復合地層矩形頂管機關鍵技術及應用
——結合重慶天宮殿下穿快速路項目

2023-10-18 04:09:16薛廣記舍躍斌諶文濤

隧道建設(中英文) 2023年9期

范磊, 薛廣記, 舍躍斌, 諶文濤, 馮猛

(中鐵工程裝備集團有限公司, 河南鄭州 450016)

0 引言

矩形頂管機發展迅猛,在城市地下通道建設中,正扮演越來越重要的角色[1]。但目前矩形頂管機的適用地層相對單一,主要適用于淤泥、黏土、粉土、砂土等軟土地層[2-3],其對于復合地層的適用性,僅在砂卵石地層中得到了應用驗證[4-5],究其原因,常規矩形頂管機采用的圓形刀盤組合開挖存在盲區[6-8],尤其在基巖凸起的上軟下硬復合地層中,無法實現全斷面開挖。鄭永光等[9]對異形掘進機擺動刀盤、仿形刀盤等結構形式及驅動進行分析,研究結果表明,上述刀盤能夠實現全斷面開挖,但只適用于軟土地層,無法適應強度較高的硬巖地層開挖。

針對復合地層矩形斷面頂管施工,馬鵬等[10]對先導式開挖矩形頂管裝備進行研發,通過切割面分區、分段和錯位開挖解決復合地層矩形頂管難題,但未能實現復合地層矩形斷面一次成型開挖。對于復合地層矩形全斷面頂管施工,劉佼等[11]結合莆田下穿火車站項目,提出復合地層盲區預處理施工工藝以及集成了滾筒和銑挖頭2種盲區處理裝置的開挖系統,并對擺動銑挖頭盲區開挖裝置進行結構仿真分析,但該裝置對渣土改良要求較高,不適用于土艙下部積渣工況開挖。

依據上述研究,目前復合地層矩形頂管施工主要考慮預處理及分區開挖等施工工藝,對全斷面機械化開挖還處于探索階段。本文結合當前復合地層矩形頂管全斷面開挖與施工難題,針對砂卵石復合地層、軟土與巖層復合地層、軟硬巖復合地層工程特點,分析了矩形頂管機的適應性;同時,結合工程案例,重點介紹軟土與巖層(抗壓強度<50 MPa)復合地層矩形頂管機開挖及掘進關鍵技術及應用情況。

1 復合地層矩形頂管機適應性分析

復合地層指由2種或2種以上地質所組成的地層,其組合方式復雜多樣。在隧道施工中,涉及較多的復合地層包括砂卵石復合層、軟土與巖層復合層以及軟硬巖復合層等。目前,矩形隧道的機械法開挖中,矩形頂管機在上述各地層的設備適應性特征如下。

1.1 砂卵石復合地層

砂卵石復合地層細砂含量較高,結構松散,穩定性差,且孔隙率大、透水性強,開挖面容易涌水、涌砂,如果掌子面水、砂大量流失會造成開挖面失穩、地面沉降甚至坍塌[12]。該地層在矩形頂管施工中,開挖系統除需解決卵石切削外,還需對掌子面提供穩定支撐。針對上述工況,矩形頂管機開挖選用多個小刀盤同平面布置形式,這樣可以減少對掌子面的擾動。相比于前后平行軸式多刀盤布置形式,該布置方式能夠很好地支撐掌子面,同時結合帶式螺旋輸送機形成以排為主、以破為輔的開挖方式。另外,盲區位置采用盾體切刀及高壓水/空氣沖刷進行切削,開挖系統如圖1所示。該類型頂管機一般只能適用于卵石地層,且開挖盲區較大,無法適應巖層開挖,應用具有一定局限性。

圖1 矩形同平面多刀盤開挖系統

1.2 軟土與巖層復合地層

軟土與巖層復合地層一般指隧道施工中常見的上軟下硬地層,即地層下部基巖凸起(如強風化、中風化巖石),上部通常為軟土或伴有砂層,失穩風險大。針對該類地層,常規盾構圓刀盤可達到理想的切削效果,而多刀盤矩形頂管機存在開挖盲區,常規盲區處理裝置(如盾體切刀、風鉆)無法處理下部基巖,最終導致無法頂進。因此,針對軟土與巖層類復合地層需重點解決盲區處理問題,實現全斷面開挖。

