極小半徑曲線頂管機設計研究與應用

莊欠偉　彭世寶

摘要：為了對曲線頂管機和其推進裝置主要的施工參數(shù)及設備性能進行研究，介紹了曲線頂管技術的發(fā)展、設計理念、工藝原理及特點；敘述了曲線頂管機在室外工地現(xiàn)場推進施工的應用過程，通過精心試驗測量和推進施工，曲線頂管機的設計和應用得到很好的展現(xiàn)，驗證曲線頂管技術的創(chuàng)造和應用前景，為今后盾構隧道施工地層中接合、擴寬、分岔、合流、工作井擴寬等施工打下基礎。

關鍵詞：非開挖施工；小曲率半徑；曲線頂管；現(xiàn)場推進

中圖分類號：U455.3文獻標志碼：B

Abstract： In order to study the main construction parameters and performance of the machine and its propulsion system， the curved pipe jacking machine was introduced in aspects of the development， design philosophy， technical principle and features. The operation of curved pipe jacking machine in construction site was described. Through careful tests and practical use， the curved pipe jacking machine was well demonstrated and verified. The curved pipe jacking technology has shown it capability of construction of jointing， expanding， dividing， merging and widening of working well.

Key words： trenchless construction； small radius of curvature； curved pipe jacking； onsite propulsion

0引言

當前中國城市軌道交通建設正處于迅猛發(fā)展時期，但復雜的周邊環(huán)境制約著城市地下空間的發(fā)展。近年來，國外發(fā)明了一種新型的非開挖地鐵車站建造技術[[15]，這就是曲線頂管技術。之所以稱為“曲線頂管”，是因其頂管殼體和管節(jié)都是弧形的，而且它的推進裝置也是有著同樣曲率半徑的弧形導軌，可以使曲線頂管和管節(jié)沿著既定的曲率半徑推進。

可以這樣定義這一工法[78]：采用曲線鉆孔裝置（曲線頂管）敷設直徑小于500 mm的鋼管，進行凍結工藝和化學注漿等地基加固，然后以非開挖方式進行地下空間構筑和拓寬的技術。該工法施工設備體積小，使用較為靈活，不僅可用于地下車站的建造，還可用于盾構法施工隧道的地下對接、已有地下構筑物的拓展以及連接合并2條隧道區(qū)間部等場合。目前中國用于凍結管和暗挖法超前支護的鉆孔方式均為直線成孔，即使采用定向鉆和普通曲線頂管成孔（外環(huán)線隧道注漿/珠海管幕），其曲率半徑也會超過100 m，因此研發(fā)出功能更加優(yōu)異的極小半徑曲線頂管機很有必要[919]。本文對曲線頂管機和其推進裝置主要的施工參數(shù)及設備性能進行了三維模型模擬推進試驗和室外工地現(xiàn)場推進施工應用試驗，驗證了極小半徑曲線頂管機設計的合理性和優(yōu)異性。

1極小半徑曲線頂管機設計

圖1為極小半徑曲線頂管機試驗推進設備的平面圖。其中，頂管機推進支架對整個頂管機進行支撐與固定；推進油缸對機頭后部鋼管節(jié)進行推進，這是頂進的動力來源；平移油缸用于對整個推進油缸組的平移，使推進油缸保持在所推進弧形鋼管節(jié)的切線方向上；鎖緊油缸伸縮帶動鎖緊夾具卡盤，對推進外管節(jié)進行夾緊；頂管機機頭后部的管節(jié)分為內(nèi)管節(jié)與外管節(jié)，在推進完成后，內(nèi)外管節(jié)可進行分離，內(nèi)管節(jié)可整體拉出；固定油缸伸縮帶動固定夾具用于整體固定機頭和管節(jié)；使用Φ300 mm曲線頂管機進行頂進，曲線頂管機機頭可回收，并具有糾偏裝置；整個頂管機的推進反力由固定于地面的反力底座或者現(xiàn)場鋼筋混凝土場地地腳螺栓提供。

圖2為極小半徑曲線頂管機的頂端挖掘設備，其驅(qū)動裝置由3個小刀盤、行星齒輪軸、行星架中心軸、密封圈和固定內(nèi)齒輪等部分組成。小刀盤固定在行星齒輪軸上；行星齒輪軸安裝在行星架中心軸前方的3個孔內(nèi)，行星齒輪軸的外齒輪與固定內(nèi)齒輪進行內(nèi)嚙合；行星架中心軸轉(zhuǎn)動帶動行星齒輪軸進行公轉(zhuǎn)，行星齒輪與固定內(nèi)齒輪嚙合形成行星齒輪軸自轉(zhuǎn)。行星齒輪軸帶動3個小刀盤復合運動，附著其上的刀具產(chǎn)生的切削軌跡能夠形成完整的圓形斷面，從而達到切削出圓形斷面的目的。

