土壓平衡箱涵掘進機的設計研究

蔣曉天

(上海城建市政工程(集團)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，這會導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點，嚴重時會導致區域交通擁堵，間接造成整個交通網出行效率降低。通過新建或擴建下穿快速路地道，消除快速路建設形成的交通瓶頸節點，對于緩解區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應用十分廣泛，但是由于“背土效應”，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]通過對頂管施工進行模擬，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，可以有效減少控制箱涵開挖階段的土體損失率，控制沉降。常規的管幕箱涵施工需要輔助水平加固或者導管注漿來保證管幕內土體強度，提高其自立性。由于大量穿越鐵路及公路建設工程的存在，日本在管幕箱涵工法方面有著很多案例，遍布日本全境。在國內，上海市中環線虹許路—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，采用特殊設計的網格式工具頭來保證開挖面的穩定。朱合華等[6]的研究表明，網格式工具頭正面平衡主要通過網格內土體在穩定的前提下摩擦力與土壓力始終平衡來保證。肖世國等[7-8]根據開挖面的土拱效應進行分析，采用靜力平衡條件與土體的剪切強度條件作為基本控制條件，可以確定網格的橫截面尺寸； 在實際推進施工中，隨著網格后端土體的挖除，產生卸荷作用，網格內壁各面的土壓力發生變化，需要不斷調整開挖量來維持力學平衡狀態，對于施工現場控制難度高，存在一定的風險。已有學者[9-12]對箱涵推進階段土體變形的風險進行研究分析，得出一旦正面平衡失穩會造成頂排管幕下沉，引起地表變形和地基沉降。綜上可知，目前國內管幕箱涵工程主要采用網格式工具頭作為箱涵掘進設備，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格摩擦力之間的平衡失穩，存在較大的施工風險。本文依托于田林路下穿中環線地道項目，采用1臺全封閉的土壓平衡箱涵掘進機施工，對其在管幕箱涵工法應用中的可行性及安全性進行分析研究，并通過有限元計算[13]，確保箱涵掘進機能夠承受土體荷載以及掘進機本身切削設備的轉矩。

1 設計條件

田林路下穿中環線地道(中環線交通節點改善工程)新建工程位于徐匯區漕河涇開發區中部，是田林路上重要的交通節點，西起古美路，東至桂平路，并下穿中環線，全長約1 032.78 m。下穿中環線地道長86 m，箱涵頂覆土6.3 m。穿越段地道斷面布置為3條機動車道和2條非機動車道，箱涵斷面長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淤泥質粉質黏土，兩側和底排鋼管幕多處于④淤泥質黏土。地質剖面如圖2所示。

圖2 地質剖面圖 (單位： m)

地基土的物理力學性質指標見表1。由表1可知： 1)③號土的含水量w=40.6%，黏聚力c=12.0 kPa，內摩擦角φ=18°，無側限抗壓強度qu=40 kPa，靈敏度為2.6； 2)④號土的含水量w=50%，黏聚力c=11 kPa，內摩擦角φ=11.5°，無側限抗壓強度qu=35 kPa，靈敏度為2.8。

表1 地基土的物理力學性質指標

2 主要設備參數選擇

2.1 刀盤切削系統

箱涵掘進機刀盤系統從經濟性方面考慮，利用3臺地鐵盾構刀盤系統進行再制造，如圖3所示。周邊布置有8臺小刀盤，大、小刀盤錯層布置，有效切削率達到92%。刀盤具體參數配置見表2。

圖3 箱涵掘進機刀盤示意圖

2.2 掘進機殼體

箱涵掘進機配置見圖4，整個殼體寬19.84 m，高6.42 m。為了方便現場吊裝以及城市內道路運輸，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，外周進行水密焊接。

表2 刀盤參數配置

圖4 箱涵掘進機配置圖 (單位： mm)

2.3 螺旋輸送系統

箱涵掘進機出土采用4臺螺旋機將土艙內渣土排出至皮帶機后，再通過2節800 mm機內皮帶機匯總至1節1 200 mm皮帶機，輸送至敞開段集土坑內，然后利用挖機裝車外運。螺旋輸送機技術參數見表3。

表3 螺旋輸送機技術參數

為了保證施工連續性，在工作井區域設計一段可伸縮式皮帶機，如圖5所示。皮帶機長28 m，一端安裝于末節箱涵尾部，另一端安裝于暗埋段內。箱涵推進階段隨箱涵前伸，保證持續出土； 推進完成后可通過卷揚機將皮帶架拉至暗埋段內，減少對后續箱涵結構制作過程中的影響。

2.4 同步推進系統

箱涵推進系統根據結構后靠反力系統[14]最大承受能力設計，采用70只250 t液壓油缸，分為7組，最大總推力為171 500 kN，推進階段按照147 000 kN推力作為控制推力。同步推進系統如圖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套獨立液壓泵站驅動控制。箱涵掘進姿態依靠已完成的管幕群作為導向，上海市中環線虹許路—北虹路下立交工程應用表明，同步推進系統[15]能夠有效地確保箱涵平面姿態。根據安裝在箱涵兩側的激光測距儀實時監測偏差值，并通過專家PID控制算法同步調節每組泵站變頻器輸出頻率，控制液壓缸推進速度，實現同步推進。

