微型頂管施工研究與試驗(yàn)

□ 陳 占 □ 何新輝 □ 高松松

中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限責(zé)任公司 武漢 430036

1 研究背景

微型頂管施工技術(shù)是近30年發(fā)展起來的非開挖鋪管技術(shù)。美國在1869年北太平洋鐵路建設(shè)工程中首次采用了頂管施工技術(shù),在20世紀(jì)20年代至50年代,有832項(xiàng)管道工程采用了頂管施工技術(shù),累計頂進(jìn)長度達(dá)到1 680 m[1]。之后頂管施工技術(shù)迅速發(fā)展,主要體現(xiàn)為小口徑頂管施工技術(shù)。日本伊勢機(jī)公司是微型隧道鋪管行業(yè)著名的公司,向市場提供了一系列微型隧道掘進(jìn)機(jī),從業(yè)界知名的Unclemole到最新開發(fā)的Perimole,被世界各地廣泛應(yīng)用。德國在大口徑管頂進(jìn)技術(shù)方面比較先進(jìn),德國海瑞克公司是微型隧道設(shè)備市場的另一個主要參與者,制造、提供AVN系列微型隧道掘進(jìn)機(jī),從AVN250到AVN1500共有11種型號,可安裝標(biāo)稱內(nèi)徑為250～1 500 mm的管道[2]。

我國的頂管施工技術(shù)最早始于1953年的北京,設(shè)備是手掘式頂管,比較簡陋。在20世紀(jì)60年代,上海進(jìn)行了大口徑機(jī)械式頂管各種試驗(yàn)。20世紀(jì)80年代,北京、上海、南京等地先后引進(jìn)國外先進(jìn)機(jī)械式頂管設(shè)備,尤其是上海引進(jìn)了日本伊勢機(jī)公司的D800 Telemale頂管掘進(jìn)機(jī),具有機(jī)械平衡土壓力和泥水平衡地下水壓力的雙重平衡與電視遙控功能,得到了頂管理論、施工技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)。頂管施工技術(shù)隨著城市建設(shè)的發(fā)展,在不同的領(lǐng)域都得到了應(yīng)用[3-4]。

筆者對頂管施工技術(shù)的鉆頭鉆進(jìn)機(jī)理、受力、扭矩進(jìn)行理論研究,設(shè)計高速鐵路無砟軌道路基線間防排水微型頂管施工技術(shù)設(shè)備工裝。這一設(shè)備工裝不僅能適應(yīng)狹窄空間,而且能鉆進(jìn)高速鐵路路基密實(shí)填料,施工過程對周圍軌道結(jié)構(gòu)影響較小,滿足營業(yè)線天窗作業(yè)要求。筆者還模擬高速鐵路無砟軌道路基線間防排水現(xiàn)場狹窄空間進(jìn)行微型頂管施工技術(shù)設(shè)備工裝試驗(yàn),選取代表性工程進(jìn)行微型頂管施工技術(shù)設(shè)備工裝與施工現(xiàn)場試驗(yàn)研究。

2 非開挖導(dǎo)向鉆頭鉆進(jìn)機(jī)理

摩擦阻力、回拖力、扭矩是非開挖導(dǎo)向鉆進(jìn)中決定鉆機(jī)能力的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。選取合適的設(shè)計參數(shù),對選擇非開挖導(dǎo)向鉆機(jī)、正確設(shè)計合理的施工方案,以及保證正常的施工都具有重要作用。機(jī)械鉆孔不僅受巖土性質(zhì)的影響,而且受外力作用條件及鉆孔工具的影響,這些影響因素既相互聯(lián)系,又各自變化。在進(jìn)行微型頂管施工設(shè)備設(shè)計前,對設(shè)備性能參數(shù)要求和鉆頭鉆進(jìn)機(jī)理進(jìn)行研究是必不可少的。

