盾構(gòu)同步注漿試驗(yàn)平臺(tái)試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

李 博，王 軍，舒啟林，張大偉

(沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110159)

0 引言

盾構(gòu)同步注漿技術(shù)是盾構(gòu)機(jī)的核心技術(shù)之一，是開發(fā)研制整套盾構(gòu)設(shè)備必不可少的前提條件。因此，早日掌握隧道掘進(jìn)機(jī)同步注漿技術(shù)對實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)國產(chǎn)化、降低盾構(gòu)機(jī)的生產(chǎn)成本和研發(fā)成本起著非常重要的作用。

目前國內(nèi)研制同步注漿技術(shù)基本上是在引進(jìn)、消化、吸收國外盾構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，缺乏自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。主要原因便是缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)的來源主要是通過低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的模型試驗(yàn)得到。為了解決這一問題，國家“863”科技計(jì)劃項(xiàng)目投入了大量的人力物力著手于盾構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)研制。不可否認(rèn)，這些平臺(tái)在建設(shè)初期確實(shí)為當(dāng)時(shí)盾構(gòu)的發(fā)展提供了不小的幫助，但隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有平臺(tái)已無法滿足精確試驗(yàn)的要求。因此，李畢華等［1］在2009年搭建了一套可以精確綜合類盾構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)，該平臺(tái)可以模擬盾構(gòu)施工的所有試驗(yàn)，而且配備了先進(jìn)的監(jiān)測裝置，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集。但是此類平臺(tái)由于成本較高、體積龐大，不適合高校協(xié)同研究，而且國內(nèi)平臺(tái)大多以綜合類平臺(tái)居多，雖功能俱全，但是難以保證單項(xiàng)試驗(yàn)的微小細(xì)節(jié)變化和直觀性，因此本文在歸納整理了以往盾構(gòu)平臺(tái)設(shè)計(jì)的理念后，結(jié)合一些新的設(shè)計(jì)思路針對同步注漿這一單項(xiàng)領(lǐng)域，進(jìn)行平臺(tái)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究。

1 土體試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)方法

1.1 土箱的設(shè)計(jì)機(jī)制

盾構(gòu)在施工過程中會(huì)對周圍土體位移場和應(yīng)力場產(chǎn)生影響，進(jìn)而對周圍結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響，此類環(huán)境效應(yīng)問題已經(jīng)成為盾構(gòu)施工技術(shù)亟待解決的問題。雖然近幾年，國內(nèi)對于盾構(gòu)掘進(jìn)引起的土體位移變化已經(jīng)取得了大量的研究成果［2－5］，但是如何更加準(zhǔn)確地將這種變化效果引入平臺(tái)的設(shè)計(jì)進(jìn)而獲得更加具有參考價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)卻一直是令人困擾的難題。

目前國內(nèi)外常用土體試驗(yàn)箱作為模擬盾構(gòu)工況條件的裝置。其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何減少邊界問題使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。

實(shí)際工況表明地表沉降的主要原因是注漿不當(dāng)和漿液流失較大造成對土體支撐不利所引起地層的錯(cuò)位變化。通常，地層的變化原因主要是上部和左、右部土體受到擾動(dòng)發(fā)生應(yīng)力分布變化所致，而下部應(yīng)力場的變化較小，故土箱控制邊界條件應(yīng)主要是左、右及縱向邊界即可。

1.2 土箱設(shè)計(jì)方法的提出

將土箱設(shè)計(jì)為長方箱體，故需要確定的尺寸為:橫向尺寸(寬)、縱向尺寸(長)和埋深方向(高)［6－7］。

1.2.1 土箱橫向尺寸確定方法

選用peck橫向分布地面沉降的估算公式(如式(1))來求解土體沉降槽的寬度，已經(jīng)可以基本反映地層橫向變化的規(guī)律，因此可以把其定為土箱的橫向尺寸。