對此,軟土與巖層復合地層矩形頂管機開挖系統可選用多刀盤和盲區開挖裝置組合的方式,保證開挖設備的切削范圍全斷面覆蓋。目前,盲區輔助開挖系統主要有銑挖頭、破巖滾筒2種,可用于強度<50 MPa的巖石切削,也可根據不同地層的要求,設計選用其他輔助開挖裝置如鉆頭、破碎錘等。全斷面組合開挖矩形頂管機開挖系統如圖2所示。

1—刀盤; 2—盲區開挖裝置。

目前,對于軟土與巖層復合地層矩形頂管機的研究尚處于空白階段,究其原因,復合地層開挖及出渣技術成為制約其發展的重要因素。第2節將以工業試驗項目為基礎,對該類型矩形頂管機開挖及出渣等關鍵系統的設計及應用進行論述。

1.3 軟巖硬巖復合地層

對于軟巖硬巖復合地層,其巖石強度高(部分≥50 MPa),地層穩定且含水量少,開挖掌子面有一定的自穩性,該地層施工可選用敞開式矩形頂管機[13],其整機結構如圖3所示。

1—擋板; 2—插刀; 3—擋板油缸; 4—插刀油缸; 5—前盾; 6—中盾; 7—鉸接系統; 8—尾盾; 9—開挖裝置; 10—管片。

敞開式矩形頂管機主要由開挖裝置、盾體系統、鉸接系統、頂推系統、操作臺、電力系統、控制系統以及導向系統等組成。其開挖裝置為獨立設備,可根據具體地質情況選用適當的挖掘設備,如根據巖石強度的不同,可選用懸臂掘進機、劈裂一體機以及鏈鋸等。支護系統主要包括前盾前端拱頂的多組插刀擋板,每個插刀擋板組件包括插刀、擋板、插刀油缸、擋板油缸以及銷軸等,如圖4所示。在插刀油缸的推動下插刀向前方伸出頂至掌子面形成“帽檐”,用于清邊并支撐上方土體,以防止隧道拱頂軟巖層土體坍落。擋板上端通過銷軸鉸接在插刀前端,擋板中部通過油缸與插刀尾部鉸接。插刀向前伸出時,擋板跟隨插刀一起移動,移動到位后,擋板油缸驅動擋板繞插刀前端轉動,轉動到與掌子面貼合并對開挖面上方土體形成有力支撐。

圖4 敞開式矩形頂管機插刀擋板的結構形式

2 軟土與巖層復合地層矩形頂管機設計關鍵技術

2.1 依托工程概況

以重慶天宮殿下穿快速路隧道項目為依托對復合地層矩形頂管機關鍵技術進行研究。該項目開挖斷面尺寸為10.42 m ×7.57 m(寬×高),管節斷面尺寸見圖5,隧道長度為170 m,覆土為4 m。

圖5 管節斷面尺寸(單位: cm)

施工地層主要為回填土、中等風化泥巖、中等風化砂巖地層,見圖6。其中,隧道接收洞口處地層為回填土,長度約為30 m,由黏性土、砂泥巖碎塊石等組成,硬質物粒徑為10～500 mm,質量分數為10%～30%。隧道主體穿越地層以第四系松散土層中等風化泥巖和中等風化砂巖為主,巖層較為完整,巖體屬層狀結構,飽和抗壓強度標準值分別為6.16、23 MPa,局部巖石強度可能達到40 MPa左右,設備面臨刀盤破巖、土艙改良及排渣困難等難題。

圖6 地質情況

2.2 復合地層分層開挖技術

2.2.1 開挖方式及整體布置

針對本項目地層,為了保證對巖層的切削性,刀盤采用復合式設計,同時,參考軟土矩形多刀盤布置方式。刀盤采用前后布置的形式,以增大開挖面積切削率;針對巖石復合地層,為解決前后刀盤之間的開挖盲區,增加盲區切削裝置;由于本項目覆土較淺,銑挖頭容易造成土體擾動沉降,因此選用破巖滾筒裝置。綜上,本項目開挖系統采用復合刀盤+滾筒切削分層的布置方式,見圖7。

