超高壓射流技術(shù)在地下綜合管廊中的應(yīng)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?xì)獾燃性谝黄?，已成為?dāng)代大城市發(fā)展現(xiàn)代化、科學(xué)化的標(biāo)準(zhǔn)之一。在發(fā)達(dá)國家，地下綜合管廊已經(jīng)存在了一個(gè)多世紀(jì)，在系統(tǒng)日趨完善的同時(shí)其規(guī)模也在向越來越大的方向發(fā)展，我國大多的城市地下綜合管廊的規(guī)劃較晚，隨著很多城市向著超級大城市的飛速發(fā)展，各大城市在改擴(kuò)建時(shí)大多需要在既有道路下進(jìn)行地下管道鋪設(shè)，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(xiàn)澆法和非開挖施工方法，使用超高壓水射流技術(shù)是一種非傳統(tǒng)的開挖方法，具有傳統(tǒng)的方式難以比擬的優(yōu)點(diǎn)，本文旨在發(fā)明一種使用超高壓射流技術(shù)的進(jìn)行非開挖施工的方法。

關(guān)鍵詞：超高壓;地下綜合管廊;射流開挖;地下工程;數(shù)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(jìn)展，現(xiàn)在已步入一個(gè)新的發(fā)展階段。但進(jìn)入21世紀(jì)以來，許多城市初期缺乏長遠(yuǎn)規(guī)劃的弊端現(xiàn)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(xiàn)的產(chǎn)權(quán)混亂、管線維修等的諸多問題，還對和諧的城市生態(tài)環(huán)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(shè)現(xiàn)代化水平的標(biāo)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(fā)揮著重要作用，而使用超高壓水射流技術(shù)更快、更安全、更靈活地施工建設(shè)綜合管廊則是我們對關(guān)鍵性的施工技術(shù)的探索。

1地下綜合管廊的技術(shù)分析

1.1明挖現(xiàn)澆法

明挖現(xiàn)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(zhì)量，施工成本較低，施工難度不大也是明挖現(xiàn)澆法的特點(diǎn)之一。但明挖現(xiàn)澆法在施工過程中致命的缺點(diǎn)是嚴(yán)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(yōu)選明挖現(xiàn)澆法，而且在地下水位較高時(shí)，還要采用深層井點(diǎn)降水措施。

1.2非開挖法

1.1.1盾構(gòu)法

盾構(gòu)法是在掘進(jìn)的同時(shí)隨即安裝預(yù)制好的隧道支撐性管片，而盾構(gòu)機(jī)隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，現(xiàn)代先進(jìn)的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)集光、電、機(jī)、液、信息、傳感等全自動(dòng)技術(shù)于一身，具備挖削巖土、清輸碴土、拼裝襯砌、自動(dòng)測量并導(dǎo)向糾偏等功能，不足的是需要按照不同的地質(zhì)、工況等具體項(xiàng)目進(jìn)行“量體裁衣”式的設(shè)計(jì)制造，可靠性要求極為苛刻，對地層的抗擾動(dòng)力不良的地段，盾構(gòu)施工時(shí)我們時(shí)常先使用液壓千斤頂將盾構(gòu)切口壓入開挖面土層，然后在盾構(gòu)的保護(hù)殼內(nèi)進(jìn)行土體的安全挖運(yùn)。

按盾構(gòu)機(jī)開挖方法的不同，盾構(gòu)可分為敞開式、擠壓式、網(wǎng)格式和機(jī)械切削式等4類。

1.1.2頂管法

施工既能避開地上設(shè) 施、穿越地下構(gòu)筑物等，又能避免開挖面層，是繼盾構(gòu)施工之后發(fā)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(shù)有刃口推進(jìn)工法、泥水推進(jìn)工法、土壓式推進(jìn)工法、泥濃式推進(jìn)工法。而頂管法中常見的機(jī)型又有敞開式掘進(jìn)機(jī)、多刀盤土壓平衡式頂管機(jī)、單刀盤土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)、刀盤可伸縮式泥水平衡掘進(jìn)機(jī)、偏心破碎泥水平衡掘進(jìn)機(jī)、巖盤頂管機(jī)等，根據(jù)不同的地形地質(zhì)情況，這些機(jī)型都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但他們也都有自己共同的缺點(diǎn)，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(shù)在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用

將超高壓射流噴射槍代替盾構(gòu)機(jī)的前端旋轉(zhuǎn)刀盤，安裝在各種尺寸和需要的形狀的刀架上，通過數(shù)控系統(tǒng)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(yù)制涵片拼裝支護(hù)、吸土機(jī)出渣于一體，實(shí)現(xiàn)地下綜合管廊或隧道的一次成型。

