超高壓射流技術在地下綜合管廊中的應用探析

李勝光

摘要：地下綜合管廊將通訊、排氣、電力、給排水、燃氣等集中在一起，已成為當代大城市發展現代化、科學化的標準之一。在發達國家，地下綜合管廊已經存在了一個多世紀，在系統日趨完善的同時其規模也在向越來越大的方向發展，我國大多的城市地下綜合管廊的規劃較晚，隨著很多城市向著超級大城市的飛速發展，各大城市在改擴建時大多需要在既有道路下進行地下管道鋪設，施工難度巨大，而目前的施工方法中最常用的施工方法是明挖現澆法和非開挖施工方法，使用超高壓水射流技術是一種非傳統的開挖方法，具有傳統的方式難以比擬的優點，本文旨在發明一種使用超高壓射流技術的進行非開挖施工的方法。

關鍵詞：超高壓;地下綜合管廊;射流開挖;地下工程;數控平臺

引言

改革開放四十年來，中國城市化獲得了飛速的進展，現在已步入一個新的發展階段。但進入21世紀以來，許多城市初期缺乏長遠規劃的弊端現在已日益凸顯，城市地下綜合管廊不僅解決了大城市已出現的產權混亂、管線維修等的諸多問題，還對和諧的城市生態環境，文明的城市總體形象有著非常積極意義，如今城市綜合管廊的完善程度已是衡量大城市建設現代化水平的標志之一。地下綜合管廊對滿足民生基本需求和提高城市綜合承載力發揮著重要作用，而使用超高壓水射流技術更快、更安全、更靈活地施工建設綜合管廊則是我們對關鍵性的施工技術的探索。

1地下綜合管廊的技術分析

1.1明挖現澆法

明挖現澆法可以通過合理分割施工段來大面積施工，很好地提高了工作效率，且很好地保障施工的質量，施工成本較低，施工難度不大也是明挖現澆法的特點之一。但明挖現澆法在施工過程中致命的缺點是嚴重影響了交通、遷改量大，所以在人口不太密集，交通壓力不大的場地可優選明挖現澆法，而且在地下水位較高時，還要采用深層井點降水措施。

1.2非開挖法

1.1.1盾構法

盾構法是在掘進的同時隨即安裝預制好的隧道支撐性管片，而盾構機隧道掘進的專用工程機械，現代先進的盾構掘進機集光、電、機、液、信息、傳感等全自動技術于一身，具備挖削巖土、清輸碴土、拼裝襯砌、自動測量并導向糾偏等功能，不足的是需要按照不同的地質、工況等具體項目進行“量體裁衣”式的設計制造，可靠性要求極為苛刻，對地層的抗擾動力不良的地段，盾構施工時我們時常先使用液壓千斤頂將盾構切口壓入開挖面土層，然后在盾構的保護殼內進行土體的安全挖運。

按盾構機開挖方法的不同，盾構可分為敞開式、擠壓式、網格式和機械切削式等4類。

1.1.2頂管法

施工既能避開地上設 施、穿越地下構筑物等，又能避免開挖面層，是繼盾構施工之后發展出來一種新型的地下管道施工方法。常見4種頂管施工技術有刃口推進工法、泥水推進工法、土壓式推進工法、泥濃式推進工法。而頂管法中常見的機型又有敞開式掘進機、多刀盤土壓平衡式頂管機、單刀盤土壓平衡頂管掘進機、刀盤可伸縮式泥水平衡掘進機、偏心破碎泥水平衡掘進機、巖盤頂管機等，根據不同的地形地質情況，這些機型都有其獨特的優點，但他們也都有自己共同的缺點，就是受管道軸線附近大的石塊、樁基等不明障礙物的影響較大，且一種鉆頭只能開挖一種固定的尺寸的圓形斷面。

