極小半徑曲線頂管機(jī)設(shè)計研究與應(yīng)用

1、 極小半徑曲線頂管機(jī)設(shè)計研究與應(yīng)用 莊欠偉彭世寶Summary：為了對曲線頂管機(jī)和其推進(jìn)裝置主要的施工參數(shù)及設(shè)備性能進(jìn)行研究，介紹了曲線頂管技術(shù)的發(fā)展、設(shè)計理念、工藝原理及特點(diǎn)；敘述了曲線頂管機(jī)在室外工地現(xiàn)場推進(jìn)施工的應(yīng)用過程，通過精心試驗(yàn)測量和推進(jìn)施工，曲線頂管機(jī)的設(shè)計和應(yīng)用得到很好的展現(xiàn)，驗(yàn)證曲線頂管技術(shù)的創(chuàng)造和應(yīng)用前景，為今后盾構(gòu)隧道施工地層中接合、擴(kuò)寬、分岔、合流、工作井?dāng)U寬等施工打下基礎(chǔ)。Key：非開挖施工；小曲率半徑；曲線頂管；現(xiàn)場推進(jìn)：U455.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：BAbstract： In order to study the main construction parameters

2、 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 pra

3、ctical 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

4、 jacking； onsite propulsion0引言當(dāng)前中國城市軌道交通建設(shè)正處于迅猛發(fā)展時期，但復(fù)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(shù)15，這就是曲線頂管技術(shù)。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(jìn)裝置也是有著同樣曲率半徑的弧形導(dǎo)軌，可以使曲線頂管和管節(jié)沿著既定的曲率半徑推進(jìn)?？梢赃@樣定義這一工法78：采用曲線鉆孔裝置（曲線頂管）敷設(shè)直徑小于500 mm的鋼管，進(jìn)行凍結(jié)工藝和化學(xué)注漿等地基加固，然后以非開挖方式進(jìn)行地下空間構(gòu)筑和拓寬的技術(shù)。該工法施工設(shè)備體積小，使用較為靈活，不僅可用于地下車站的建造，還

5、可用于盾構(gòu)法施工隧道的地下對接、已有地下構(gòu)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(jié)管和暗挖法超前支護(hù)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(jī)很有必要919。本文對曲線頂管機(jī)和其推進(jìn)裝置主要的施工參數(shù)及設(shè)備性能進(jìn)行了三維模型模擬推進(jìn)試驗(yàn)和室外工地現(xiàn)場推進(jìn)施工應(yīng)用試驗(yàn)，驗(yàn)證了極小半徑曲線頂管機(jī)設(shè)計的合理性和優(yōu)異性。1極小半徑曲線頂管機(jī)設(shè)計圖1為極小半徑曲線頂管機(jī)試驗(yàn)推進(jìn)設(shè)備的平面圖。其中，頂管機(jī)推進(jìn)支架對整個頂管機(jī)進(jìn)行支撐與固定；推進(jìn)油缸對機(jī)頭后部鋼管節(jié)進(jìn)行推進(jìn)

6、，這是頂進(jìn)的動力來源；平移油缸用于對整個推進(jìn)油缸組的平移，使推進(jìn)油缸保持在所推進(jìn)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(jìn)外管節(jié)進(jìn)行夾緊；頂管機(jī)機(jī)頭后部的管節(jié)分為內(nèi)管節(jié)與外管節(jié)，在推進(jìn)完成后，內(nèi)外管節(jié)可進(jìn)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(jī)頭和管節(jié)；使用300 mm曲線頂管機(jī)進(jìn)行頂進(jìn)，曲線頂管機(jī)機(jī)頭可回收，并具有糾偏裝置；整個頂管機(jī)的推進(jìn)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(jī)的頂端挖掘設(shè)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

7、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(jìn)行內(nèi)嚙合；行星架中心軸轉(zhuǎn)動帶動行星齒輪軸進(jìn)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(fù)合運(yùn)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(dá)到切削出圓形斷面的目的。2現(xiàn)場推進(jìn)試驗(yàn)概況2.1Solidworks 三維模擬推進(jìn)為了和現(xiàn)場實(shí)際推進(jìn)試驗(yàn)效果做參考對照，事先采用Solidworks 三維軟件進(jìn)行現(xiàn)場模擬推進(jìn)，如圖3所示。收集記錄極小半徑曲線頂管推進(jìn)試驗(yàn)的理論推進(jìn)數(shù)據(jù)，為實(shí)際現(xiàn)場推進(jìn)試驗(yàn)做指導(dǎo)，使現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)軌蝽樌@著的完成推進(jìn)施工。推進(jìn)試驗(yàn)理論參數(shù)包括：推進(jìn)曲率半徑（5 m）