2.1超高壓水射流作業(yè)參數(shù)的選取

超高壓水射流作業(yè)時(shí)有如下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：儲(chǔ)存壓力（MPa）、工作流量（L/min）、整機(jī)功率（kW）、射流沖擊力和切削距。

超高壓水射流掘進(jìn)鉆頭系統(tǒng)如圖1所示，其主要有以下部分組成。

（1）水供應(yīng)系統(tǒng)由水泵、電機(jī)、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(tǒng)。

（2）超高壓增壓系統(tǒng)。其在往復(fù)壓縮式增壓器在由液壓泵提供的高壓油作用下來回運(yùn)動(dòng)，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(shí)斷續(xù)引起的沖擊能，保證施工時(shí)獲得連續(xù)、穩(wěn)定的超高壓射流。

（4）掘進(jìn)機(jī)刀架、噴頭及控制系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中噴頭把從蓄能器過來的超高壓水轉(zhuǎn)變成高壓高速的切割流。控制系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制下按施工要求控制掘進(jìn)機(jī)刀架進(jìn)行三維動(dòng)作，控制噴嘴上下及前后運(yùn)動(dòng)，完成對巖土切割過程。

目前超高壓射流設(shè)備的噴嘴及高壓存儲(chǔ)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(qiáng)度特性，可應(yīng)用于高壓射流設(shè)備的相關(guān)部件的研究。

2.2預(yù)制矩形涵片設(shè)計(jì)拼裝

預(yù)制管廊為預(yù)制鋼筋混凝土矩形涵管，主體結(jié)構(gòu)材料采用C50及以上防水混凝土，抗?jié)B等級P6。矩形涵片的深化設(shè)計(jì)，以滿足承載力、防水等實(shí)際應(yīng)用的需要;上海建工集團(tuán)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(jī)械化拼裝等技術(shù)用于上海虹橋臨空園區(qū)地下連接通道工程。管節(jié)安裝接口間采用承插式內(nèi)墊橡膠圈，為保證拼接平整，管節(jié)精確定位后需要通過在張拉孔內(nèi)穿鋼絞線的張拉預(yù)應(yīng)力來固定。與現(xiàn)澆段搭接的端頭管節(jié)預(yù)先埋設(shè)帶鋼邊的橡膠止水帶，通過現(xiàn)澆段混凝土澆筑使之連為整體。

2.3數(shù)控系統(tǒng)控制性能向智能化方向發(fā)展

超高壓水射流掘進(jìn)機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成有弱電型數(shù)控裝置、強(qiáng)電型輸出驅(qū)動(dòng)及其控制電路組成?？刂齐娐肪筛鶕?jù)施工作業(yè)的具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，而強(qiáng)電路中的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可進(jìn)行外購解決。數(shù)控系統(tǒng)的強(qiáng)電控制器件主要包括交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、高壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)、水泵電機(jī)、溫控表、數(shù)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)和操作面板，強(qiáng)電控制電路包括電源控制電路和電機(jī)控制電路等。

人工智能隨著計(jì)算機(jī)的普及已在各個(gè)領(lǐng)域深入滲透和長足發(fā)展，可以為數(shù)控系統(tǒng)引入模糊系統(tǒng)、自適應(yīng)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機(jī)理。世界上正在進(jìn)行研究的智能化切削系統(tǒng)的有很多，不但具有前饋控制、三維刀具補(bǔ)償、模糊控制、工藝參數(shù)自動(dòng)生成、自適應(yīng)控制、運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)裙δ?，還可以極方便簡單地幫助作業(yè)人施工，并具有一定的故障診斷系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能趨完善。

4結(jié)語

城市地下綜合管廊多采用矩形截面，因?yàn)榫匦螖嗝嬗袃?nèi)部空間利用率高、保養(yǎng)維修操作便利和空間結(jié)構(gòu)歸類分割容易、管線敷設(shè)整齊等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在研究的類矩形盾構(gòu)機(jī)使用傳統(tǒng)的機(jī)械刀頭，不能對巖土全面切削，且對地質(zhì)要求高，鉆頭尺寸不可變，在多方面施工受到嚴(yán)重制約。而使用超高壓射流或輔助機(jī)械對巖土切削來代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械，既可以減小施工震動(dòng)，又能提供效能，增強(qiáng)了盾構(gòu)機(jī)的效能，為鉆頭的設(shè)計(jì)開拓了更廣闊的的思路，為制造出萬能盾構(gòu)機(jī)提出了一個(gè)可行方案。

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