2現(xiàn)場推進試驗概況

2.1Solidworks 三維模擬推進

為了和現(xiàn)場實際推進試驗效果做參考對照，事先采用Solidworks 三維軟件進行現(xiàn)場模擬推進，如圖3所示。收集記錄極小半徑曲線頂管推進試驗的理論推進數(shù)據(jù)，為實際現(xiàn)場推進試驗做指導，使現(xiàn)場試驗能夠順利顯著的完成推進施工。

推進試驗理論參數(shù)包括：推進曲率半徑（5 m），機頭推進深度（3.5 m，最深處），推進路徑進出總長（1266 m），機頭推進進出角度（145.08° ）。

2.2現(xiàn)場實際推進試驗

根據(jù)試驗要求現(xiàn)場事先進行鋼筋混凝土地基澆注，預埋用于固定推進支架的地腳螺栓、進洞溝槽、襪套固定板和出洞溝槽；根據(jù)事先三維模擬試驗情況逐步進行現(xiàn)場試驗推進施工?，F(xiàn)場推進試驗如圖4所示。

試驗具體操作步驟如下。

（1）安裝定位推進支架裝置，固定地腳螺栓。

（2）安裝進洞溝槽內(nèi)推進襪套裝置。

（3）安裝鋼管節(jié)吊裝結構（懸臂吊），機頭安裝至推進裝置，調(diào)節(jié)機頭至進洞口。

（4）電氣、液壓和泥漿系統(tǒng)安裝連接并調(diào)試。

（5）試驗推進，并記錄推進力、鎖緊力、推進速度以及推進行程相關數(shù)據(jù)。

（6）機頭出洞后，測量機頭進出洞實際推進情況，處理試驗數(shù)據(jù)并與理論數(shù)據(jù)做對比查看推進效果。

2.3現(xiàn)場推進試驗機頭姿態(tài)測量

為了能夠?qū)崟r了解頂管機機頭位置，在推進管節(jié)內(nèi)設置有用于測量曲線頂管機機頭位置的測量裝置。

試驗測量操作步驟如下。

（1）在頂管機機頭處選取1個測量點并做測量標記。

（2）機頭連接1#外管節(jié)內(nèi)連接有用于固定測量設備的1#內(nèi)管節(jié)，內(nèi)管節(jié)尾部安裝定位測量裝置。

（3）隨著頂管機推進，1#管節(jié)之后逐節(jié)增加內(nèi)外管節(jié)，每節(jié)內(nèi)管節(jié)均安裝1個測量照相機，如圖6所示。

（4）推進過程中每增加1個測量裝置都要將其連接電腦，測量1組數(shù)據(jù)。

（5）通過測量數(shù)據(jù)實時計算，與頂管機推進理論數(shù)據(jù)實時對比，了解頂管機機頭推進位置。

通過對試驗推進機頭位置進行實時測量，可獲得機頭在水平方向的偏差和垂直方向的推進深度偏差，如圖7所示，機頭在水平方向向左偏移48.7 mm；如圖8所示，機頭實際最大推進深度為3 592.46 mm，較之理論最大推進深度3 500 mm大了92.46 mm。實際推進水平偏差和推進深度偏差均在允許范圍內(nèi)，這一測量數(shù)據(jù)也反映了曲線頂管機機頭和推進裝置設計的合理性與有效性。

3結語

通過室內(nèi)測量試驗，獲得了極小半徑曲線頂管機鎖緊裝置鎖緊油缸油壓與臨界推進油缸油壓的關系，同時也測量了推進油缸推力與底座反力，為現(xiàn)場推進試驗取得了關鍵的施工參數(shù)；在室外現(xiàn)場實際推進試驗過程中，通過對頂管機機頭位置實時測量，順利完成頂管機的頂出，其機頭出洞效果以及機頭出洞位置均在有效范圍內(nèi)，現(xiàn)場3次有效的順利推進試驗，充分驗證了極小半徑曲線頂管機推進設備設計的合理性和有效性。

參考文獻：

[1]亀岡美友，粕谷太郎.曲線ボーリング工法（TULIP工法）の開発[J].土木學會誌， 1995（4）：3639.

[2]李太惠.用盾構連續(xù)開挖隧道后建筑淺埋地鐵車站[J].地鐵與輕軌，1994（4）：4546.