圖7 矩形頂管機開挖系統布置方式

該布置方式首層開挖采用3個復合刀盤,刀具配置包含滾刀、撕裂刀和刮刀,開口率為40%,滿足復合地層的切削;第2層3個復合刀盤與首層采用相同的結構設計,且部分開挖區域重合,形成3前3后布置,擬合矩形斷面的開挖;前后刀盤采用小間隙設計,防止刀盤卡住石塊,導致結構損傷;第3層開挖裝置布置在多刀盤后部盲區位置,采用6個滾筒進行切削。由于地層上軟下硬,上部和左右兩側大部分為回填土或極軟巖,同時渣土不易堆積,因此刀具采用截齒;下部滾筒切削地層硬度高,且渣土易堆積,因此采用滾刀形式(見圖8)。

圖8 分層開挖示意圖

通過以上開挖布置形式,最終形成前后復合刀盤+滾筒的分層開挖方式,實現開挖斷面全覆蓋,并能夠滿足強度<50 MPa巖層的切削。

2.2.2 盲區破巖滾筒設計

2.2.2.1 滾筒結構設計

由于下部土艙壓力高,渣土易堆積,對滾筒轉矩及破巖能力要求高,因此先對下部滾筒進行針對性分析。根據劉送永[14]對采煤機懸臂截割滾筒裝置及其應用情況的分析,配備截齒的滾筒無法適應密閉土艙施工工況。因此,結合隧道掘進專用設備常用截割滾筒和TBM滾刀破巖技術,下部盲區破巖滾筒將TBM盤型滾刀按特定布置方式安裝在滾筒外壁,見圖9。通過頂管機的頂推力和滾筒轉動帶動滾刀切削掌子面(見圖10),其切削面為矩形,其作為輔助開挖裝置布置在刀盤后方盲區位置,用于破除該位置的巖體。同時,為增強排渣能力,在滾刀分布螺旋線平行配置刮渣板。

圖9 破巖滾筒

圖10 滾筒破巖機制

滾刀螺旋線布置方式能夠實現滾刀順次破巖,即前一把滾刀為相鄰后一把滾刀留出破巖凌空面,使碎巖及時排出,避免碎石剝離后二次破碎。同時,螺旋狀布置方式可以使滾刀和刮渣板相互配合,即滾刀破碎巖層的同時其相鄰刮渣板跟進排渣,避免剝離的渣石因不能及時排渣被滾刀反復破碎。滾筒總體質量周向均勻分布,設計時保證質心位于滾筒軸線附近,以減少旋轉時的偏載力;滾刀在滾筒軸線方向對稱分布(見圖11),滾筒某一角度瞬時受力可以由兩側軸承共同均攤,避免一側軸承支反力過大,保證軸承使用壽命。

(a) 布刀軸向視圖

滾筒主要由滾筒安裝座、筒體、液壓馬達、減速機、回轉支承、滾刀、刮渣板等組成。受空間影響,驅動采用功率大、體積小的液壓驅動方式集成在滾筒內部兩側,驅動力經過減速機傳遞給滾筒,其結構如圖12所示。

圖12 滾筒結構示意圖

2.2.2.2 滾筒受力分析

頂管機掘進時,刀盤對掌子面進行先行開挖,滾筒在刀盤后部對盲區位置巖柱進行破除。根據實際工況,滾筒主要受到土艙壓力、破巖阻力、旋轉力矩的共同作用,其受力情況如圖13所示。

圖13 滾筒受力示意

滾筒旋轉阻力矩T主要包括筒體上參與切削的滾刀切向力產生的阻力矩之和、滾筒與土體摩擦力矩以及刮渣板推動土體產生的阻力矩。此外,滾筒旋轉阻力矩還包括密封摩擦阻力矩等,但其數值遠小于滾刀受力產生的阻力矩,在此不予考慮。旋轉阻力矩由驅動系統轉矩平衡。

(1)

式中:T1為滾刀切向力產生的阻力矩,N·mm;T2為滾筒與土體摩擦力產生的阻力矩,N·mm;T3為刮渣板受力產生的阻力矩,N·mm;FRi為第i把滾刀的滾動力[15],N;F摩為滾筒旋轉與土體產生的摩擦力,N;F1為刮渣板受到的切向力,N;h1為滾刀及其安裝座的總體高度,mm;p為土艙壓力,MPa;R為滾動筒壁半徑,mm;μ為滾筒與土(巖)體的摩擦因數,取0.55。A1為滾動筒壁外壁圓柱面面積,mm2;A2為撥渣板在滾筒旋轉軸線垂直面上的投影面積,mm2;h2為撥渣板的高度,mm。

