薛廣記, 蘇明浩, 李 治, 馮戰(zhàn)勇
(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司, 河南 鄭州 450016)
伴隨著城市的快速發(fā)展,城市市政老舊管網(wǎng)管齡不斷增加,舊管道面臨著破損泄露、坍塌、堵塞等風(fēng)險(xiǎn); 同時(shí),存在管道直徑太小、管道內(nèi)介質(zhì)流量超限、輸送能力不足等問(wèn)題,地下管道大多已無(wú)法滿足城市生態(tài)化發(fā)展要求[1-2]。因此,城市市政老舊管道更新、擴(kuò)容面臨迫切需求。
傳統(tǒng)的城市管道更新技術(shù)主要分為明挖法和非開(kāi)挖技術(shù)2大類。其中,明挖法由于需要大范圍的地面占道施工,對(duì)現(xiàn)代城市生態(tài)、環(huán)境造成破壞,影響交通出行,已較難滿足復(fù)雜城區(qū)施工要求[3]。
非開(kāi)挖技術(shù)作為管道更新的創(chuàng)新技術(shù),代表了未來(lái)管道更新的發(fā)展方向,對(duì)此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作[4]。20世紀(jì)80年代,歐洲率先對(duì)非開(kāi)挖技術(shù)進(jìn)行了研究。近些年,我國(guó)逐步開(kāi)展了該領(lǐng)域的相關(guān)研究。謝含華[5]、余雪兵等[6]介紹了氣動(dòng)錘、水平螺旋鉆、碎管機(jī)等國(guó)外非開(kāi)挖設(shè)備的工作原理及性能特點(diǎn),并論述了非開(kāi)挖技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì); 董維奇[7]、胡曉衛(wèi)[8]、臧翀等[9]研究了目前管道常用的開(kāi)挖及非開(kāi)挖更新技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用狀況,并分析了當(dāng)前我國(guó)管道更新發(fā)展中存在的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展前景; 槐慶林等[10]介紹了幾種常用的管道非開(kāi)挖修復(fù)及更新技術(shù)及其特點(diǎn); 辛雅婷[11]研究了市政給排水工程頂管施工技術(shù); 李驥韜[12]結(jié)合工程實(shí)例,論述了碎裂管法施工工藝選擇方法,提出碎裂管法可滿足50~800 mm直徑管道的更新修復(fù),一次更換長(zhǎng)度可達(dá)到300 m。
隨著管道更新非開(kāi)挖技術(shù)的不斷研究和發(fā)展,其技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛,但是,目前該技術(shù)仍局限于小直徑管道的更新修復(fù),且易對(duì)管道正常運(yùn)營(yíng)造成中斷截流。此外,管道內(nèi)介質(zhì)的沉積使得清理非常困難,管道內(nèi)的沉積雜物在施工中極易污染周邊地層。因此,如何保證舊管道內(nèi)淤渣清理完全,同時(shí)在管道施工中保通不斷流,是目前非開(kāi)挖管道更新技術(shù)面臨的重大挑戰(zhàn)。
基于上述問(wèn)題,本文針對(duì)原位非開(kāi)挖管道更新施工需求,通過(guò)理論計(jì)算、仿真分析、整機(jī)工業(yè)試驗(yàn)等手段對(duì)管道更新掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究,以期為老舊城區(qū)機(jī)械化非開(kāi)挖管道更新掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)及其施工應(yīng)用提供參考和依據(jù)。
為了解決鋼筋混凝土舊管道破挖更新難題,研制出一種管道更新掘進(jìn)機(jī),如圖1所示。該掘進(jìn)機(jī)包括推進(jìn)裝置、保通環(huán)流系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、開(kāi)挖刀盤(pán)、封管器、雙球鉸傳力桿等結(jié)構(gòu),是集舊管破碎、排渣、保通過(guò)流、新管頂推鋪設(shè)功能于一體的機(jī)械化管道暗挖更新裝備。其中,開(kāi)挖刀盤(pán)通過(guò)設(shè)置特殊刀具,實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土管節(jié)縱、環(huán)筋和混凝土的破碎,如圖2所示; 封管器設(shè)置在開(kāi)挖裝置的前端,實(shí)現(xiàn)清理管內(nèi)淤渣、保通管道介質(zhì)不斷流的功能;雙球鉸傳力桿結(jié)構(gòu)可以滿足舊管道不同軸開(kāi)挖掘進(jìn)。管道更新掘進(jìn)機(jī)通過(guò)開(kāi)挖艙的土壓或泥水平衡保壓設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了鋼筋混凝土舊管道原位破挖和新管道同步敷設(shè)一次施工成型,能夠滿足城市老舊管道更新、擴(kuò)容需求。
