复合地层矩形顶管机关键技术及应用——结合重庆天宫殿下穿快速路项目.pdf
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1、引用格式:范磊,薛广记,舍跃斌,等.复合地层矩形顶管机关键技术及应用:结合重庆天宫殿下穿快速路项目J.隧道建设(中英文),2023,43(9):1605.FAN Lei,XUE Guangji,SHE Yuebin,et al.Key technologies of rectangular pipe jacking machine in composite strata and its application in Tiangong Palace underpass express-line project in Chongqing,ChinaJ.Tunnel Construction,202
2、3,43(9):1605.收稿日期:2023-04-06;修回日期:2023-09-12基金项目:国家重点研发计划(2020YFB1712105)第一作者简介:范磊(1986),男,河南新蔡人,2009 年毕业于郑州航空工业管理学院,机械设计制造及其自动化专业,本科,高级工程师,主要从事隧道与地下工程装备设计及研发工作。E-mail:860101521 。通信作者:薛广记,E-mail:623187081 。复合地层矩形顶管机关键技术及应用 结合重庆天宫殿下穿快速路项目范 磊,薛广记,舍跃斌,谌文涛,冯 猛(中铁工程装备集团有限公司,河南 郑州 450016)摘要:为解决复合地层矩形顶管机施工
3、难题,探讨矩形顶管机在不同复合地层中的技术方案,以重庆天宫殿下穿快速路隧道项目为依托,对用于软土与岩层复合地层的矩形顶管机开挖、出渣等关键系统设计及应用进行研究。首次提出复合地层分层开挖方式,开发出盲区开挖装置(破岩滚筒),并基于有限元及工业试验分析,验证复合多刀盘+滚筒分层开挖方式的可行性,实现盲区位置 30 MPa 岩层的高效切削,解决了矩形断面软土与岩层复合地层全断面开挖难题;同时,针对复合地层土舱下部搅拌与出渣难题,采用了复合地层滚筒与螺旋输送机联合出渣技术,并基于计算流体力学(CFD)对滚筒进行排渣特性分析,结果表明当采用双螺旋排渣结构,且螺距在 900 mm 左右时,排渣效率最高,
4、能够实现复合地层矩形断面土舱高效排渣;最后,通过工业性试验,验证复合地层分层开挖及联合出渣技术的可行性,为复合地层矩形顶管机应用提出了新的解决方案。关键词:矩形顶管机;复合地层;盲区开挖装置;破岩滚筒;开挖技术;出渣技术DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.09.018文章编号:2096-4498(2023)09-1605-09中图分类号:U 455 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):K Ke ey y T Te ec ch hn no ol lo og gi ie es s o of f R Re ec ct ta an ng gu ul l
5、a ar r P Pi ip pe e J Ja ac ck ki in ng g MMa ac ch hi in ne e i in n C Co om mp po os si it te e S St tr ra at ta a a an nd d I It ts s A Ap pp pl li ic ca at ti io on n i in n T Ti ia an ng go on ng g P Pa al la ac ce e U Un nd de er rp pa as ss s E Ex xp pr re es ss s-L Li in ne e P Pr ro oj je e
6、c ct t i in n C Ch ho on ng gq qi in ng g,C Ch hi in na aFAN Lei,XUE Guangji*,SHE Yuebin,CHEN Wentao,FENG Meng(China Railway Engineering Equipment Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450016,Henan,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:In this study,the technical schemes of rectangular pipe jacking machine in different
7、 composite strata are discussed.Based on the underpass express-line tunnel project at Tiangong Palace in Chongqing,China,the design and application of key systems such as excavation and mucking of rectangular pipe jacking machines in soft soil and rock composite strata are introduced.A layered excav
