基于新型試驗裝置的管節摩阻力影響規律探究

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

頂管機施工以其非明挖性、掘進速度快、施工安全、對周圍環境影響較小、噪音小等優勢，被廣泛地用于給水排水、電力通信、油氣等市政和能源管線施工中。頂管機施工中其頂推力所要克服的阻力主要來源于兩個方面：一是掘進時土體給刀盤的作用力，即頂管機掘進時的迎面阻力；二是隧道周圍土體對頂管機和管道外壁的摩阻力[1]。其中，迎面阻力可通過相應的計算公式進行相對準確計算，而周圍土體對頂管機和管道外壁的摩阻力在計算時需考慮觸變泥漿的影響[2]，多依據經驗計算，而經驗計算出的摩阻力值偏差較大，為彌補偏差，往往在選取頂推油缸時，會將油缸頂推力安全系數選取較大值，這樣勢必會造成大馬拉小車的局面，導致不必要的浪費。故而觸變泥漿與管節摩阻力檢測具有十分必要的工程意義。

目前，國內針對觸變泥漿的滲透原理及形成機理、頂管摩阻力檢測的研究已取得了一定的成果，在試驗裝置及研究方法上有所突破[3～4]，但試驗裝置仍存在龐大、復雜、成本高的問題，也僅停留在實驗室狀態下試驗，工程項目中應用時可復制性不強。國內頂管工程中對觸變泥漿與管節摩阻力檢測的裝置，只有在施工過程中才知道觸變泥漿與管節的摩阻力大小，若遇到現場摩阻力較大的情況，需增配油缸，不僅延誤工期，更會消耗大量資金。因此需要開發一種成本較低，適用性廣，操作簡便，且能模擬檢測觸變泥漿與管節摩阻力的試驗裝置。

為此，本文探索出一種簡單實用的摩阻力試驗裝置，并利用該裝置探索了觸變泥漿壓力、靜置時間對于管節平均摩阻力的影響規律，該研究成果為頂推力的配置提供了參考依據，具有一定的應用價值。

1 試驗裝置及方法

1.1 管節摩阻力檢測試驗裝置

為實現管節摩阻力檢測，設計了一種新型頂管機用管節平均摩阻力檢測試驗裝置（圖1）。本檢測試驗裝置的前提是滿足如下假設條件：觸變 泥漿在管節外形成完整泥漿套，即管節與開挖原狀土無接觸。試驗裝置包括箱體、密封組合件、模擬管節、注漿與排漿用球閥、加壓件、壓力表、摩阻力檢測組合件。密封組合件連接于箱體左右兩側，模擬管節穿過密封組合件伸入箱體內部，注漿、加壓裝置設置在箱體上方，排漿裝置設置在箱體下方。加壓件包括高壓氣源和球閥；扭矩測試組合件包括扭矩板和數顯式扭矩扳手，其中數顯式扭矩扳手也可替換為驅動電機和扭矩傳感器的形式；模擬管節包括測試管節和密封管節，且測試管節和密封管節可以拆裝，便于不同粗糙度測試管節的更換。箱體與密封座連接面設有密封件，使箱體內形成密閉空間。試驗裝置通過旋轉運動模擬實際頂管施工中的直線運動，通過測量旋轉扭矩值，實現管道外壁與觸變泥漿摩擦阻力的測試功能。

圖1 管節摩阻力檢測試驗裝置

1.2 管節摩阻力檢測方法

管節摩阻力檢測試驗步驟如下。

1）將一定粗糙度的待測測試管裝配至摩阻力檢測試驗裝置。

2）保持箱體無漿液情況下，打開高壓氣動源閥門，向箱體內充入高壓氣體，觀察壓力表示數使壓力P維持在待測值，旋轉扭矩扳手（或打開驅動電機），讀出空載扭矩值M1i，記錄數據。

3）打開泥漿注入球閥，向箱體內注入待測觸變泥漿。

4）注漿完成后，關閉泥漿注入球閥，打開高壓氣動源閥門，向箱體內充入高壓氣體，觀察壓力表示數使壓力P維持在待測值。

5）再次旋轉扭矩扳手（或打開驅動電機），讀出扭矩值M2i，記錄數據。

6）依公式Fi=(M2i-M1i)/R，f平均=F/S計算出平均摩阻力f平均，記錄數據。其中：Fi為第i次試驗時的摩阻力；R為測試管節半徑；f為平均摩阻力；S為測試管節外表面積。

7）按試驗次數需求，重復步驟1～6。

管節平均摩阻力的檢測試驗分為空腔扭矩檢測、注漿扭矩檢測與平均摩阻力計算3 個部分。

空腔扭矩檢測：關閉泥漿注漿口和排漿口的球閥，高壓氣體注入口接空壓機。試驗時，通過控制空壓機，使密封箱體上壓力表的示數從0 增加到1.5MPa，壓力每增加0.1MPa，用數顯式扭矩扳手檢測該壓力下盾體扭矩的大小并記錄（每個壓力下記錄5 組數據，平均值為該壓力下盾體扭矩值），由此得到空腔扭矩M11、M12、M13……M1i的大小。