圖1 管道更新掘進(jìn)機(jī)示意圖
圖2 開(kāi)挖破管輪廓示意圖
傳統(tǒng)非開(kāi)挖管道破除更新過(guò)程中,為避免施工中管道上方土體坍塌,需對(duì)廢棄管道進(jìn)行回填,然后采用壓力平衡掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開(kāi)挖,如圖3所示。這種設(shè)備及工法會(huì)增加施工工序,提高施工的復(fù)雜程度,同時(shí)對(duì)管道內(nèi)原有流通介質(zhì)造成斷流。
圖3 回填后壓力平衡模式掘進(jìn)
為避免原管道施工斷流,并在刀盤(pán)前方構(gòu)建壓力艙微環(huán)境,實(shí)現(xiàn)壓力平衡模式下開(kāi)挖掘進(jìn),設(shè)計(jì)一種封管器結(jié)構(gòu),其能夠隔絕舊管道內(nèi)原介質(zhì)進(jìn)入開(kāi)挖艙; 同時(shí),封管器后側(cè)與土艙隔板之間形成封閉的開(kāi)挖艙,可采用泥水或土壓平衡模式使開(kāi)挖艙和土體達(dá)成壓力平衡狀態(tài),避免破管刀盤(pán)超挖導(dǎo)致土體塌陷,如圖4所示。
圖4 封管器輔助平衡模式掘進(jìn)
2.1.1 雙球鉸傳力桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
雙球鉸傳力桿連接封管器與刀盤(pán)中心驅(qū)動(dòng)軸,使兩者之間的開(kāi)挖艙形成密閉保壓空間。此外,利用雙球鉸關(guān)節(jié)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)特性,不僅可實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)、封管器的軸向相對(duì)靜止和周向相對(duì)旋轉(zhuǎn),還能夠使封管器適應(yīng)管道彎曲引起的一定角度偏轉(zhuǎn)位置變化,減弱由此引起的偏轉(zhuǎn)力矩,同時(shí)具有一定的牽引導(dǎo)向作用,使開(kāi)挖裝置始終沿著管道前進(jìn),滿足糾偏調(diào)向及一定量的管道不同軸錯(cuò)臺(tái)工況需求。糾偏調(diào)向角度β不應(yīng)大于雙球鉸傳力桿擺動(dòng)極限角度θ(受球鉸結(jié)構(gòu)干涉影響),新舊管道錯(cuò)臺(tái)b取決于傳力桿長(zhǎng)度l與擺動(dòng)角度θ。雙球鉸傳力桿結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖5。
(a) 糾偏狀態(tài)
(b) 不同軸錯(cuò)臺(tái)掘進(jìn)狀態(tài)
2.1.2 開(kāi)挖艙受力分析
結(jié)合設(shè)備掘進(jìn)和停機(jī)時(shí)開(kāi)挖艙的受力狀態(tài),對(duì)開(kāi)挖艙(包括封管器、雙球鉸傳力桿、刀盤(pán))進(jìn)行受力分析,如圖6所示。
(a) 停機(jī)狀態(tài) (b) 推進(jìn)時(shí)狀態(tài)
1)設(shè)備停機(jī)時(shí),開(kāi)挖艙受力如圖6(a)所示。傳力桿受力為:
F=F1-Ff1=F2-Ff2=p×S1-Ff1=p×S2-Ff2。
(1)
式中:F為傳力桿受力,kN;F1為主機(jī)承受的泥水壓力,kN;Ff1為主機(jī)及管節(jié)周邊土體的靜摩阻力,kN;F2為封管器承受的泥水壓力,kN;Ff2為封管器與管節(jié)的靜摩阻力,kN;p為開(kāi)挖艙泥水壓力,kPa;S1為舊管內(nèi)截面面積,m2;S2為開(kāi)挖面積,m2。
封管器、傳力桿、主機(jī)盾體軸向相對(duì)靜止,但受開(kāi)挖艙壓力作用,F(xiàn)f1隨掘進(jìn)距離增加逐漸增大,F(xiàn)f2受封管器與舊管節(jié)過(guò)盈量影響,F(xiàn)f1、Ff2的最大值一般大于開(kāi)挖艙壓力,故在掘進(jìn)機(jī)停機(jī)工況下,傳力桿基本不受軸向力。
2)設(shè)備推進(jìn)時(shí),開(kāi)挖艙受力如圖6(b)所示。傳力桿受力為:
(2)
2.1.3 雙球鉸傳力桿靜力學(xué)特性仿真分析