8、，機(jī)頭推進(jìn)深度（3.5 m，最深處），推進(jìn)路徑進(jìn)出總長（1266 m），機(jī)頭推進(jìn)進(jìn)出角度（145.08 ）。2.2現(xiàn)場實(shí)際推進(jìn)試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)要求現(xiàn)場事先進(jìn)行鋼筋混凝土地基澆注，預(yù)埋用于固定推進(jìn)支架的地腳螺栓、進(jìn)洞溝槽、襪套固定板和出洞溝槽；根據(jù)事先三維模擬試驗(yàn)情況逐步進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)推進(jìn)施工。現(xiàn)場推進(jìn)試驗(yàn)如圖4所示。試驗(yàn)具體操作步驟如下。（1）安裝定位推進(jìn)支架裝置，固定地腳螺栓。（2）安裝進(jìn)洞溝槽內(nèi)推進(jìn)襪套裝置。（3）安裝鋼管節(jié)吊裝結(jié)構(gòu)（懸臂吊），機(jī)頭安裝至推進(jìn)裝置，調(diào)節(jié)機(jī)頭至進(jìn)洞口。（4）電氣、液壓和泥漿系統(tǒng)安裝連接并調(diào)試。（5）試驗(yàn)推進(jìn)，并記錄推進(jìn)力、鎖緊力、推進(jìn)速度以及推進(jìn)行程相關(guān)數(shù)據(jù)。（6）

9、機(jī)頭出洞后，測量機(jī)頭進(jìn)出洞實(shí)際推進(jìn)情況，處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并與理論數(shù)據(jù)做對比查看推進(jìn)效果。2.3現(xiàn)場推進(jìn)試驗(yàn)機(jī)頭姿態(tài)測量為了能夠?qū)崟r了解頂管機(jī)機(jī)頭位置，在推進(jìn)管節(jié)內(nèi)設(shè)置有用于測量曲線頂管機(jī)機(jī)頭位置的測量裝置。試驗(yàn)測量操作步驟如下。（1）在頂管機(jī)機(jī)頭處選取1個測量點(diǎn)并做測量標(biāo)記。（2）機(jī)頭連接1#外管節(jié)內(nèi)連接有用于固定測量設(shè)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(jī)推進(jìn)，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(jī)，如圖6所示。（4）推進(jìn)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(shí)時計算，與頂管機(jī)推進(jìn)理論數(shù)據(jù)實(shí)時對比，了解頂管機(jī)機(jī)頭推進(jìn)

10、位置。通過對試驗(yàn)推進(jìn)機(jī)頭位置進(jìn)行實(shí)時測量，可獲得機(jī)頭在水平方向的偏差和垂直方向的推進(jìn)深度偏差，如圖7所示，機(jī)頭在水平方向向左偏移48.7 mm；如圖8所示，機(jī)頭實(shí)際最大推進(jìn)深度為3 592.46 mm，較之理論最大推進(jìn)深度3 500 mm大了92.46 mm。實(shí)際推進(jìn)水平偏差和推進(jìn)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(jī)機(jī)頭和推進(jìn)裝置設(shè)計的合理性與有效性。3結(jié)語通過室內(nèi)測量試驗(yàn)，獲得了極小半徑曲線頂管機(jī)鎖緊裝置鎖緊油缸油壓與臨界推進(jìn)油缸油壓的關(guān)系，同時也測量了推進(jìn)油缸推力與底座反力，為現(xiàn)場推進(jìn)試驗(yàn)取得了關(guān)鍵的施工參數(shù)；在室外現(xiàn)場實(shí)際推進(jìn)試驗(yàn)過程中，通過對頂管機(jī)機(jī)頭位置實(shí)時測量，順利完成頂管機(jī)的頂出，其機(jī)頭出洞效果以及機(jī)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(jìn)試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了極小半徑曲線頂管機(jī)推進(jìn)設(shè)備設(shè)計的合理性和有效性。Reference：1亀岡美友，粕谷太郎.曲線工法（TULIP工法）開発J.土木學(xué)會誌， 1995（4）：3639.2李太惠.