非開挖導(dǎo)向鉆進(jìn)過程如圖1所示。假設(shè)孔底巖土平面與鉆頭進(jìn)給方向垂直,設(shè)鉆頭的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度為勻速。鉆頭在與巖土平面接觸后,鉆頭回轉(zhuǎn)一周推進(jìn)距離為h。在回轉(zhuǎn)力的作用下,鉆頭沿土層中的abc部分旋轉(zhuǎn)一周,將所經(jīng)過部分的土體破壞。鉆頭在軸向力和回轉(zhuǎn)力的作用下繼續(xù)鉆進(jìn),如果鉆孔中部土體不被破壞,即鉆孔中部土體呈圓錐體,那么鉆頭斜面只與中部土體一個小區(qū)域接觸。隨著鉆頭的回轉(zhuǎn),鉆孔就會不斷加深,破碎下來的土體一部分將進(jìn)入鉆頭上部,另一部分被擠入土層。

▲圖1 非開挖導(dǎo)向鉆進(jìn)過程

非開挖導(dǎo)向鉆頭的鉆進(jìn)機(jī)理如下:當(dāng)鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時,鉆頭尖部對土體進(jìn)行切削,鉆頭斜面使土體產(chǎn)生剪切滑移;當(dāng)鉆頭不回轉(zhuǎn)直接頂進(jìn)時,鉆頭的背面土體產(chǎn)生剪切滑移。土體在壓力的作用下發(fā)生剪切滑移,可以通過日本學(xué)者松岡元[5]的地基破壞模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

當(dāng)作用在地基上的荷載太大時,土體內(nèi)的塑性區(qū)域演變?yōu)檫B貫滑動面,地基失去穩(wěn)定而產(chǎn)生破壞。常用的計算極限荷載的公式是Terzaghi公式,在基底粗糙的條形基礎(chǔ)中較為適用[6-7]。假設(shè)地基中滑動面形狀如圖2所示,共分為三區(qū)。

▲圖2 地基中滑動面形狀

(1)Ⅰ區(qū)。基礎(chǔ)下的楔形彈性壓密區(qū)。由于土與基底之間摩阻力的作用,此區(qū)的土體不發(fā)生剪切位移,呈壓密狀態(tài),與基底所成夾角為φ。

(2)Ⅱ區(qū)?；瑒用姘磳?shù)螺旋線變化,b點(diǎn)處螺旋線的切線豎直向下,d點(diǎn)處螺旋線的切線與基礎(chǔ)底面所成45°-φ/2。

(3)Ⅲ區(qū)。df邊與基礎(chǔ)底面成45°-φ/2的等腰三角形[8]。

在中心荷載作用下,基礎(chǔ)底面處于極限平衡時,計算土體aba′的重力,土體斜面ab上作用的內(nèi)聚力的豎直分力,Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)土體滑動時對土體斜面ab的被動土壓力。由作用于土體上的各力在豎直方向的靜力平衡條件,整理得:

pu=γBNγ/2+cNc+qNq

(1)

q=γH

(2)

式中:pu為基礎(chǔ)底面承載力;γ為土體容重;B為基礎(chǔ)寬度;c為土體內(nèi)聚力;q為上覆土體重力荷載;H為基礎(chǔ)埋深。

式(1)中,Nγ、Nc、Nq的數(shù)值為:

(3)

Nc=(Nq-1)cotφ

(4)

Nγ=2(Nq+1)tanφ

(5)

3 受力分析

鉆頭所受軸向力即為鉆壓,應(yīng)與土體對鉆頭的作用力相平衡。設(shè)施加在鉆頭上的鉆壓為集中力F,則F與土體對鉆頭的反作用力相平衡。如果已知土體在鉆頭作用下的破壞機(jī)理,那么很容易得到破壞土體所需的作用力,根據(jù)力學(xué)平衡可求得其它力,進(jìn)而求得F。受力分析如圖3所示,作用在鉆頭斜面上的作用力有正壓力和剪切力,作用在鉆頭背面上的作用力也有正壓力和剪切力。

