自行走式掘進機增阻力與增阻塊撐出面積關系研究

盧清國，馬俊朋，張延欽

(北京工業大學建筑工程學院，北京 100022)

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，城市化水平也在快速提高，向地下發展已成為城市發展的必然趨勢，是擴增城市空間的最佳途徑［1］。隨著地下空間開發力度不斷加大，環境保護意識及生活質量的提高，傳統的礦山法正逐步被盾構和頂管等機械施工法所取代。盾構和頂管是目前應用比較廣泛的機械施工方法［2－4］，但這2種新型施工技術也存在著一些不足和局限，如轉彎不夠靈活，必須依賴后方人工構筑物才能前進等，這使得城市地下管網建設和地下空間開發受限［5］。因此，目前急需一種可自由穿行于城市地下土體，并具備空間急曲線轉彎、自行走功能的隧(管)道施工技術和相應的設備［6］。

在自行走式掘進機的研究方面，盧清國［7］首先提出利用工具管外側設置的增阻撐起裝置與周圍土體緊密接觸所提供的反力，調節安裝在掘進機內側圓周上液壓缸組的不同側向推力，在常規挖土設備配合下，使掘進機在土體中自行進開挖形成一條小半徑曲線式隧道，并獲得國家發明專利授權。楊海濱［8］、張延欽［9］和王慶學［10］就自行式掘進機增阻參數，轉彎反力與增阻塊高度、環數的關系以及小型樣機現場試驗作了初步研究。

本文依托“十一五”國家科技支撐計劃重點項目課題“城市市政隧(管)道自行走式施工技術和裝備研究與開發”進行實施性研究，為自行走式隧道施工裝備的基本功能實現的重要研究內容，并結合樣機現場試驗和模型試驗，獲得了掘進機增阻力和增阻塊撐出面積的關系。

1 試驗概況

1.1 掘進機的構成特征

在室內試驗研究的基礎上，為室外試驗制造了一臺由4節組成的自行走式掘進機樣機。第1節為切削掘進節，通過前端的刃腳切削土體前進;第2和第3節為驅動行走節，沿周向各布置64塊和96塊增阻塊，利用增阻塊撐起后與周圍土體緊密嚙合產生的嵌入摩阻力提供掘進機前行反力;第4節為支護節，可在其內拼裝支護管片，為開挖的隧道提供支護。

1.2 自行走式掘進機的行走原理

土中自行走式掘進機自行走的原理是:1)第2節增阻塊撐起嵌入土中產生與其相鄰各節前行的反力。首先，使連接1和2節之間的液壓缸執行推動作，使切削掘進節處的刃腳切入土層，切削土體前進;完成此動作后，利用連接2和3節之間的液壓缸執行拉動作，拉動第3節與第2節靠攏。2)縮回第2節增阻塊，使第3節增阻塊撐起，仍利用連接2和3節之間的液壓缸，推動第2節與第1節靠攏，然后拉動第4節與第3節靠攏。完成一個掘進自行走循環。隨著掘進機向前行走，在第4節的尾部拼裝PE中空壁纏繞管的管片，形成一個成形隧道。

2 增阻塊撐出高度數據采集

2010年10—12月，在遼寧省燈塔市郊區進行了自行走的原理性現場試驗，掘進機始發于一高約4 m的土坎下，開始原理性試驗。

2.1 增阻塊撐出的橫軸向面積

增阻塊長度為掘進機縱向方向，寬度為掘進機切向方向，撐出方向為高度方向。每塊增阻塊的撐出面積可由每塊增阻塊的寬度與撐出高度的乘積來計算，每塊增阻塊的寬度設計為12 cm，增阻塊的撐出高度由安裝在增阻塊側面的測繩測量，測繩通過工具管管壁上的鉆孔伸入管內，首先測出未充氣狀態下(增阻塊在原位時)測繩在工具管內的長度，然后測出在某一氣壓下(增阻塊升起一定高度時)測繩在工具管內的長度，就可計算出在某一氣壓下增阻塊的撐起高度。

2.2 增阻塊增阻力

掘進機工具管前進時推力的大小由1和2節、2和3節之間的液壓管路上的液壓值換算得到。工具管在執行動作時，讀取勻速動作時的液壓表穩定讀數，然后換算得出工具管執行動作時的推力或拉力值。

3 現場試驗數據分析

在自行走式隧道掘進機掘進過程中，與機器接觸的土體為2種狀態，即:經增阻塊撐起擾動和未經增阻塊撐起擾動。自行走式隧道掘進機第1節切削土體前進后，第2節第1環通過時土體處于未經增阻塊撐起擾動過的狀態。當增阻塊撐出后擠壓土體，土體被壓密或部分土體掉落，以后各環再通過時土體均處于經增阻塊撐起后擾動過的狀態。在機器進洞初期，第2節增阻塊未撐起，第3節行至此處時可近似認為土體處于未經增阻塊撐起擾動過的狀態。

在自行走式隧道掘進機行進試驗過程中，分別測出了在不同增阻塊撐起高度下掘進機行進時液壓缸產生的推力，通過換算成增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積，就可得知增阻塊提供的推力大小。土體未經增阻塊撐起擾動狀態下測得數據如表1所示。