8、ation method for composite strata is proposed for the first time,and a blind area excavation device(rock-breaking roller)is developed.Based on finite element and industrial test analysis,the feasibility of the layered excavation method of composite multicutterhead+roller is verified,realizing the hi
9、gh-efficiency cutting of 30-MPa rock strata in the blind area and successfully implementing rectangular pipe jacking in full-face composite strata of soft soil and rock.Meanwhile,the combined mucking technology of the roller and the screw conveyor is developed for mixing and mucking in the lower par
10、t of the excavation chamber in composite formation.The mucking characteristics of the roller are analyzed based on computational fluid dynamics.The results show that the maximum mucking efficiency is achieved when the twin-screw mucking structure is adopted with a distance of 900 mm between the two
11、screws.Finally,the feasibility of layered excavation and combined mucking technology in composite 隧道建设(中英文)第 43 卷formation is validated through an industrial test,presenting a new solution for the application of rectangular pipe jacking machines in composite formation.K Ke ey yw wo or rd ds s:rectan
12、gular pipe jacking machine;composite strata;blind area excavation device;rock-breaking roller;excavation technology;mucking technology0 引言矩形顶管机发展迅猛,在城市地下通道建设中,正扮演越来越重要的角色1。但目前矩形顶管机的适用地层相对单一,主要适用于淤泥、黏土、粉土、砂土等软土地层2-3,其对于复合地层的适用性,仅在砂卵石地层中得到了应用验证4-5,究其原因,常规矩形顶管机采用的圆形刀盘组合开挖存在盲区6-8,尤其在基岩凸起的上软下硬复合地层中,无法实现全
13、断面开挖。郑永光等9对异形掘进机摆动刀盘、仿形刀盘等结构形式及驱动进行分析,研究结果表明,上述刀盘能够实现全断面开挖,但只适用于软土地层,无法适应强度较高的硬岩地层开挖。针对复合地层矩形断面顶管施工,马鹏等10对先导式开挖矩形顶管装备进行研发,通过切割面分区、分段和错位开挖解决复合地层矩形顶管难题,但未能实现复合地层矩形断面一次成型开挖。对于复合地层矩形全断面顶管施工,刘佼等11结合莆田下穿火车站项目,提出复合地层盲区预处理施工工艺以及集成了滚筒和铣挖头 2 种盲区处理装置的开挖系统,并对摆动铣挖头盲区开挖装置进行结构仿真分析,但该装置对渣土改良要求较高,不适用于土舱下部积渣工况开挖。依据上述
14、研究,目前复合地层矩形顶管施工主要考虑预处理及分区开挖等施工工艺,对全断面机械化开挖还处于探索阶段。本文结合当前复合地层矩形顶管全断面开挖与施工难题,针对砂卵石复合地层、软土与岩层复合地层、软硬岩复合地层工程特点,分析了矩形顶管机的适应性;同时,结合工程案例,重点介绍软土与岩层(抗压强度50 MPa)复合地层矩形顶管机开挖及掘进关键技术及应用情况。1 复合地层矩形顶管机适应性分析复合地层指由 2 种或 2 种以上地质所组成的地层,其组合方式复杂多样。在隧道施工中,涉及较多的复合地层包括砂卵石复合层、软土与岩层复合层以及软硬岩复合层等。目前,矩形隧道的机械法开挖中,矩形顶管机在上述各地层的设备适
15、应性特征如下。1.1 砂卵石复合地层砂卵石复合地层细砂含量较高,结构松散,稳定性差,且孔隙率大、透水性强,开挖面容易涌水、涌砂,如果掌子面水、砂大量流失会造成开挖面失稳、地面沉降甚至坍塌12。该地层在矩形顶管施工中,开挖系统除需解决卵石切削外,还需对掌子面提供稳定支撑。针对上述工况,矩形顶管机开挖选用多个小刀盘同平面布置形式,这样可以减少对掌子面的扰动。相比于前后平行轴式多刀盘布置形式,该布置方式能够很好地支撑掌子面,同时结合带式螺旋输送机形成以排为主、以破为辅的开挖方式。另外,盲区位置采用盾体切刀及高压水/空气冲刷进行切削,开挖系统如图 1 所示。该类型顶管机一般只能适用于卵石地层,且开挖盲
