非開挖市政道路施工鉆孔工藝過程中泥屑氣力輸送技術的研究

吳源輝

（福建騰暉環境建設集團有限公司）

非開挖市政道路施工鉆孔工藝過程中泥屑氣力輸送技術的研究

吳源輝

（福建騰暉環境建設集團有限公司）

非開挖市政道路施工鉆孔技術是通過導向、定向鉆等新型技術進行的管線施工，對地表的影響極小，同時對施工場地的要求也較小，能夠達到較高的準確性和安全性，具有較好的社會效應和經濟效應，目前已在多類工程項目中有所應用。本文首先闡述了氣力輸送的概念，進而對鉆孔泥屑氣力輸送技術進行了分析，最后進行了泥屑氣力輸送技術的數學模型分析。

非開挖；市政道路施工；鉆孔；泥屑氣力輸送

在市政道路的管道建設中，傳統的施工方法為“明挖法”，這種施工工藝明顯存在著較多的局限性，在錯綜復雜的城市建筑結構中，大大提高了其施工難度。采取這種方式進行施工還易對原有建筑物帶來一定的安全隱患，對城市交通也造成了不利的影響[1]。目前，提出了一種非開挖市政道路管線施工的新型方法，這種方法可在不破壞原有建筑物和路面的基礎上進行施工，不僅可以減少施工成本，還縮小了工程周期，是一種環保高效的施工方法。

1　氣力輸送的概述

運用管道進行物料的運輸時，可將氣體作為承載介質，利用氣壓完成物料的輸送，這種運輸方式即氣力輸送。氣力輸送最初起源于1883年的俄國彼得堡，運用其輸送原理設計出氣力吸糧機，對船艙的散裝糧食進行輸送。自這項發明投產運用后，德國、荷蘭等國家90%的糧食裝卸過程均運用了氣力吸糧機[2]。根據氣固相流定律，氣力輸送裝置運用于物料的運輸時可達到較高的運輸效率，同時不會受環境的影響，完全封閉的輸送環境也對物料的質量有一定的保障。

2　鉆孔泥屑氣力輸送技術

在采用非開挖市政道路管線的鉆孔施工時，其施工技術受土質條件的影響較大，一般選擇較為軟弱的地層或松散的泥屑進行鉆孔，這樣才能達到氣力輸送泥屑的要求，保證其輸送的可靠性。

2.1非開挖施工鉆孔基本工作原理

非開挖市政道路的鉆孔施工設備主要由鉆孔設施和雙管氣力干法輸泥裝置構成，如圖1所示。在電動機的帶動下鉆頭會以一定的速率旋轉，同時主推進氣缸也會向前推進，實現土體的切削[3]。在爬行氣缸的后側對活塞桿進行了固定，以免在進行土體的切削時受到反作用力的影響而發生倒退的現象。鉆進過程產生的泥屑會隨螺旋推料器的作用由接引料斗進入壓送罐內。一旦壓送罐的承載量達到極限時，就會觸發料位開關，停止主推進氣缸的推進動作，關閉壓送罐的進料蝶閥。同時啟動主氣力噴吹管，促使壓送罐達到氣力輸送的設計標準，此時會自動開啟排料蝶閥，將泥屑經輸泥管輸送到外部。運用泥屑的一大優勢就是利用松散的泥屑達到自然的泥屑塞和氣體塞，只有泥屑具備越薄且碎的條件，才能達到較好的效應。

圖1　非開挖市政道路鉆孔泥屑氣力輸送技術施工方案圖

2.2鉆孔設備的設計方案

對泥土進行鉆削與對金屬的鉆削有較大的差別，雖然泥土的硬度較小，但粘性明顯偏大，很難形成碎泥屑。鉆孔的過程會對土體施加一定的壓縮應力，從而破壞其基本結構。為了達到氣力輸送的要求，鉆削下來的泥屑必須具有不一致的滑移速度，即在鉆削的過程中最好能產生錯位滑移。因此，在設計時若采用麻花鉆結構，是無法達到理想中的碎泥屑標準的，可選取非對稱斷屑槽變螺距泥屑鉆頭[4]。鉆頭的螺旋面左側設置5個斷屑槽，右側設置7個斷屑槽，使其相互錯開，這樣可以達到更好的斷屑效果，可減小泥屑的粘性作用，便于泥屑的排出。同時可設置為螺旋面的鉆尖，使其構成一個三維立體結構的螺旋面，在鉆削的過程中可產生不同的旋轉速度，有利于泥屑的粉碎處理。

2.3雙管氣力干法輸送排泥裝置的設計方案

雙管氣力干法輸送排泥裝置是鉆孔泥屑氣力輸送方案的關鍵，其工作原理圖如圖2所示。

圖2　雙管氣力輸送原理圖

從圖2可知，當泥屑由接引料斗進入壓送罐中后，需要對泥屑的顆粒進行一定的處理，以達到輸送要求。因此，在壓送罐的內部需安裝粉碎裝置。當泥屑裝滿時，進料蝶閥F5和電磁閥F2會自動關閉，以停止泥屑向壓送罐的輸送和主推進氣缸的繼續推進。同時，電磁閥F3會自動啟動，將壓縮空氣導入壓送罐內，當罐內壓力達到設計標準時，會啟動排料蝶閥F6，在壓力的作用下促使泥屑由管道向地面排出。為了保障泥屑輸出的穩定性，可增加噴吹管的裝置，在排料蝶閥F6啟動的同時也會開啟電磁閥F4，向壓送罐施加輔助噴吹壓力，促使泥屑正常排出。