在增阻塊多次撐起后的擾動狀態下，增阻塊的推力有所降低，測得數據如表2所示。

表1 土體未經增阻塊撐起擾動狀態下不同增阻塊撐出面積提供的推力試驗數據Table 1 Testing data of thrust provided by different launching-out area of resistance blocks before launching out of resistant block

表2 增阻塊多次撐起后的擾動狀態下不同增阻塊撐出面積提供的推力試驗數據Table 2 Testing data of thrust provided by different launching-out area of resistance blocks after launching out of resistant block

根據2種狀態下的試驗數據，可以分別得出增阻塊提供的推力、增阻塊起到的增阻作用與不同增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積的關系，如圖1和圖2所示。

從圖1可以看出:土體經增阻塊撐起擾動前、后增阻塊提供的推力與增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積大致呈線性關系，即隨著增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積的增大而增大。經增阻塊撐起擾動前，增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積每增加0.001 m2，增阻塊提供的推力大約增加1.85 kN;擾動后，增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積每增加0.001 m2，增阻塊提供的推力大約增加1.54 kN。經增阻塊撐起擾動后與經增阻塊撐起擾動前相比，相同增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積，增阻塊提供的推力降低28.5%左右。

從圖2可以看出，增阻塊起到的作用與增阻塊在管軸垂直方向的投影面積也大致呈線性關系。經增阻塊撐起擾動前，增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積每增加0.001 m2，增阻塊起到的增阻作用大約增加0.004 9 MPa;經增阻塊撐起擾動后，增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積每增加0.001 m2，增阻塊起到的增阻作用大約增加0.004 3 MPa。同理，相同增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積，增阻塊起到的增阻作用在經增阻塊撐起擾動后比經增阻塊撐起擾動前降低27.7%左右。

4 現場試驗與實驗室試驗結果對比

2008年11—12月，為設計和加工自行走式掘進機現場小型樣機提供指導，特設計和加工了1臺小型樣機功能節的縮比例尺模型。通過改變增阻塊撐出面積(高度)、環數、每環個數、擾動長度，在試驗室內進行了四因素、四水平的正交試驗，如圖3所示。通過試驗，找出了影響增阻塊推力的主要因素，并得出了增阻塊提供的推力與不同增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積的關系如圖4所示。

從圖4可以看出，增阻塊提供的推力與增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積也大致呈線性關系。擾動前，增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積每增加0.001 m2，增阻塊提供的推力大約增加0.086 kN;擾動后，增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積每增加0.001 m2，增阻塊提供的推力大約增加0.043 kN。擾動后與擾動前相比，相同增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積，增阻塊提供的推力降低約29.3%。

綜合圖1、圖2和圖4可知，增阻塊提供的推力、增阻塊起到的增阻作用隨著增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積的增大而增大，大致呈線性關系。

5 結論與討論

1)自行走式隧道掘進機小型樣機現場試驗與試驗室相似模型試驗得出的增阻塊提供的推力、增阻塊起到的增阻作用與增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積的關系有相似性和一致性，現場試驗驗證了相似模型試驗得出的規律。

2)現場試驗與相似模型試驗所得出的增阻塊提供的推力與增阻塊撐出時在管軸垂直方向的投影面積的關系為近似正比例關系，可在增阻結構的初步設計中作為參考。

3)上述2種試驗是在粉質黏土層中進行的，由于自行走式掘進機增阻塊發揮作用與土層的土性有密切關系，故結論不能廣泛適用于其他土層，對其他土性的土層應作進一步試驗研究。

4)可對其他影響增阻塊提供推力的因素進行下一步分析研究，包括土體土性，掘進機的覆土高度等。

［1］ 錢七虎.迎接我國城市地下空間開發高潮［J］.巖土工程學報，1998，20(1):112－113.

［2］ 錢七虎，李朝甫，傅德明.隧道掘進機在中國地下工程中應用現狀及前景展望［J］.地下空間，2002，22(1):1－11，93.(QIAN Qihu，LI Chaofu，FU Deming.The present and prospect of application of tunnecer in China’s underground engineering［J］.Underground Space，2002，22(1): 1－11，93.(in Chinese))

［3］ 周文波.盾構法隧道施工技術及應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2004.

［4］ 韓選江.大型地下頂管施工技術原理及應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［5］ 顏純文，蔣國盛，葉建良.非開挖鋪設地下管線工程技術［M］.上海:上海科學技術出版社，2005.

［6］ 盧清國.長距離隧道自驅動前行的可行性［C］//中日第三屆盾構隧道技術交流會論文集.東京:東京早稻田大學，2005.

［7］ 盧清國.自行走隧管道掘進機筒體外周的增阻部件:中國，CN 101761342 A［P］.2010－06－30.

［8］ 楊海濱.一次增阻擾動后土中自行走式掘進機增阻參數的試驗研究［D］.北京:北京工業大學建筑工程學院，2009.

［9］ 張延欽.自行走式掘進機轉彎反力與增阻塊高度、環數關系的研究［D］.北京:北京工業大學建筑工程學院，2011.

［10］ 王慶學.自行走式掘進機小型樣機現場試驗研究［D］.北京:北京工業大學建筑工程學院，2010.