▲圖3 受力分析

為了計算方便,將作用在鉆頭斜面上的正壓力和剪切力簡化為均勻分布,分別用集中力N2、F2代替,集中力作用點(diǎn)為接觸面的中心。鉆頭背面所受的力分布比較復(fù)雜,與地基處于偏壓時的情況相似,可能呈二次曲線分布。為便于計算,認(rèn)為鉆頭背面所受的力呈三角形分布,如以集中力N1代替分布力,則N1的作用點(diǎn)在距鉆頭尖部1/3處。以N1和F方向建立坐標(biāo)軸,假設(shè)力F、Q、F1、N1、F2、N2處于極限平衡狀態(tài),則各力在X軸和Y軸兩個方向上平衡,可建立兩個力平衡方程。F1與F2可以由庫侖摩擦定律與N1、N2建立聯(lián)系,這樣可建立四個力平衡方程。再加上鉆頭后端面中點(diǎn)的力矩方程,共可建立五個平衡方程。根據(jù)力的平衡原理,方程如下:

F-F1-F2cosβ-N2sinβ=0

(6)

N2cosβ-N1-F2sinβ+Q=0

(7)

F1=N1μ

(8)

F2=N2μ

(9)

(10)

式中:β為鉆頭角度;μ為土體與鉆頭之間的摩擦因數(shù);l為鉆頭有效長度;D為鉆頭直徑;M為鉆頭所受扭矩;Q為鉆頭切向力。

根據(jù)非開挖導(dǎo)向鉆進(jìn)原理可知,當(dāng)鉆頭不回轉(zhuǎn)直接頂進(jìn)時,鉆頭上的作用力將使鉆頭向斜面的反方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)時,斜面的方向是不確定的,因此鉆頭不會產(chǎn)生偏斜,形成的還是直線型鉆孔。當(dāng)鉆頭回轉(zhuǎn)時,假設(shè)鉆頭上的作用力使鉆頭前端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角為零,由此可以建立變形協(xié)調(diào)方程:

(11)

式中:E為鉆頭的彈性模量;I為鉆頭的慣性矩。

鉆頭斜面下的土體對鉆頭的作用力N2為:

N2=(γB1Nγ/2+cNc+qNq)S2

(12)

B1=D/2

(13)

(14)

式中:B1為鉆頭與土體接觸面的寬度;S2為鉆頭斜面與土體接觸面的面積。

計算得S2為1.155×10-4m2,N2為52.37 kN。

將式(6)～式(12)聯(lián)立求解,即可得到非開挖導(dǎo)向鉆頭在鉆進(jìn)直孔段時鉆頭所受各力的值[9]。

考慮在鉆頭頂進(jìn)時l僅為0.001 m,非常小,鉆頭在破壞碎石過程中摩擦因數(shù)特別小,估算F1和N1均不考慮。

根據(jù)簡化公式,鉆壓F為:

F=F2cosβ+N2sinβ=N2μcosβ+N2sinβ

(15)

計算得F為48.86 kN?？梢?設(shè)計頂推力應(yīng)大于50 kN。

4 扭矩分析

鉆頭在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時,不但受到軸向摩擦力的作用,而且受到周向摩擦力的作用,由此產(chǎn)生周向扭矩的消耗。在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時,鉆頭軸向位移很小,軸向摩擦力也很小,而周向摩擦力很大,鉆機(jī)的能量大部分用于克服鉆頭回轉(zhuǎn)時與土體接觸所產(chǎn)生的摩擦力。在建立鉆頭力學(xué)模型時,為計算方便,將接觸力用集中力表示。在計算鉆頭扭矩時,考慮鉆頭與孔壁的接觸面積,摩擦力采用庫侖定律計算。

鉆頭背面所受摩擦力Fμ1為:

Fμ1=σ1tanφ1+c1

(16)

式中:σ1為鉆頭背面與土體之間的正壓力;φ1為鉆頭與土體之間的內(nèi)摩擦角;c1為鉆頭與土體之間的內(nèi)聚力。

將N1轉(zhuǎn)換為分布力時,假設(shè)作用面積S1位于鉆頭的背面,則有:

S1=Dl

(17)

鉆頭斜面所受的摩擦力Fμ2為:

Fμ2=σ2tanφ1+c1

(18)

式中:σ2為鉆頭斜面與土體之間的正壓力。

鉆頭扭矩Mt為:

(19)