雙球鉸傳力桿主要由球鉸和推力桿構(gòu)成,且前端球鉸連接封管器,后端球鉸連接主機(jī)。設(shè)備啟動(dòng)推進(jìn)時(shí),其作為關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu),要克服封管器的啟動(dòng)力、管道不同軸和轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的偏轉(zhuǎn)力,而由于球鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)作用,偏轉(zhuǎn)力對(duì)其影響較小。因此,本文主要研究掘進(jìn)機(jī)啟動(dòng)力對(duì)其力學(xué)性能的影響。
由于封管器與管節(jié)內(nèi)壁緊密配合,為保證開(kāi)挖艙的密封效果,其設(shè)計(jì)的啟動(dòng)壓力p1為0.4 MPa,因此,推力桿受力為:
(3)
利用Workbench仿真軟件,構(gòu)建雙球鉸傳力桿有限元模型,并進(jìn)行四邊形單元自由網(wǎng)格劃分[13],包含14 282個(gè)節(jié)點(diǎn)、5 364個(gè)單元。有限元模型中前球頭法蘭平面施加固定約束,后球頭法蘭平面施加502.4 kN推力。
通過(guò)對(duì)仿真模型進(jìn)行求解,得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D(見(jiàn)圖7)。結(jié)果表明,雙球鉸結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變均在合適范圍內(nèi),強(qiáng)度滿足工況要求。
(a) 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(單位: MPa)
(b) 結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D(單位: mm)
2.2.1 保通環(huán)流方案研究
廖:我是從1997年任所長(zhǎng)助理開(kāi)始參與行政管理工作的.2000年開(kāi)始任副所長(zhǎng),2005~2009年任所長(zhǎng).長(zhǎng)達(dá)12年的行政管理工作,對(duì)我的性格有所改造:從一絲不茍、循規(guī)蹈矩辦事開(kāi)始,在逐漸“領(lǐng)悟”到學(xué)術(shù)研究與行政管理所遵循的乃是兩套不同的“游戲規(guī)則”后,便將影視劇《鐵齒銅牙紀(jì)曉嵐》中皇上所言“不聾不瞎,不能當(dāng)家”銘之座右——抓大放小,不求水之“至清”.因而雖然每日繁雜的事務(wù)性工作纏身,但也是另一種難得的人生經(jīng)歷與體驗(yàn).
由于雙球鉸傳力桿連接設(shè)備主機(jī)并推動(dòng)封管器向前掘進(jìn),為保證推進(jìn)中舊管道內(nèi)介質(zhì)流通不中斷,提出封管器、傳力桿、中心驅(qū)動(dòng)軸中空設(shè)計(jì)方案,如圖8所示。其中,封管器外圍設(shè)置有鋼絲刷、橡膠皮碗,避免管道內(nèi)流體介質(zhì)進(jìn)入設(shè)備開(kāi)挖艙,實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖艙封閉保壓;封管器前端設(shè)置錐形格柵板,管道中污水由此過(guò)濾后進(jìn)入內(nèi)部中空管道,最終通過(guò)保通環(huán)流系統(tǒng)將污水排出到后部管道中,在管道正常流通狀態(tài)下完成管道鋪設(shè)及新舊管道的轉(zhuǎn)換更新。
圖8 保通環(huán)流方案示意圖
2.2.2 保通環(huán)流設(shè)計(jì)
保通環(huán)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)有保通和反沖洗2種模式,如圖9所示。在保通模式下,設(shè)備將舊管道前端污水通過(guò)保通泵排入后側(cè)管道中,實(shí)現(xiàn)施工中污水保通不斷流。當(dāng)保通管路內(nèi)發(fā)生堵塞時(shí),通過(guò)切換閥門(mén)轉(zhuǎn)換為反沖洗模式,蓄水池里的水通過(guò)保通泵被送到前側(cè)管道,實(shí)現(xiàn)對(duì)管路的反沖洗[14]。
(a) 保通模式
(b) 反沖洗模式
根據(jù)舊管節(jié)的內(nèi)徑和過(guò)流比例,可計(jì)算舊管節(jié)過(guò)流面積
(4)
式中:d1為舊管節(jié)內(nèi)徑,取1 000 mm;k為舊管節(jié)過(guò)流比例,取0.3。
根據(jù)舊管節(jié)污水流速,可計(jì)算污水流量
Q=S×v1×3 600=508.94 m3/h。
(5)
式中v1為舊管節(jié)污水流速,由管道坡度取0.6 m/s。
根據(jù)保通管設(shè)計(jì)流速值,可計(jì)算保通管內(nèi)徑
