng)后比經(jīng)增阻塊撐起擾動(dòng)前降低27.7%左右。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果對比

2008年11—12月，為設(shè)計(jì)和加工自行走式掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)場小型樣機(jī)提供指導(dǎo)，特設(shè)計(jì)和加工了1臺(tái)小型樣機(jī)功能節(jié)的縮比例尺模型。通過改變增阻塊撐出面積(高度)、環(huán)數(shù)、每環(huán)個(gè)數(shù)、擾動(dòng)長度，在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了四因素、四水平的正交試驗(yàn)，如圖3所示。通過試驗(yàn)，找出了影響增阻塊推力的主要因素，并得出了增阻塊提供的推力與不同增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積的關(guān)系如圖4所示。

從圖4可以看出，增阻塊提供的推力與增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積也大致呈線性關(guān)系。擾動(dòng)前，增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積每增加0.001 m2，增阻塊提供的推力大約增加0.086 kN;擾動(dòng)后，增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積每增加0.001 m2，增阻塊提供的推力大約增加0.043 kN。擾動(dòng)后與擾動(dòng)前相比，相同增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積，增阻塊提供的推力降低約29.3%。

綜合圖1、圖2和圖4可知，增阻塊提供的推力、增阻塊起到的增阻作用隨著增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積的增大而增大，大致呈線性關(guān)系。

5 結(jié)論與討論

1)自行走式隧道掘進(jìn)機(jī)小型樣機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)與試驗(yàn)室相似模型試驗(yàn)得出的增阻塊提供的推力、增阻塊起到的增阻作用與增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積的關(guān)系有相似性和一致性，現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了相似模型試驗(yàn)得出的規(guī)律。

2)現(xiàn)場試驗(yàn)與相似模型試驗(yàn)所得出的增阻塊提供的推力與增阻塊撐出時(shí)在管軸垂直方向的投影面積的關(guān)系為近似正比例關(guān)系，可在增阻結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)中作為參考。

3)上述2種試驗(yàn)是在粉質(zhì)黏土層中進(jìn)行的，由于自行走式掘進(jìn)機(jī)增阻塊發(fā)揮作用與土層的土性有密切關(guān)系，故結(jié)論不能廣泛適用于其他土層，對其他土性的土層應(yīng)作進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

4)可對其他影響增阻塊提供推力的因素進(jìn)行下一步分析研究，包括土體土性，掘進(jìn)機(jī)的覆土高度等。

［1］ 錢七虎.迎接我國城市地下空間開發(fā)高潮［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20(1):112－113.

［2］ 錢七虎，李朝甫，傅德明.隧道掘進(jìn)機(jī)在中國地下工程中應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望［J］.地下空間，2002，22(1):1－11，93.(QIAN Qihu，LI Chaofu，F(xiàn)U Deming.The present and prospect of application of tunnecer in China’s underground engineering［J］.Underground Space，2002，22(1): 1－11，93.(in Chinese))

［3］ 周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］ 韓選江.大型地下頂管施工技術(shù)原理及應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［5］ 顏純文，蔣國盛，葉建良.非開挖鋪設(shè)地下管線工程技術(shù)［M］.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

［6］ 盧清國.長距離隧道自驅(qū)動(dòng)前行的可行性［C］//中日第三屆盾構(gòu)隧道技術(shù)交流會(huì)論文集.東京:東京早稻田大學(xué)，2005.

［7］ 盧清國.自行走隧管道掘進(jìn)機(jī)筒體外周的增阻部件:中國，CN 101761342 A［P］.2010－06－30.

［8］ 楊海濱.一次增阻擾動(dòng)后土中自行走式掘進(jìn)機(jī)增阻參數(shù)的試驗(yàn)研究［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，2009.

［9］ 張延欽.自行走式掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)彎反力與增阻塊高度、環(huán)數(shù)關(guān)系的研究［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，2011.

［10］ 王慶學(xué).自行走式掘進(jìn)機(jī)小型樣機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)研究［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，2010.