計算得Mt為223 N·m。

單位長度克服管壁摩擦扭矩Mr1為7.17 N·m/m,20 m施工長度克服管壁摩擦扭矩Mr為143 N·m,則理論頂管扭矩M為:

M=Mt+Mr

(20)

計算得M為366 N·m。

5 設(shè)計確定

微型頂管施工設(shè)備由設(shè)備平臺、動力系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、頂進(jìn)系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、管節(jié)組成[10]。

設(shè)備平臺為設(shè)備固定和其它部件安裝提供基礎(chǔ),大小和樣式直接決定設(shè)備基礎(chǔ)性能。為滿足高速鐵路無砟軌道路基線間防排水頂管施工要求,微型頂管施工設(shè)備長度小于1.2 m,高度小于1 m,寬度小于1 m。要求設(shè)備體積小,質(zhì)量輕,人工可以搬運(yùn)。

動力系統(tǒng)一般有電動和液壓驅(qū)動兩種,設(shè)備存放在工作井中時。為預(yù)防降雨在井內(nèi)積水可能浸泡頂管施工設(shè)備,造成電氣部分損壞,頂管施工設(shè)備適宜采用液壓驅(qū)動。

出渣系統(tǒng)有兩種形式:泥漿出渣系統(tǒng)和螺旋排渣系統(tǒng)。為減少施工過程中對路基造成破壞,施工過程中嚴(yán)禁有明水浸入路基。結(jié)合過軌頂管一般距離較短的情況,宜選用螺旋排渣系統(tǒng)。

頂進(jìn)系統(tǒng)安裝在頂進(jìn)立井內(nèi),主要包括后座墻、千斤頂、頂鐵、導(dǎo)軌等。

操作控制系統(tǒng)包括方向控制部分、鉆掘參數(shù)顯示部分、控制手柄等,是微型頂管施工設(shè)備的遙控指揮部?？紤]營業(yè)線施工的移動便捷,操作控制系統(tǒng)與設(shè)備平臺分開設(shè)置。

導(dǎo)向系統(tǒng)由激光發(fā)射器、激光靶、信號傳輸顯示系統(tǒng)組成。擬采用主動式激光導(dǎo)向系統(tǒng),有待后續(xù)進(jìn)行研究開發(fā)。

管節(jié)需要有一定的強(qiáng)度和剛度,特別是要有高的軸向承載能力,并且內(nèi)外表面要有耐腐蝕性。套管類型適宜采用鋼管或硬質(zhì)塑料。

6 模擬試驗(yàn)

為有效指導(dǎo)高速鐵路無砟軌道板底過軌頂管施工,確保微型頂管施工設(shè)備和施工工藝可控,在武漢高鐵模擬試驗(yàn)基地?zé)o砟軌道板底級配碎石層內(nèi)進(jìn)行微型頂管施工模擬現(xiàn)場試驗(yàn)。

模擬現(xiàn)場試驗(yàn)計劃鉆孔頂進(jìn)長度為10 m,鉆孔直徑為159 mm,頂管材料外徑為150 mm。試驗(yàn)擬鉆孔和頂進(jìn)地層為壓實(shí)的優(yōu)質(zhì)及良好等級填料。試驗(yàn)控制參數(shù)滿足營業(yè)線天窗施工環(huán)境要求,鉆孔、頂管按0.5 m一節(jié)為步距控制,鉆孔效率按設(shè)計值1 m/35 min進(jìn)行控制。

微型頂管施工工藝流程如圖4所示。

▲圖4 微型頂管施工工藝流程

采用直徑為159 mm的螺旋鉆頭鉆孔,在鉆進(jìn)兩根鉆桿,即鉆進(jìn)1 m后,更換頂管鉆桿,頂進(jìn)一根無縫鋼管套管,即頂進(jìn)0.5 m套管,然后更換螺旋鉆頭繼續(xù)鉆孔。之后的鉆孔過程中,每鉆進(jìn)一根鉆桿就跟進(jìn)一根套管,直至鉆頭出洞,這樣可以保證鉆頭超鉆的距離在0.5～1 m范圍內(nèi)。鉆頭鉆進(jìn)和套管跟進(jìn)現(xiàn)場施工情況如圖5所示。