16、区较大,无法适应岩层开挖,应用具有一定局限性。图 1 矩形同平面多刀盘开挖系统Fig.1 Multi-cutterhead excavation system in a rectangular plane1.2 软土与岩层复合地层软土与岩层复合地层一般指隧道施工中常见的上软下硬地层,即地层下部基岩凸起(如强风化、中风化岩石),上部通常为软土或伴有砂层,失稳风险大。针对该类地层,常规盾构圆刀盘可达到理想的切削效果,而多刀盘矩形顶管机存在开挖盲区,常规盲区处理装置(如盾体切刀、风钻)无法处理下部基岩,最终导致无法顶进。因此,针对软土与岩层类复合地层需重点解决盲区处理问题,实现全断面开挖。对此,软土
17、与岩层复合地层矩形顶管机开挖系统可选用多刀盘和盲区开挖装置组合的方式,保证开挖设备的切削范围全断面覆盖。目前,盲区辅助开挖系统主要有铣挖头、破岩滚筒 2 种,可用于强度50 MPa的岩石切削,也可根据不同地层的要求,设计选用其他辅助开挖装置如钻头、破碎锤等。全断面组合开挖矩形顶管机开挖系统如图 2 所示。目前,对于软土与岩层复合地层矩形顶管机的研究尚处于空白阶段,究其原因,复合地层开挖及出渣技术成为制约其发展的重要因素。第 2 节将以工业试验6061第 9 期范 磊,等:复合地层矩形顶管机关键技术及应用 结合重庆天宫殿下穿快速路项目项目为基础,对该类型矩形顶管机开挖及出渣等关键系统的设计及应用
18、进行论述。1刀盘;2盲区开挖装置。图 2 全断面组合开挖矩形顶管机开挖系统Fig.2 Excavation system of full-face combination excavation rectangular pipe jacking machine1.3 软岩硬岩复合地层对于软岩硬岩复合地层,其岩石强度高(部分50 MPa),地层稳定且含水量少,开挖掌子面有一定的自稳性,该地层施工可选用敞开式矩形顶管机13,其整机结构如图 3 所示。1挡板;2插刀;3挡板油缸;4插刀油缸;5前盾;6中盾;7铰接系统;8尾盾;9开挖装置;10管片。图 3 敞开式矩形顶管机Fig.3 Open rect
19、angular pipe jacking machine敞开式矩形顶管机主要由开挖装置、盾体系统、铰接系统、顶推系统、操作台、电力系统、控制系统以及导向系统等组成。其开挖装置为独立设备,可根据具体地质情况选用适当的挖掘设备,如根据岩石强度的不同,可选用悬臂掘进机、劈裂一体机以及链锯等。支护系统主要包括前盾前端拱顶的多组插刀挡板,每个插刀挡板组件包括插刀、挡板、插刀油缸、挡板油缸以及销轴等,如图 4 所示。在插刀油缸的推动下插刀向前方伸出顶至掌子面形成“帽檐”,用于清边并支撑上方土体,以防止隧道拱顶软岩层土体坍落。挡板上端通过销轴铰接在插刀前端,挡板中部通过油缸与插刀尾部铰接。插刀向前伸出时,挡
20、板跟随插刀一起移动,移动到位后,挡板油缸驱动挡板绕插刀前端转动,转动到与掌子面贴合并对开挖面上方土体形成有力支撑。图 4 敞开式矩形顶管机插刀挡板的结构形式Fig.4Structural form of knife inserting baffle of an open pipe jacking machine2 软土与岩层复合地层矩形顶管机设计关键技术2.1 依托工程概况以重庆天宫殿下穿快速路隧道项目为依托对复合地层矩形顶管机关键技术进行研究。该项目开挖断面尺寸为 10.42 m 7.57 m(宽高),管节断面尺寸见图5,隧道长度为 170 m,覆土为 4 m。图 5 管节断面尺寸(单位:c
21、m)Fig.5 Segment cross-section dimensions(unit:cm)施工地层主要为回填土、中等风化泥岩、中等风化砂岩地层,见图 6。其中,隧道接收洞口处地层为回填土,长度约为 30 m,由黏性土、砂泥岩碎块石等组成,硬质物粒径为 10500 mm,质量分数为 10%30%。隧道主体穿越地层以第四系松散土层中等风化泥岩和中等风化砂岩为主,岩层较为完整,岩体属层状结构,饱和抗压强度标准值分别为 6.16、23 MPa,局部岩石强度可能达到 40 MPa 左右,设备面临刀盘破岩、土舱改良及排渣困难等难题。图 6 地质情况Fig.6 Geological conditio
22、ns7061隧道建设(中英文)第 43 卷2.2 复合地层分层开挖技术2.2.1 开挖方式及整体布置针对本项目地层,为了保证对岩层的切削性,刀盘采用复合式设计,同时,参考软土矩形多刀盘布置方式。刀盘采用前后布置的形式,以增大开挖面积切削率;针对岩石复合地层,为解决前后刀盘之间的开挖盲区,增加盲区切削装置;由于本项目覆土较浅,铣挖头容易造成土体扰动沉降,因此选用破岩滚筒装置。综上,本项目开挖系统采用复合刀盘+滚筒切削分层的布置方式,见图 7。图 7 矩形顶管机开挖系统布置方式Fig.7 Excavation device of rectangular pipe jacking machine该布
23、置方式首层开挖采用 3 个复合刀盘,刀具配置包含滚刀、撕裂刀和刮刀,开口率为 40%,满足复合地层的切削;第 2 层 3 个复合刀盘与首层采用相同的结构设计,且部分开挖区域重合,形成 3 前 3 后布置,拟合矩形断面的开挖;前后刀盘采用小间隙设计,防止刀盘卡住石块,导致结构损伤;第 3 层开挖装置布置在多刀盘后部盲区位置,采用 6 个滚筒进行切削。由于地层上软下硬,上部和左右两侧大部分为回填土或极软岩,同时渣土不易堆积,因此刀具采用截齿;下部滚筒切削地层硬度高,且渣土易堆积,因此采用滚刀形式(见图 8)。图 8 分层开挖示意图Fig.8 Schematic of layered excavat
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- 关 键 词:
- 复合 地层 矩形 机关 技术 应用 结合 重庆 天宫 殿下 快速路 项目