式中:Vi為盾構(gòu)單位長度地層損失量;i為沉降槽寬度系數(shù)。

式中:Z為地面到隧道中心深度;φ為土體內(nèi)摩擦角。

1.2.2 土箱縱向尺寸確定方法

根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，在不考慮刀盤作用情況下，盾體推進(jìn)對土體縱向的影響范圍近似等于盾體長度，因此可以將此值作為土箱的縱向長度。

1.2.3 土箱埋深方向確定方法

土箱的埋深方向根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，一般為上覆土高度加上盾體直徑再加上底部邊界，而其埋深高度為2倍盾體直徑，底部邊界條件為不小于1倍盾體直徑，因此埋深高度近似為1D+D+2D=4D。

2 推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)方法

2.1 推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)機(jī)制

推進(jìn)裝置是盾構(gòu)前進(jìn)的動(dòng)力來源，是實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)試驗(yàn)功能的關(guān)鍵裝置。以海瑞克直徑6.34 m盾構(gòu)為例，內(nèi)部由30個(gè)推進(jìn)油缸組成，分成4組為盾構(gòu)的前進(jìn)提供動(dòng)力，并配套安裝有14個(gè)被動(dòng)式鉸接油缸。圖1為推進(jìn)鉸接裝置原理圖。

為了盡可能在降低成本的情況下實(shí)現(xiàn)推進(jìn)功能，將推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)為單鉸接推進(jìn)裝置。圖2和圖3為簡化設(shè)計(jì)出的推進(jìn)裝置原理圖和三維模型圖。

2.2 推進(jìn)裝置工作原理

由圖2可知，液壓缸與球面推盤鉸接，推盤直徑略小于盾體內(nèi)徑，這樣可以使液壓缸推動(dòng)盾體前進(jìn)時(shí)在一定自由度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而防止當(dāng)液壓缸加載不當(dāng)引起偏心造成“卡死”的情況。由于球面推盤與盾體通過螺栓聯(lián)為一體故可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的推進(jìn)，液壓缸后部由法蘭固定在反力鋼板上，管片可以依靠推進(jìn)反力壓實(shí)，液壓缸尾部固定通過聯(lián)接穿過反力鋼板固定在土箱側(cè)壁上，故管片與液壓缸本身不會(huì)發(fā)生移動(dòng)。隨著盾體逐漸被推離管片，就可以模擬真實(shí)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，管片逐步脫離盾尾的效果。

2.3 推進(jìn)液壓缸計(jì)算

試驗(yàn)中液壓缸提供的動(dòng)力主要用來克服盾體與土體的摩擦力。推進(jìn)液壓缸計(jì)算過程如下。

首先，根據(jù)式(3)和式(4)確定上覆土壓

式中:Pe為活塞桿彎曲失穩(wěn)的臨界壓縮力，kN;2B為隧道頂端松動(dòng)圈幅，m;γ為土體容重，kN/m3;D為隧道外徑，m;C為土體內(nèi)聚力，kPa;K0為水平土壓與垂直土壓之比;φ為土體內(nèi)摩擦角，(°);H為覆土高度，m;W0為地表載荷，kPa。

然后，根據(jù)摩擦力求出活塞桿直徑d，并根據(jù)需要確定液壓缸的行程S。

式中:F為外負(fù)載，N;［σ］為活塞桿材料許用應(yīng)力，MPa;n為活塞桿彎曲失穩(wěn)的臨界壓縮力;l為安全系數(shù)。

接著計(jì)算液壓缸油口尺寸

式中:D為隧道外徑，m;vmax為油路的最大速度;v0為油路的初始速度。

最后，對液壓缸穩(wěn)定性進(jìn)行校核

式中:Fk為活塞桿彎曲失穩(wěn)的臨界壓縮力;nk為安全系數(shù)，一般取值3.5 ～6。

3 注漿裝置的設(shè)計(jì)方法

3.1 注漿裝置設(shè)計(jì)機(jī)制

注漿泵是同步注漿系統(tǒng)的核心，為漿液的同步注入提供動(dòng)力，但由于成本太高，不適于高校等科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究。因此，為了滿足試驗(yàn)需求，擬設(shè)計(jì)出一套注漿替代裝置如圖4所示。