注漿扭矩檢測：將事先配置好的觸變泥漿漿液通過注入口注入密封箱體內，關閉泥漿注入口和泥漿出口的球閥，高壓氣體注入口接空壓機。試驗時，通過控制空壓機，使密封箱體上壓力表的示數從0 增加到1.5MPa，壓力每增加0.1MPa，用數顯式扭矩扳手檢測該壓力下盾體扭矩的大小并記錄（每個壓力下記錄5 組數據，平均值為該壓力下盾體扭矩值），由此得到注漿扭矩M21、M22、M23……M2i的大小。

最后通過步驟6 中的公式計算出各壓力狀態下的管節平均摩阻力。

2 試驗結果分析

2.1 觸變泥漿壓力變化對管節平均摩阻力的影響

觸變泥漿主要成分為膨潤土和水，其中加入的純堿、CMC 主要是為了改善觸變泥漿的分散性，黏稠度、水分保持能力以及懸浮性[5]。本次試驗減摩劑采用砂性軟土地層常用觸變泥漿，配比：膨潤土∶純堿∶CMC∶水=400∶5∶3∶700。回轉轉速按照常規頂管頂進速度40mm/min 進行換算得0.143rad/min，約為1/7r/min。

為消除壓力變化對密封產生抱緊力的影響造成的對實驗結果的干擾，在加注觸變泥漿前后分別進行加壓試驗進行扭矩測試，試驗壓力從0.1～1.5MPa，每間隔0.1MPa 進行測試一組，并求得各壓力下的扭矩平均值，如表1 所示，經實驗數據繪制出的平均摩阻力隨觸變泥漿壓力變化而變化的曲線，如圖2 所示。

表1 不同壓力下加注觸變泥漿前后實驗數據

圖2 平均摩阻力曲線

由圖2 可知，在該配比的觸變泥漿環境下，當觸變泥漿壓力小于0.6MPa 時，壓力的變化對平均摩阻力的影響較小，平均摩阻力處于一個相對穩定的數值上；當觸變泥漿壓力超過0.6MPa時，隨著壓力的升高，平均摩阻力有一個較快的增大過程，而當觸變泥漿壓力增大到一定程度后（該配比的觸變泥漿壓力轉變值約為1.2MPa），平均摩阻力的增速又趨于平緩。這說明，在正常施工的條件下，如果觸變泥漿壓力設定在0.6MPa 以下，那么在這個范圍內，無論觸變泥漿壓力為多少，平均摩阻力的值幾乎處于一個穩定的狀態。對于壓力在0～0.6MPa 之間的平均摩阻力，圖3 給出了一個放大圖。由圖3 可知，在觸變泥漿壓力0.6MPa 以內的常規頂管項目施工中，能夠形成完整泥漿套的前提下，平均摩阻力的值在2～2.25kN/m2范圍內。

2.2 觸變泥漿靜置時間對管節平均摩阻力的影響

在0.3MPa 觸變泥漿壓力條件下，模擬設備長時間停機狀況時的啟動過程，對比連續運動時觸變泥漿摩阻力和觸變泥漿靜置1 天、2 天、3 天、4 天的啟動摩阻力大小，繪制平均摩阻力隨觸變泥漿靜置天數變化而變化的曲線，如圖4 所示。

圖3 0.1～0.6MPa壓力下的平均摩阻力曲線

圖4 管節平均摩阻力隨觸變泥漿靜置時間變化曲線

由圖4 可知，持續停機狀態后再次工作時平均摩阻力急劇增大，靜止時間超過兩天后平均摩阻力基本維持在平衡狀態，這是由于觸變泥漿的易凝特性導致停機后觸變泥漿固化抱緊管節，同時液態到固態轉變后摩擦系數也相應增大，即便在本試驗密閉空間、觸變泥漿不失水的狀態下，停機一天管節摩阻力仍增大了62%。這表明頂管工程施工中，長時間停機后再次啟動時頂推阻力的急劇增加會使頂推作業變得困難，故建議頂管因特殊情況長時間停機時也應向盾體周邊經常性的進行補漿，或在停機狀態時時常進行頂推蠕動，防止觸變泥漿固化。

3 結語

1）該新型摩阻力試驗裝置，創新性的將頂管的直線運動轉換為回轉運動進行摩阻力檢測，模擬管節處于封閉的腔體內，腔體兩端開口支撐管節，同時設計了可承受高壓、旋轉運動的回轉密封組件，實現封閉環境中較高壓力狀態下減摩泥漿減阻效果的持續檢測，具有較高的檢測精度。此外，動力及摩阻力檢測采用數顯扭矩扳手即可，減摩泥漿加壓方式只需將調配好的減摩泥漿人工倒入到腔體內，然后將高壓氣動源（如空壓機）接入即可通過氣壓來間接調節減摩泥漿試驗所需的壓力。此裝置操作簡單、便攜，易于工程項目現場檢測使用。

2）利用本裝置，探索了對觸變泥漿壓力大小、管節靜置時間與管節平均摩阻力大小之間相關關系，得出了不同觸變泥漿壓力下的摩阻力大小值，及觸變泥漿靜置時間對摩阻力的影響規律，對頂推力的配置、頂管施工組織的安排提供了參考依據，具有一定的應用價值。

本文設計了新型摩阻力檢測試驗裝置，在平均摩阻力的影響因素研究方面取得了一定成果，利用該裝置進行觸變泥漿類型、管節類型（不同管節材質：混凝土管節、鋼管節，不同管壁粗糙度）變化對管節平均摩阻力影響規律的探索，將是下一步研究方向之一。