2超高壓射流技術在盾構施工中的應用

將超高壓射流噴射槍代替盾構機的前端旋轉刀盤，安裝在各種尺寸和需要的形狀的刀架上，通過數控系統控制超高壓“水刀”在土體中切割土體或巖層，從而集超高壓射流開挖、矩形預制涵片拼裝支護、吸土機出渣于一體，實現地下綜合管廊或隧道的一次成型。

2.1超高壓水射流作業參數的選取

超高壓水射流作業時有如下幾個關鍵參數：儲存壓力（MPa）、工作流量（L/min）、整機功率（kW）、射流沖擊力和切削距。

超高壓水射流掘進鉆頭系統如圖1所示，其主要有以下部分組成。

（1）水供應系統由水泵、電機、水過濾器等組成，作用是把常壓水升到5MaP壓力，供給增壓系統。

（2）超高壓增壓系統。其在往復壓縮式增壓器在由液壓泵提供的高壓油作用下來回運動，把由水泵供給的水壓增到350～900MPa。

（3）蓄能器。它可以積存一定的高壓水，來吸收由增壓器的脈沖水流和工作時斷續引起的沖擊能，保證施工時獲得連續、穩定的超高壓射流。

（4）掘進機刀架、噴頭及控制系統。在這個系統中噴頭把從蓄能器過來的超高壓水轉變成高壓高速的切割流。控制系統在計算機控制下按施工要求控制掘進機刀架進行三維動作，控制噴嘴上下及前后運動，完成對巖土切割過程。

目前超高壓射流設備的噴嘴及高壓存儲的耐久性仍是需要克服的主要問題，希望新材料石墨烯的高強度特性，可應用于高壓射流設備的相關部件的研究。

2.2預制矩形涵片設計拼裝

預制管廊為預制鋼筋混凝土矩形涵管，主體結構材料采用C50及以上防水混凝土，抗滲等級P6。矩形涵片的深化設計，以滿足承載力、防水等實際應用的需要;上海建工集團于2015年已成功使用了近似的鋼混組合的矩形管片體系與機械化拼裝等技術用于上海虹橋臨空園區地下連接通道工程。管節安裝接口間采用承插式內墊橡膠圈，為保證拼接平整，管節精確定位后需要通過在張拉孔內穿鋼絞線的張拉預應力來固定。與現澆段搭接的端頭管節預先埋設帶鋼邊的橡膠止水帶，通過現澆段混凝土澆筑使之連為整體。

2.3數控系統控制性能向智能化方向發展

超高壓水射流掘進機的數控系統的硬件組成有弱電型數控裝置、強電型輸出驅動及其控制電路組成。控制電路均可根據施工作業的具體要求進行設計，而強電路中的交流伺服電機驅動電路可進行外購解決。數控系統的強電控制器件主要包括交流伺服電機及其驅動器、高壓泵驅動電機、水泵電機、溫控表、數控執行機構和操作面板，強電控制電路包括電源控制電路和電機控制電路等。

人工智能隨著計算機的普及已在各個領域深入滲透和長足發展，可以為數控系統引入模糊系統、自適應控制和神經網絡的控制機理。世界上正在進行研究的智能化切削系統的有很多，不但具有前饋控制、三維刀具補償、模糊控制、工藝參數自動生成、自適應控制、運動參數動態補償等功能，還可以極方便簡單地幫助作業人施工，并具有一定的故障診斷系統使自診斷和故障監控功能趨完善。

4結語

城市地下綜合管廊多采用矩形截面，因為矩形斷面有內部空間利用率高、保養維修操作便利和空間結構歸類分割容易、管線敷設整齊等優點，現在研究的類矩形盾構機使用傳統的機械刀頭，不能對巖土全面切削，且對地質要求高，鉆頭尺寸不可變，在多方面施工受到嚴重制約。而使用超高壓射流或輔助機械對巖土切削來代替傳統機械，既可以減小施工震動，又能提供效能，增強了盾構機的效能，為鉆頭的設計開拓了更廣闊的的思路，為制造出萬能盾構機提出了一個可行方案。

參考文獻：

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