圖5 伸縮式皮帶輸送機示意圖 (單位： mm)

圖6 同步推進系統

3 殼體結構受力分析

田林路項目箱涵掘進機橫斷面尺寸達到19.8 m，而且有3臺大刀盤同時切削，箱涵殼體結構穩定性是本次箱涵設計的關鍵。設計階段采用SolidWorks三維平臺進行建模分析，以殼體結構為對象，作業荷載主要以等效荷載作用方式進行加載計算。

3.1 邊界條件

3.1.1 一般條件

垂直荷載和側壓力示意圖見圖7。按照覆土深度8 m，正面土壓力400 kPa，并根據箱涵掘進機技術規格書添加轉矩、傾覆力矩，包括3臺大刀盤、4臺1型小刀盤、4臺2型小刀盤。殼體作業負載加載示意圖如圖8所示。

圖7 垂直荷載與側壓力示意圖

圖8 作業負載加載示意圖

3.1.2 約束條件

根據頂管機的作業狀態設定計算約束條件，如圖9所示。以底板座底基礎土層、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 受力計算分析

3.2.1 應力分析

根據計算結果數據，以應力分布圖進行說明。

3.2.1.1 最大應力集中點

圖10示出250、270 MPa應力分布，最大應力集中位置主要在土艙隔板后大軸承筋板遠端、螺旋機接口附近筋板端頭等變截面位置。其中大于250 MPa的應力集中位置主要包括兩側柱軸承水平筋板在外殼側面與后隔板角位。由圖10可知，計算得到的高應力范圍很小，屬于截面突變造成的應力集中。

圖11示出最大應力集中點應力分布。由圖11可知，應力集中點的高應力范圍衰減很快，處在安全區間。

3.2.1.2 一般應力集中點

圖12示出200、150 MPa應力分布。由圖12可知，除了上述最大應力集中點位置外，一般計算得到的高應力范圍局限于中間下部小刀盤、螺旋輸送機位置，屬于截面突變造成的應力集中。

(a) 左側軸承(前視)

(b) 右側軸承(前視)

圖11 最大應力集中點應力分布圖 (單位: MPa)

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

圖12 150、200 MPa應力分布圖 (單位: MPa)

圖13示出一般應力集中點應力分布。由圖13可知，一般應力集中點位置的應力均不超過250 MPa，處于安全界限范圍內。

圖13 一般應力集中點應力分布圖 (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，最大位移發生在土艙入艙門處，為3.8 mm(入艙門根據計算需要進行了簡化，以板模擬承載)，同時該區域加強筋板相對最少。因此，該變形不影響實際結構安全條件。

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 計算結果

根據對上述殼體應力以及變形的分析，箱涵殼體模型結構在荷載條件下基本可以滿足強度要求。在局部筋板變截面位置有應力集中，說明本次設計筋板的布置位置分擔了殼體的應力，是合理的。后續制造過程中，可以通過采用加強焊縫、圓角過渡等措施來進一步降低該區域應力。

4 應用情況及效果

田林路下穿中環線地道箱涵施工已于2018年12月完成全部86 m箱涵推進，箱涵平均推進速度為10 mm/min，現場照片如圖16所示。推進階段通過同步推進系統糾偏，能夠將整個箱涵左右行程偏差始終保持在10 mm以內。

圖16 箱涵掘進機現場照片

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，所以在加固區階段推力較大，達到78 400 kN，其余正常推進階段推力控制在58 800 kN以內，滿足后靠設計要求。推力變化曲線見圖17。

中環線地面豎向位移監測點共設置12個橫斷面，在中環線輔道范圍內每個斷面布置有7個監測點，中環線主路范圍內每個斷面布置有9個監測點，監測點分布見圖18。在整個箱涵推進過程中，通過地面監測結果可知，沉降始終控制10 mm以內。

圖18 監測點布置圖

5 結論與討論

1)本項目首次在箱涵推進施工中采用了土壓平衡箱涵掘進機平衡正面土壓力，整個箱涵掘進階段，地面沉降控制在10 mm以內，中環線運行全程未受到影響，有效地降低了施工風險。通過箱涵掘進機螺旋輸送機機、皮帶輸送機以及同步推進系統的合理選型，能夠滿足推進過程中的不間斷施工要求，提高施工效率。

2)利用SolidWorks三維平臺對于箱涵掘進機的殼體進行建模受力分析，得出該結構設計完全能夠滿足施工荷載條件。在局部變截面位置有應力集中，設計過程中可以通過圓角過渡來改善該區域應力情況。

3)箱涵掘進機設計未設置糾偏系統，姿態控制主要依靠已完成的管幕作為導向，通過同步推進系統控制左右行程偏差，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，推進過程中需要同步注入膨潤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)從經濟性方面考慮，本項目箱涵掘進機切削系統主要利用了3臺地鐵盾構刀盤系統進行再制造，整個刀盤切削率為92%，存在一定的切削盲區，在推進過程中，盲區土體堆積容易產生推力過大的問題。下一步將會針對盲區部位處理措施展開研究討論，并對刀盤切削系統進一步優化。