盾構同步注漿試驗平臺試驗裝置的設計

李 博，王 軍，舒啟林，張大偉

(沈陽理工大學機械工程學院，沈陽 110159)

0 引言

盾構同步注漿技術是盾構機的核心技術之一，是開發研制整套盾構設備必不可少的前提條件。因此，早日掌握隧道掘進機同步注漿技術對實現盾構機國產化、降低盾構機的生產成本和研發成本起著非常重要的作用。

目前國內研制同步注漿技術基本上是在引進、消化、吸收國外盾構技術的基礎上進行的，缺乏自主設計創新能力。主要原因便是缺少試驗數據，而數據的來源主要是通過低成本、低風險的模型試驗得到。為了解決這一問題，國家“863”科技計劃項目投入了大量的人力物力著手于盾構試驗平臺的開發研制。不可否認，這些平臺在建設初期確實為當時盾構的發展提供了不小的幫助，但隨著研究的深入發現現有平臺已無法滿足精確試驗的要求。因此，李畢華等［1］在2009年搭建了一套可以精確綜合類盾構試驗臺，該平臺可以模擬盾構施工的所有試驗，而且配備了先進的監測裝置，能夠進行實時監控和精確的試驗數據收集。但是此類平臺由于成本較高、體積龐大，不適合高校協同研究，而且國內平臺大多以綜合類平臺居多，雖功能俱全，但是難以保證單項試驗的微小細節變化和直觀性，因此本文在歸納整理了以往盾構平臺設計的理念后，結合一些新的設計思路針對同步注漿這一單項領域，進行平臺機構的設計研究。

1 土體試驗箱的設計方法

1.1 土箱的設計機制

盾構在施工過程中會對周圍土體位移場和應力場產生影響，進而對周圍結構物產生不利影響，此類環境效應問題已經成為盾構施工技術亟待解決的問題。雖然近幾年，國內對于盾構掘進引起的土體位移變化已經取得了大量的研究成果［2－5］，但是如何更加準確地將這種變化效果引入平臺的設計進而獲得更加具有參考價值的試驗數據卻一直是令人困擾的難題。

目前國內外常用土體試驗箱作為模擬盾構工況條件的裝置。其設計難點在于如何減少邊界問題使試驗數據更加準確可靠。

實際工況表明地表沉降的主要原因是注漿不當和漿液流失較大造成對土體支撐不利所引起地層的錯位變化。通常，地層的變化原因主要是上部和左、右部土體受到擾動發生應力分布變化所致，而下部應力場的變化較小，故土箱控制邊界條件應主要是左、右及縱向邊界即可。

1.2 土箱設計方法的提出

將土箱設計為長方箱體，故需要確定的尺寸為:橫向尺寸(寬)、縱向尺寸(長)和埋深方向(高)［6－7］。

1.2.1 土箱橫向尺寸確定方法

選用peck橫向分布地面沉降的估算公式(如式(1))來求解土體沉降槽的寬度，已經可以基本反映地層橫向變化的規律，因此可以把其定為土箱的橫向尺寸。

式中:Vi為盾構單位長度地層損失量;i為沉降槽寬度系數。

式中:Z為地面到隧道中心深度;φ為土體內摩擦角。

1.2.2 土箱縱向尺寸確定方法

根據實際施工經驗，在不考慮刀盤作用情況下，盾體推進對土體縱向的影響范圍近似等于盾體長度，因此可以將此值作為土箱的縱向長度。

1.2.3 土箱埋深方向確定方法

土箱的埋深方向根據施工經驗，一般為上覆土高度加上盾體直徑再加上底部邊界，而其埋深高度為2倍盾體直徑，底部邊界條件為不小于1倍盾體直徑，因此埋深高度近似為1D+D+2D=4D。

2 推進裝置設計方法

2.1 推進裝置的設計機制

推進裝置是盾構前進的動力來源，是實現盾構試驗功能的關鍵裝置。以海瑞克直徑6.34 m盾構為例，內部由30個推進油缸組成，分成4組為盾構的前進提供動力，并配套安裝有14個被動式鉸接油缸。圖1為推進鉸接裝置原理圖。

為了盡可能在降低成本的情況下實現推進功能，將推進裝置設計為單鉸接推進裝置。圖2和圖3為簡化設計出的推進裝置原理圖和三維模型圖。

2.2 推進裝置工作原理

由圖2可知，液壓缸與球面推盤鉸接，推盤直徑略小于盾體內徑，這樣可以使液壓缸推動盾體前進時在一定自由度內轉動，從而防止當液壓缸加載不當引起偏心造成“卡死”的情況。由于球面推盤與盾體通過螺栓聯為一體故可以實現盾構的推進，液壓缸后部由法蘭固定在反力鋼板上，管片可以依靠推進反力壓實，液壓缸尾部固定通過聯接穿過反力鋼板固定在土箱側壁上，故管片與液壓缸本身不會發生移動。隨著盾體逐漸被推離管片，就可以模擬真實盾構推進時，管片逐步脫離盾尾的效果。