滾筒推進阻力F推由筒體上參與切削的n把滾刀受力Fi在掘進方向上的分力組成,由頂推力和驅動轉矩提供。

(2)

式中:θi為第i把滾刀在滾筒上的分布角度(見圖11),(°);φ為滾刀接觸角度,(°)。

刮渣板在滾筒表面呈螺旋線布置,在旋轉過程中刮渣板有撥渣的作用,將堆積在側面的土體帶向兩側,其會受到土體沿軸向方向的側向反力作用。迎向同一側的刮渣板受力為:

F2=ph2lμ/2。

(3)

式中l為刮渣板投影在滾筒軸線上的長度,mm。

2.2.2.3 仿真與分析

為了確保滾筒在帶壓環境下的工作能力和安全穩定性,使用ANSYS Workbench對滾筒的強度和剛度進行有限元仿真分析并優化設計。根據滾筒的主要受力情況,依據上述計算結果進行加載:在筒體上加載0.3 MPa的壓力,模擬滾筒在土艙內受到的土壓;考慮到滾筒正面切削,對迎向掌子面側的滾刀加載滾刀載荷計算結果Fi;此外,在刮渣板面加載刮渣產生的側向力F2以及轉矩T3;同時在滾筒加載摩擦產生的阻力矩T2。依據工況對滾筒兩端位移約束處理。加載及約束情況如圖14所示。

圖14 加載與約束情況

通過有限元計算得出滾筒應力及變形云圖,見圖15—16。從仿真結果可以看出,滾筒整體應力小于50 MPa,在強度方向滿足要求。其中,最大應力(152.31 MPa)在滾筒與安裝座焊接部分,即滾刀安裝座根部易產生應力集中,在生產過程中可通過把控滾刀安裝座的焊接工藝,確保結構的可靠性。滾筒最大變形量為0.31 mm,最大變形位于切削面偏底部位置,這與該處滾刀的受力角度以及滾刀布置較為密集有關,整體變形處于合理區間,滿足剛度要求。

圖15 滾筒應力云圖(單位: MPa)

圖16 滾筒變形云圖(單位: mm)

2.3 盲區開挖裝置渣土流動分析及聯合出渣技術

2.3.1 渣土改良技術

刀盤切削后的渣土必須要具有良好的塑性、流動性、止水性,合適的軟稠度,小內摩擦角及小滲透率,復合地層渣土不能完全滿足上述特性,需要進行針對性改良。改良的方法通常為添加水、膨潤土、黏土、聚合物和泡沫等添加劑[16],改良方式需要根據地層特性進行選擇。渣土改良的效果直接影響土艙壓力平衡控制、螺旋輸送機的出渣效率、切削轉矩、沉降控制等重要掘進參數。

軟土與巖層復合地層的渣土改良需要根據具體的地質情況,選擇對應的渣土改良方案,含土量較大的上軟下硬地層,可以只加入泡沫劑和水;如果地層軟土量少,土艙內的渣土攪拌后沒有足夠的黏著性,處于離析狀態,這種狀態的渣土不易形成土塞,但易出現噴涌,造成掌子面局部坍塌。對此改良劑可采用以膨潤土為主,黏土、泡沫劑為輔的改良方式,主要提高巖塊的包裹性,提升復合地層渣土攜帶石塊的能力。

2.3.2 滾筒渣土流動仿真分析與優化

2.3.2.1 CFD模型的建立

土艙渣土經過充分改良后,呈“塑性流變狀態”,即黏塑性流體[17],當屈服應力大于或等于剪切應力時,黏塑性表現出固體特性,當小于剪切應力時,表現出流體特性[18]。H-B模型常被用來描述含顆粒物懸浮液、泥漿等材料,其應力應變關系可表述為:

(4)

為了驗證滾筒排渣特性,本項目取改良后的土體模型參數如下: 密度為1 220 kg/m3,屈服黏度為680 Pa·s,靜切應力為12 kPa,黏度指數為1,冪律指數為1.095[19],建立滾筒CFD模型(見圖17)。將滾刀與刮渣板進行合并簡化,取螺旋寬度為120 mm、螺距為800 mm,并將滾筒放置于下部土艙,土艙周邊充滿改良后的渣土。