▲圖5 現(xiàn)場施工情況

模擬試驗(yàn)高程測量采用精密電子水準(zhǔn)儀,配2 m銦鋼尺。平面測量采用全站儀,分別對四個監(jiān)測點(diǎn)在鉆孔前、鉆孔后10 min、鉆孔后1 h、頂管后10 min、頂管后24 h五個時間點(diǎn)進(jìn)行高程和平面測量,測量結(jié)果見表1、表2。

表1 模擬試驗(yàn)高程偏差測量結(jié)果 mm

表2 模擬試驗(yàn)平面偏差測量結(jié)果 mm

分析測量結(jié)果,鉆孔前后和頂管前后路基基床表層、軌道結(jié)構(gòu)變化量很小,均在0.7 mm以內(nèi)。考慮環(huán)境變化和設(shè)備誤差,可以認(rèn)為鉆孔和頂管施工對路基基床表層、軌道結(jié)構(gòu)沒有影響?？紤]模擬試驗(yàn)過程中未對軌道結(jié)構(gòu)施加動荷載,在現(xiàn)場應(yīng)用中還是需要及時做好頂管跟進(jìn)和注漿填充。

7 現(xiàn)場試驗(yàn)

根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果,對狹窄空間微型頂管施工的工藝、微型頂管施工設(shè)備、配套工裝、材料進(jìn)行優(yōu)化和定型,對施工工效進(jìn)行總結(jié)分析,認(rèn)為工裝和工藝具備營業(yè)線天窗施工條件,擬在滬昆高鐵嘉興南站進(jìn)行營業(yè)線現(xiàn)場試驗(yàn)及施工工藝驗(yàn)證。

試驗(yàn)使用的微型頂管施工設(shè)備為自主研發(fā)并由頂管設(shè)備廠定制,由液壓泵站、頂鉆平臺、鉆頭三部分組成,如圖6所示。頂鉆平臺長1.2 m,寬0.8 m,高0.6 m,滿足無砟軌道路基線間集水井中施工條件。根據(jù)前期試驗(yàn)情況,對螺旋鉆頭進(jìn)行了改進(jìn)。螺旋鉆頭改為旋口連接方式,提高了螺旋鉆頭的整體剛度,減小了鉆進(jìn)后空洞的偏差。鉆頭改為合金切割鉆頭,適合鉆優(yōu)質(zhì)及良好等級填料、級配碎石等。

▲圖6 微型頂管施工設(shè)備

增設(shè)過軌排水管施工分為兩步實(shí)施,第一步為鉆孔頂管施工,第二步為注漿填充施工[11-12]。設(shè)計工作量為頂管20處,頂管長度為183.4 m。其中1個集水井中最長單管頂升長度為13.8 m,其它19個集水井中頂管長度在6～8 m之間。鉆孔頂管施工工藝流程與模擬試驗(yàn)相同。

頂管的平面和高程控制主要依靠調(diào)節(jié)設(shè)備平臺,因此在鉆孔施工前,先確定好中線,將設(shè)備平臺方向和角度固定后再施工。

施工分為四個主要階段。

(1)施工中線放樣。工作井和接收井開挖完后,用全站儀或者全球定位儀放樣頂管中線,并做好標(biāo)記。

(2)設(shè)備調(diào)整。參照中線位置,利用水準(zhǔn)尺、水平儀等,根據(jù)設(shè)計的角度調(diào)整設(shè)備平臺位置和坡度,如圖7所示。

(3)加固與糾正。設(shè)備平臺方向和坡度調(diào)整好后,在設(shè)備平臺前后安裝鋼墊板,調(diào)節(jié)設(shè)備平臺四角支撐,將設(shè)備平臺固定在鋼墊板上,同時用砂漿將設(shè)備平臺底部鋪平。鉆進(jìn)施工過程中,定期對設(shè)備平臺的水平和坡度進(jìn)行復(fù)核,如有偏差,通過調(diào)節(jié)設(shè)備平臺四個支撐來調(diào)整。設(shè)備平臺支撐如圖8所示。