2.3 推進液壓缸計算

試驗中液壓缸提供的動力主要用來克服盾體與土體的摩擦力。推進液壓缸計算過程如下。

首先，根據式(3)和式(4)確定上覆土壓

式中:Pe為活塞桿彎曲失穩的臨界壓縮力，kN;2B為隧道頂端松動圈幅，m;γ為土體容重，kN/m3;D為隧道外徑，m;C為土體內聚力，kPa;K0為水平土壓與垂直土壓之比;φ為土體內摩擦角，(°);H為覆土高度，m;W0為地表載荷，kPa。

然后，根據摩擦力求出活塞桿直徑d，并根據需要確定液壓缸的行程S。

式中:F為外負載，N;［σ］為活塞桿材料許用應力，MPa;n為活塞桿彎曲失穩的臨界壓縮力;l為安全系數。

接著計算液壓缸油口尺寸

式中:D為隧道外徑，m;vmax為油路的最大速度;v0為油路的初始速度。

最后，對液壓缸穩定性進行校核

式中:Fk為活塞桿彎曲失穩的臨界壓縮力;nk為安全系數，一般取值3.5 ～6。

3 注漿裝置的設計方法

3.1 注漿裝置設計機制

注漿泵是同步注漿系統的核心，為漿液的同步注入提供動力，但由于成本太高，不適于高校等科研機構進行試驗研究。因此，為了滿足試驗需求，擬設計出一套注漿替代裝置如圖4所示。

圖4 注漿系統原理圖Fig.4 Principle of grouting system

3.2 注漿裝置工作原理

電機輸出經過減速器后帶動偏心輪機構3以一定速度轉動，從而實現推桿的往復運動，在推進桿的運動副上安裝導軌滑輪機構4，使推桿只能在平面上做直線運動，推桿一端連接活塞并緊密的置入注漿器5中。儲漿筒2內的漿液在重力和大氣壓作用下流入注漿器，偏心輪機構帶動活塞以一定的速度將漿液通過注漿管6推入盾體1中，經過多種閥體調速調整流量的復合作用后進行注漿。

4 平臺布置簡圖及工作原理

圖5為注漿平臺的布置簡圖。本平臺主要由加載部分、盾構模型部分、推進系統部分和注漿部分4部分組成。

將盾體預埋在土箱1中，通過頂部加載裝置2和3共同作用模擬土壓和水壓0.45 MPa左右，模型盾構內部安裝有推進裝置，將管片4放入后，利用尾部固定裝置將推進系統連同管片利用螺栓固定在土箱右側壁上，使之不會發生移動。通過盾體內部液壓裝置推動盾體逐步脫離管片，管片外徑與盾體外徑存在空隙即為需要注漿部分，加載裝置和推進裝置可共用一個泵站提供動力;注漿管左端置入直接與注漿口相連，注漿管另一端通過注漿裝置9連接在凸輪機構8上。注漿裝置9通過注漿管與儲漿罐5連接，漿液依靠重力及大氣壓作用流入注漿裝置內，為防止漿液凝固，頂部放置有攪拌裝置10。為了更好地監控注漿過程中管片軸向壓力變化情況，擬在土箱側壁上布置一定數量的壓力傳感器，通過數據采集反映壓力變化情況。偏心輪機構主要實現機構的往復運動并利用聯軸器聯接在減速器7的輸出軸上，整套系統由電機6提供動力實現。為保證平臺強度要求，采用梁結構搭建，接頭處采用螺栓聯接，應力集中部分拉強化筋加固，并采用無縫焊接，使平臺堅固并方便拆裝。

圖5 同步注漿試驗平臺布置簡圖Fig.5 Layout of simultaneous grouting test platform

5 結論與討論

以目前國內外同步注漿平臺試驗裝置為參考，首次嘗試對平臺試驗裝置的設計方法作出論述。本文理論上實現了平臺的低成本化，并通過理論與實際需要相結合的方式，對平臺機構的設計做出說明。由于時間有限還存在許多未解決的問題，如沒有對機構設計的優化以及控制因素考慮不是很周全等，這些問題將是下一步研究的重點。本研究對更好地進行同步注漿平臺優化有著深遠的意義。

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