(a)

土艙渣土流場分布在滾筒周向范圍內,對該區域進行網格劃分,采用六面體加四面體網格,在保證網格質量的基礎上提高計算效率。

流域邊界條件設計主要包括渣土參數及滾筒運轉參數。該標段設備覆土為4～5 m,取下部土壓為0.1 MPa,滾筒轉速為0～15 r/min,流域周向邊界采用symmetry,以滿足滾筒周向進渣,兩側采用outflow邊界。

2.3.2.2 結果分析

對2種不同轉速(8、3 r/min)的滾筒進行模擬,渣土流動速度云圖如圖18所示。當轉速為8 r/min時,渣土平均流速為0.6 m/s;當轉速為3 r/min時,渣土平均流速為0.3 m/s;隨著轉速增加,滾筒往兩側排渣速率越快。

(a) 轉速8 r/min

2.3.2.3 滾筒結構參數優化分析

為滿足滾筒破巖的同時,增加滾筒排渣能力,在滾筒半徑及轉速確定的前提下,選取滾筒螺距作為研究對象,通過對不同螺距的排渣能力進行仿真分析,確定最優值。

選取7組螺距作為研究對象,依據上述方法,在設定滾筒轉速為8 r/min的情況下,對不同螺距的渣土平均流動速度進行分析,結果如圖19所示。

圖19 不同螺距下渣土平均流動速度

根據分組計算結果可知,當螺距逐漸增大時,排渣流速也逐漸增大,但當螺距超過一定值時,由于螺旋角變大,反而不利于渣土輸送,因此當螺距達到900 mm時,滾筒排渣效率最高。

2.3.3 聯合出渣技術

螺旋輸送機數量和位置關系到土艙內壓力的穩定性、地層沉降控制、掘進姿態控制、出渣效率等[20]。螺旋輸送機的數量主要與斷面的尺寸相關,當選用多螺旋輸送機出渣時,為了保證掘進水平姿態,螺旋輸送機要對稱布置。本項目斷面寬度為10 m級以上,一般采用多螺旋輸送機出渣。在軟土地層,螺旋輸送機一般布置在刀盤底部盲區位置,一方面防止渣土堆積,提高出渣效率;另一方面,盲區位置避開了刀盤和刀盤主驅動,為螺旋輸送機的安裝與檢修提供了較為充裕的空間。

在上軟下硬復合地層中,螺旋輸送機在盲區位置無法破除巖層,因此需對下部滾筒與螺旋輸送機安裝布置進行針對性設計。本項目中,將螺旋輸送機布置在刀盤后側(見圖20),滾筒分布在下部盲區位置,即采用3螺機+雙滾筒依次布置形式。根據滾筒流場分析,滾筒周邊渣土沿軸向向兩側流動,并由螺旋輸送機排出。采用該布置形式能夠避免渣土在盲區位置堆積,保證下部渣土的流動性,見圖21。

圖20 螺旋輸送機布置

圖21 下部渣流方向

3 復合地層矩形頂管機施工應用技術

重慶天宮殿下穿快速路矩形頂管機于2022年7月完成工廠組裝調試(見圖22),2022年12月始發(見圖23)。工程實踐證明,該開挖方式能夠滿足在中等風化砂巖、中等風化泥巖地層中的掘進,平均日掘進3 m。

圖22 重慶天宮殿下穿快速路復合矩形頂管機

圖23 項目始發

項目掘進過程中,底部滾筒位置土艙壓力實測值為0.12～0.14 MPa,設備運轉及出渣狀態良好,滾筒能夠滿足30 MPa巖層的高效切削;掘進35 m時開艙檢修,并對滾筒狀態進行檢查,現場滾筒應用情況見圖24。設備筒體無明顯變形,未出現積渣現象,滿足帶壓工況下的強度、剛度及排渣要求。

圖24 現場滾筒應用情況

另外,對滾筒轉矩進行統計分析,結果如圖25所示,將第5—24環滾筒轉矩值與設計計算值25.7 kN·m進行對比分析,根據監測值可以看出,滾筒實際工作轉矩在5～20 kN·m波動。由于掘進地質情況復雜且不單一,在掘進過程中滾筒受力較為復雜,且滾刀破巖具有瞬時性,造成數值波動較大,但總體小于理論轉矩,滿足設計要求。