(4)平面及坡度測量。頂管施工完成后,用精密電子水準(zhǔn)儀分別測量工作井和接收井內(nèi)套管高程,用水平儀測量頂管與垂直線路方向的平面偏差,統(tǒng)計套管數(shù)量,計算長度,記錄數(shù)據(jù)并匯總。

▲圖7 設(shè)備調(diào)整

▲圖8 設(shè)備平臺支撐

現(xiàn)場從開始鉆孔施工至工作井回填完成期間,每日天窗結(jié)束前安排靜、動態(tài)軌道檢測,施工范圍內(nèi)未發(fā)生軌道幾何尺寸變化超限情況,同時每日安排動態(tài)添乘檢查兩次,確認(rèn)沒有發(fā)生異常情況。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析,頂管施工對軌道幾何尺寸沒有影響,不影響列車行車安全。

在頂管施工前測量校正初始高程和平面后,分別在鉆孔后10 min、頂管后10 min,列車運(yùn)營24 h后對高程和平面進(jìn)行測量,測量結(jié)果見表3、表4。

表3 現(xiàn)場試驗(yàn)高程偏差測量結(jié)果 mm

表4 現(xiàn)場試驗(yàn)平面偏差測量結(jié)果 mm

根據(jù)高程和平面測量結(jié)果,高程偏差在0.5 mm范圍內(nèi)浮動,平面偏差在0.5 mm左右浮動,考慮測量誤差,認(rèn)為頂管施工對軌道結(jié)構(gòu)和封閉層沒有影響。

對頂管進(jìn)出口的高程和平面偏差進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果見表5。

表5 現(xiàn)場試驗(yàn)高程和平面偏差統(tǒng)計

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果分析,頂管高程偏差在兩個百分點(diǎn)以內(nèi),方向偏差率在2%以內(nèi),與模擬試驗(yàn)情況相似,所有排水管坡度大于2%,沒有出現(xiàn)反坡,能夠滿足現(xiàn)場排水需求。

8 結(jié)束語

筆者根據(jù)高速鐵路無砟軌道路基線間狹窄空間使用、營業(yè)線天窗施工、應(yīng)用于路基填筑層中等現(xiàn)場條件,通過計算和分析完成了微型頂管施工設(shè)備及配套工裝的最終定型,適用于級配碎石、優(yōu)質(zhì)及良好等級填料、粗粒土、細(xì)粒土等地層環(huán)境。

模擬試驗(yàn)結(jié)果表明,微型頂管施工主要設(shè)備工裝達(dá)到設(shè)計要求,滿足運(yùn)營高速鐵路無砟軌道過軌頂管天窗施工技術(shù)要求,不影響高速鐵路運(yùn)行安全。目前研制的微型頂管施工設(shè)備已具備高速鐵路天窗施工條件,誤差滿足設(shè)計、施工精度要求,可進(jìn)行無砟軌道過軌頂管工程施工。

滬昆高鐵嘉興南站現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明,微型頂管施工設(shè)備可以滿足營業(yè)線狹窄空間的頂管施工要求,微型頂管施工設(shè)備施工過程中性能穩(wěn)定,施工精度滿足要求。狹窄空間中的頂管施工工藝能夠滿足現(xiàn)場施工要求,工藝設(shè)計合理,組織簡單高效,可以保證施工安全和質(zhì)量,施工時對軌道結(jié)構(gòu)和幾何尺寸均沒有影響,確保列車運(yùn)行安全。

通過對頂管高程和平面偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,在目前既有施工工藝條件下,頂管高程偏差在兩個百分點(diǎn)以內(nèi),大部分會向下偏,與模擬試驗(yàn)結(jié)果相近。分析原因?yàn)?在鉆孔過程中螺旋鉆頭在自身重力影響下,會持續(xù)向下切割破壞基床,進(jìn)而產(chǎn)生向下偏差。頂管方向偏差率在2%以內(nèi),方向暫無規(guī)律,分析原因?yàn)榕c鉆頭前方地層軟硬不均有關(guān)。