(6)
因此,保通管內(nèi)徑可取200 mm,保通泵需滿足508.94 m3/h的流量要求。
2.3.1 集成式始發(fā)臺(tái)架設(shè)計(jì)
始發(fā)臺(tái)架采用油缸倒裝形式,實(shí)現(xiàn)換步反推頂進(jìn),滿足城區(qū)施工的小空間始發(fā)、快速推進(jìn)需求。
始發(fā)臺(tái)架主要由洞門(mén)密封總成、底架總成和后靠墻構(gòu)成,推進(jìn)臺(tái)架布置在底架總成上可實(shí)現(xiàn)前后滑動(dòng),推進(jìn)臺(tái)架后端與后靠墻相連接,同時(shí)將洞門(mén)密封裝置集成在推進(jìn)臺(tái)架前端,形成了管片連續(xù)頂進(jìn)、管片運(yùn)輸于一體的集成式始發(fā)裝置(見(jiàn)圖10),從而減小始發(fā)井構(gòu)筑面積,達(dá)到降本增效的目的。
1—洞門(mén)密封總成; 2—底架總成; 3—管節(jié)運(yùn)輸總成; 4—推進(jìn)臺(tái)架總成; 5—后靠墻總成。
頂推力
(7)
2.3.2 外連接式盾體設(shè)計(jì)
為了解決狹小空間內(nèi)設(shè)備盾體組裝難題,針對(duì)性設(shè)計(jì)了外連接式盾體(見(jiàn)圖11)。盾體包括前盾和尾盾,通過(guò)鉸接油缸連接。前盾由前盾前部和前盾后部組成,通過(guò)外螺栓法蘭連接,可實(shí)現(xiàn)盾體的外側(cè)拼裝,方便工人操作,提高工作效率。同時(shí),通過(guò)設(shè)置限扭機(jī)構(gòu),可以有效防止盾體工作時(shí)的扭轉(zhuǎn),提高整個(gè)盾體的穩(wěn)定性,進(jìn)而提高施工安全系數(shù)。此外,盾體外側(cè)設(shè)置了隱藏式吊耳,可以節(jié)省材料與工序,且便于后期吊裝。
1—前盾前部; 2—前盾后部; 3—隱藏式吊耳; 4—尾盾; 5—限扭塊。
為驗(yàn)證管道更新掘進(jìn)機(jī)各部件性能和技術(shù)可行性,進(jìn)行了設(shè)備的樣機(jī)制作,并進(jìn)一步開(kāi)展了工業(yè)試驗(yàn)[15]。試驗(yàn)段項(xiàng)目通過(guò)明挖法預(yù)先鋪設(shè)DN1 000 mm鋼筋混凝土承插式管道,模擬舊污水管道,鋪設(shè)新管道為DN1 200 mm柔性B類鋼承口預(yù)制鋼筋混凝土管,掘進(jìn)更新里程為60 m。
試驗(yàn)工況為: 前20 m管道底部鋪設(shè)砂土墊層,采用封管器配合掘進(jìn); 中間20 m管道底部鋪設(shè)混凝土墊層; 后20 m管片錯(cuò)縫布置,并將末尾管道口進(jìn)行封堵,更新施工時(shí)將刀盤(pán)前端封管器換成中心魚(yú)尾刀。同時(shí),覆土厚度為3 m左右,并在管道內(nèi)部預(yù)埋部分淤泥和水,驗(yàn)證管道更新設(shè)備的開(kāi)挖、清淤及保通性能,獲得設(shè)備各項(xiàng)性能參數(shù)。
試驗(yàn)段設(shè)備始發(fā)掘進(jìn)如圖12所示。
圖12 試驗(yàn)段設(shè)備始發(fā)掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)
試驗(yàn)結(jié)果表明: 設(shè)備月進(jìn)尺可達(dá)150~450 m,保通流量在500 m3/h左右,掘進(jìn)試驗(yàn)效果良好。
3.2.1 實(shí)際頂推力數(shù)值模型
由于前20 m試驗(yàn)段應(yīng)用了封管器裝置和保通設(shè)計(jì),更能說(shuō)明設(shè)備的性能特點(diǎn),故本文對(duì)試驗(yàn)段前20 m掘進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。繪制頂推力與掘進(jìn)距離關(guān)系曲線,結(jié)果如圖13所示。在正常掘進(jìn)階段,頂推力隨著掘進(jìn)距離增加整體呈線性遞增趨勢(shì),其上下浮動(dòng)變化是由盾體、管節(jié)周邊膨潤(rùn)土注入不均所引起的[16]。
圖13 頂推力與掘進(jìn)距離關(guān)系曲線(前20 m試驗(yàn)段)
同時(shí),利用MATLAB對(duì)其數(shù)值進(jìn)行分析,采用矩陣除法進(jìn)行最小二乘法直線擬合,得到擬合曲線為:
y=7.14x+1 248.71。
(8)
式中:y為頂推力,kN;x為掘進(jìn)距離,m。
聯(lián)合頂推力理論計(jì)算公式(7)可知,該地層管道外壁與土的平均摩阻力f=1.62 kN/m2,為該地層頂管頂推力設(shè)計(jì)提供了理論參考。