圖4 注漿系統(tǒng)原理圖Fig.4 Principle of grouting system

3.2 注漿裝置工作原理

電機(jī)輸出經(jīng)過減速器后帶動(dòng)偏心輪機(jī)構(gòu)3以一定速度轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)推桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在推進(jìn)桿的運(yùn)動(dòng)副上安裝導(dǎo)軌滑輪機(jī)構(gòu)4，使推桿只能在平面上做直線運(yùn)動(dòng)，推桿一端連接活塞并緊密的置入注漿器5中。儲(chǔ)漿筒2內(nèi)的漿液在重力和大氣壓作用下流入注漿器，偏心輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)活塞以一定的速度將漿液通過注漿管6推入盾體1中，經(jīng)過多種閥體調(diào)速調(diào)整流量的復(fù)合作用后進(jìn)行注漿。

4 平臺(tái)布置簡圖及工作原理

圖5為注漿平臺(tái)的布置簡圖。本平臺(tái)主要由加載部分、盾構(gòu)模型部分、推進(jìn)系統(tǒng)部分和注漿部分4部分組成。

將盾體預(yù)埋在土箱1中，通過頂部加載裝置2和3共同作用模擬土壓和水壓0.45 MPa左右，模型盾構(gòu)內(nèi)部安裝有推進(jìn)裝置，將管片4放入后，利用尾部固定裝置將推進(jìn)系統(tǒng)連同管片利用螺栓固定在土箱右側(cè)壁上，使之不會(huì)發(fā)生移動(dòng)。通過盾體內(nèi)部液壓裝置推動(dòng)盾體逐步脫離管片，管片外徑與盾體外徑存在空隙即為需要注漿部分，加載裝置和推進(jìn)裝置可共用一個(gè)泵站提供動(dòng)力;注漿管左端置入直接與注漿口相連，注漿管另一端通過注漿裝置9連接在凸輪機(jī)構(gòu)8上。注漿裝置9通過注漿管與儲(chǔ)漿罐5連接，漿液依靠重力及大氣壓作用流入注漿裝置內(nèi)，為防止?jié){液凝固，頂部放置有攪拌裝置10。為了更好地監(jiān)控注漿過程中管片軸向壓力變化情況，擬在土箱側(cè)壁上布置一定數(shù)量的壓力傳感器，通過數(shù)據(jù)采集反映壓力變化情況。偏心輪機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)并利用聯(lián)軸器聯(lián)接在減速器7的輸出軸上，整套系統(tǒng)由電機(jī)6提供動(dòng)力實(shí)現(xiàn)。為保證平臺(tái)強(qiáng)度要求，采用梁結(jié)構(gòu)搭建，接頭處采用螺栓聯(lián)接，應(yīng)力集中部分拉強(qiáng)化筋加固，并采用無縫焊接，使平臺(tái)堅(jiān)固并方便拆裝。

圖5 同步注漿試驗(yàn)平臺(tái)布置簡圖Fig.5 Layout of simultaneous grouting test platform

5 結(jié)論與討論

以目前國內(nèi)外同步注漿平臺(tái)試驗(yàn)裝置為參考，首次嘗試對平臺(tái)試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方法作出論述。本文理論上實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的低成本化，并通過理論與實(shí)際需要相結(jié)合的方式，對平臺(tái)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)做出說明。由于時(shí)間有限還存在許多未解決的問題，如沒有對機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化以及控制因素考慮不是很周全等，這些問題將是下一步研究的重點(diǎn)。本研究對更好地進(jìn)行同步注漿平臺(tái)優(yōu)化有著深遠(yuǎn)的意義。

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