3　泥屑氣力輸送數學模型分析

3.1鉆頭數學模型

在非對稱斷屑槽變螺距泥屑鉆頭的鉆孔設備下進行施工時，根據刃磨原理建立坐標，外圓轉點的結構圓周后角是砂輪沿鉆軸方向移動增量與該點轉過的弧長之比反正切，可得[5]：

式中：V2-是變速運動（經一定時間后可降至零）；w-為鉆頭繞自身軸線的等角旋轉速度。

（1）鉆芯后刀面數學模型

根據圓心微分方程，可得鉆芯后刀面的方程為：

（2）鉆尖后刀面的數學模型

后刀面的方程為：

（3）前刀面的數學模型

前刀面的方程為：

式中：R-表示鉆頭半徑；ρ0-表示原始結構半頂角；β0-表示鉆溝螺旋角；Xc、Zc-表示鉆尖外緣轉點的坐標值。

鉆頭的后端一般設置有鉆桿，鉆桿對鉆頭的向前推進有一定的輔助作用，其鉆進示意圖如圖3所示。

圖3　鉆頭鉆進示意圖

土體的受力來源主要為被動土壓力（P1）、導向面上的摩擦阻力（P2）以及導向面側面的切削阻力（P3）[6]。

式中：γ-表示土壤的重度；μ-表示土體與鉆頭之間的摩擦力；S-表示導向面前面的三角形面積總和。

3.2氣力輸送數學模型

泥屑氣力輸送的原理屬于栓塞式氣固兩相流理論，在進行數學模型的研究時需要對泥栓的運動狀態以及受力情況等有一定的了解。

3.2.1泥栓的運動狀態

在氣壓的作用下，泥屑微粒會發生相互作用，泥栓的運動狀態并不是剛性的，而是呈現出波動狀的前進狀態，且必然存在低于泥栓速度的泥屑速度。

3.2.2泥栓受氣情況

對運動狀態下的泥栓進行受力分析時，主要考慮氣體推力、管壁摩擦力以及泥屑重力帶來的阻力。泥栓的受氣情況如圖4所示。

圖4　泥栓受力分析圖

（1）氣體推力

作用于泥屑截面上的推力：dF1=dpA（1-ε）；式中：ε-表示物料顆粒之間的孔隙率。

氣流對孔隙壁摩擦傳遞的推力：

（2）管壁摩擦力

式中：K-表示管壁的側壓系數（K=p/pr）。

（3）泥屑的重力阻力

3.2.3泥栓的動力學模型

泥屑在氣壓的作用下運動時，可將其看作粉體填充層，假設泥栓的前后壓差為Δp，厄貢綜合式可表示為[7]：

（1）垂直泥栓的作用力

按威爾遜提出的理論，可得水平泥栓對管壁的側壓力為：

ps=R（1-cosφ）ρBg

最終整理得：

3.3實驗研究

將本文設計方案進行實驗研究，結果證明了該方案的可行性。通過上述數學模型對各種數據進行分析，壓送罐氣壓可達0.6MPa，固氣比可達到91.8，泥屑的輸送效率有所提高，輸送過程中未發生堵塞現象。同時，通過此次實驗，也適當調整并優化了部分設計參數，將旁通管開口間距調整為200m，主要是為了避免輸送過程中引發較大的壓力損失。

4　結束語

綜上所述，氣力輸送技術是一項普遍運用于管線輸送的技術，可用于非開挖市政道路管線施工項目中。泥屑氣力輸送裝置主要包括鉆孔設備和氣力輸送設備，通過對這兩個主要組成構件的工作原理分析，本文提出了非對稱斷屑槽變螺距泥屑鉆頭的鉆孔裝置和雙管氣力干法輸送排泥裝置的設計方案，同時根據鉆頭部分的泥屑受力情況以及管道內泥栓的受力情況分別進行了數據模型的分析，最后將本次設計方案進行實驗研究，確定了本次方案的可行性，根據實驗結果也對模型進行了優化，使其更加符合實際情況。

[1]劉海蘭，李小平，芮延年，等.基于氣力輸送技術與摩爾-庫侖理論非開挖鉆孔泥屑鉆頭設計[J].機械設計與研究，2012，28（5）：87～90.

[2]劉海蘭，李小平，芮延年，等.基于粉體力學理論的非開挖鉆孔干法氣力輸送泥屑的研究[J].現代制造工程，2012，11（10）：132～135.

[3]李小平，劉海蘭，芮延年，等.非開挖鉆孔新型碎泥屑鉆頭力學模型研究[J].現代制造工程，2013，26（10）：70～72，107.

[4]李小平，劉海蘭，賴華清，等.非開挖市政道路施工鉆孔組合型多級破巖鉆頭設計[J].機械設計與研究，2013，29（5）：63～66.

[5]陳昊萍.試析新型小型非開挖市政道路施工鉆孔機器人方案設計[J].四川水泥，2014，18（12）：373，375.

[6]劉海蘭，李小平，芮延年，等.新型小型非開挖市政道路施工鉆孔機器人方案設計[J].機床與液壓，2013，41（10）：40～42，49.

[7]楊藝，李樹巍，嚴斌，等.非開挖水平定向鉆孔技術在浙江山塘整治中的應用[J].中國水運（下半月），2014，14（7）：380～381.

U415

A

1673-0038（2015）16-0199-03

2015-3-23