3.2.2 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度數(shù)據(jù)分析
設(shè)備正常掘進(jìn)時(shí),在10~15 m刀盤(pán)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2 r/min左右,推進(jìn)速度穩(wěn)定在22 mm/min左右,設(shè)備運(yùn)行上位機(jī)顯示土艙壓力變化平穩(wěn),管片破碎的混凝土粒徑及鋼筋長(zhǎng)度合適,泥水環(huán)流出渣及保通系統(tǒng)順暢,因此,將該數(shù)據(jù)推薦為施工過(guò)程中較優(yōu)配置參數(shù)。刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖14所示。
圖14 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
3.2.3 開(kāi)挖艙壓力與地表沉降控制分析
設(shè)備正常掘進(jìn)時(shí),開(kāi)挖艙壓力、地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別如圖15和圖16所示。由圖可知,管道更新掘進(jìn)機(jī)泥水艙左上、右下壓力差值小于5 kPa,且開(kāi)挖艙壓力大部分時(shí)間浮動(dòng)在50~80 kPa,在正常波動(dòng)范圍內(nèi),且變化較為平穩(wěn),表明封管器、盾體隔板對(duì)泥水艙密封保壓較好; 同時(shí),正常掘進(jìn)過(guò)程中地表沉降控制在4 mm 以內(nèi),對(duì)地層擾動(dòng)較小。
圖15 開(kāi)挖艙壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
圖16 地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
本文結(jié)合城市管道更新、擴(kuò)容面臨的迫切需求,以試驗(yàn)段項(xiàng)目為依托,對(duì)整機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,得出如下結(jié)論。
1)針對(duì)雙球鉸傳力桿和封管器構(gòu)建的壓力平衡開(kāi)挖艙進(jìn)行受力計(jì)算分析,并對(duì)傳力桿進(jìn)行仿真研究。后期工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明,雙球鉸傳力桿和封管器的配合,使開(kāi)挖艙上下壓差控制在5 kPa以內(nèi),地層擾動(dòng)可控,保證了開(kāi)挖艙的密封保壓平衡性能,驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的可靠性和可行性。
2)結(jié)合理論計(jì)算和掘進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,在設(shè)備應(yīng)用封管器和雙球鉸結(jié)構(gòu)的區(qū)間,得到刀盤(pán)轉(zhuǎn)速2 r/min、推進(jìn)速度22 mm/min左右為該區(qū)間的較優(yōu)配置參數(shù);并利用最小二乘法擬合得到其頂推力計(jì)算模型,得到該地層管道外壁與土的平均摩阻力f=1.62 kN/m2,為后續(xù)的設(shè)備設(shè)計(jì)與類似項(xiàng)目施工提供了數(shù)據(jù)支撐和理論參考。
3)整機(jī)工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明: 設(shè)備月進(jìn)尺可達(dá)150~450 m,保通流量為500 m3/h左右,開(kāi)挖艙壓力大部分時(shí)間在50~80 kPa浮動(dòng),在正常波動(dòng)范圍內(nèi),且變化較為平穩(wěn),混凝土管節(jié)破除和排渣效果較好,保通環(huán)流系統(tǒng)和壓力平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。
該管道更新掘進(jìn)機(jī)的成功研制和試驗(yàn)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了鋼筋混凝土舊管道原位破挖和新管道同步敷設(shè)一次施工成型,完成了管道更新領(lǐng)域新設(shè)備與新工法的協(xié)同創(chuàng)新突破,但由于試驗(yàn)條件限制,未模擬管道的曲率半徑變化對(duì)封管器和雙球鉸傳力桿的影響,后續(xù)需進(jìn)一步對(duì)設(shè)備的轉(zhuǎn)彎調(diào)向性能進(jìn)行驗(yàn)證。