基于新型試驗(yàn)裝置的管節(jié)摩阻力影響規(guī)律探究

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

頂管機(jī)施工以其非明挖性、掘進(jìn)速度快、施工安全、對周圍環(huán)境影響較小、噪音小等優(yōu)勢，被廣泛地用于給水排水、電力通信、油氣等市政和能源管線施工中。頂管機(jī)施工中其頂推力所要克服的阻力主要來源于兩個(gè)方面：一是掘進(jìn)時(shí)土體給刀盤的作用力，即頂管機(jī)掘進(jìn)時(shí)的迎面阻力；二是隧道周圍土體對頂管機(jī)和管道外壁的摩阻力[1]。其中，迎面阻力可通過相應(yīng)的計(jì)算公式進(jìn)行相對準(zhǔn)確計(jì)算，而周圍土體對頂管機(jī)和管道外壁的摩阻力在計(jì)算時(shí)需考慮觸變泥漿的影響[2]，多依據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，而經(jīng)驗(yàn)計(jì)算出的摩阻力值偏差較大，為彌補(bǔ)偏差，往往在選取頂推油缸時(shí)，會(huì)將油缸頂推力安全系數(shù)選取較大值，這樣勢必會(huì)造成大馬拉小車的局面，導(dǎo)致不必要的浪費(fèi)。故而觸變泥漿與管節(jié)摩阻力檢測具有十分必要的工程意義。

目前，國內(nèi)針對觸變泥漿的滲透原理及形成機(jī)理、頂管摩阻力檢測的研究已取得了一定的成果，在試驗(yàn)裝置及研究方法上有所突破[3～4]，但試驗(yàn)裝置仍存在龐大、復(fù)雜、成本高的問題，也僅停留在實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下試驗(yàn)，工程項(xiàng)目中應(yīng)用時(shí)可復(fù)制性不強(qiáng)。國內(nèi)頂管工程中對觸變泥漿與管節(jié)摩阻力檢測的裝置，只有在施工過程中才知道觸變泥漿與管節(jié)的摩阻力大小，若遇到現(xiàn)場摩阻力較大的情況，需增配油缸，不僅延誤工期，更會(huì)消耗大量資金。因此需要開發(fā)一種成本較低，適用性廣，操作簡便，且能模擬檢測觸變泥漿與管節(jié)摩阻力的試驗(yàn)裝置。

為此，本文探索出一種簡單實(shí)用的摩阻力試驗(yàn)裝置，并利用該裝置探索了觸變泥漿壓力、靜置時(shí)間對于管節(jié)平均摩阻力的影響規(guī)律，該研究成果為頂推力的配置提供了參考依據(jù)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 管節(jié)摩阻力檢測試驗(yàn)裝置

為實(shí)現(xiàn)管節(jié)摩阻力檢測，設(shè)計(jì)了一種新型頂管機(jī)用管節(jié)平均摩阻力檢測試驗(yàn)裝置（圖1）。本檢測試驗(yàn)裝置的前提是滿足如下假設(shè)條件：觸變 泥漿在管節(jié)外形成完整泥漿套，即管節(jié)與開挖原狀土無接觸。試驗(yàn)裝置包括箱體、密封組合件、模擬管節(jié)、注漿與排漿用球閥、加壓件、壓力表、摩阻力檢測組合件。密封組合件連接于箱體左右兩側(cè)，模擬管節(jié)穿過密封組合件伸入箱體內(nèi)部，注漿、加壓裝置設(shè)置在箱體上方，排漿裝置設(shè)置在箱體下方。加壓件包括高壓氣源和球閥；扭矩測試組合件包括扭矩板和數(shù)顯式扭矩扳手，其中數(shù)顯式扭矩扳手也可替換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和扭矩傳感器的形式；模擬管節(jié)包括測試管節(jié)和密封管節(jié)，且測試管節(jié)和密封管節(jié)可以拆裝，便于不同粗糙度測試管節(jié)的更換。箱體與密封座連接面設(shè)有密封件，使箱體內(nèi)形成密閉空間。試驗(yàn)裝置通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)際頂管施工中的直線運(yùn)動(dòng)，通過測量旋轉(zhuǎn)扭矩值，實(shí)現(xiàn)管道外壁與觸變泥漿摩擦阻力的測試功能。

圖1 管節(jié)摩阻力檢測試驗(yàn)裝置

1.2 管節(jié)摩阻力檢測方法

管節(jié)摩阻力檢測試驗(yàn)步驟如下。

1）將一定粗糙度的待測測試管裝配至摩阻力檢測試驗(yàn)裝置。

2）保持箱體無漿液情況下，打開高壓氣動(dòng)源閥門，向箱體內(nèi)充入高壓氣體，觀察壓力表示數(shù)使壓力P維持在待測值，旋轉(zhuǎn)扭矩扳手（或打開驅(qū)動(dòng)電機(jī)），讀出空載扭矩值M1i，記錄數(shù)據(jù)。

3）打開泥漿注入球閥，向箱體內(nèi)注入待測觸變泥漿。

4）注漿完成后，關(guān)閉泥漿注入球閥，打開高壓氣動(dòng)源閥門，向箱體內(nèi)充入高壓氣體，觀察壓力表示數(shù)使壓力P維持在待測值。

5）再次旋轉(zhuǎn)扭矩扳手（或打開驅(qū)動(dòng)電機(jī)），讀出扭矩值M2i，記錄數(shù)據(jù)。

6）依公式Fi=(M2i-M1i)/R，f平均=F/S計(jì)算出平均摩阻力f平均，記錄數(shù)據(jù)。其中：Fi為第i次試驗(yàn)時(shí)的摩阻力；R為測試管節(jié)半徑；f為平均摩阻力；S為測試管節(jié)外表面積。

7）按試驗(yàn)次數(shù)需求，重復(fù)步驟1～6。

管節(jié)平均摩阻力的檢測試驗(yàn)分為空腔扭矩檢測、注漿扭矩檢測與平均摩阻力計(jì)算3 個(gè)部分。

空腔扭矩檢測：關(guān)閉泥漿注漿口和排漿口的球閥，高壓氣體注入口接空壓機(jī)。試驗(yàn)時(shí)，通過控制空壓機(jī)，使密封箱體上壓力表的示數(shù)從0 增加到1.5MPa，壓力每增加0.1MPa，用數(shù)顯式扭矩扳手檢測該壓力下盾體扭矩的大小并記錄（每個(gè)壓力下記錄5 組數(shù)據(jù)，平均值為該壓力下盾體扭矩值），由此得到空腔扭矩M11、M12、M13……M1i的大小。

注漿扭矩檢測：將事先配置好的觸變泥漿漿液通過注入口注入密封箱體內(nèi)，關(guān)閉泥漿注入口和泥漿出口的球閥，高壓氣體注入口接空壓機(jī)。試驗(yàn)時(shí)，通過控制空壓機(jī)，使密封箱體上壓力表的示數(shù)從0 增加到1.5MPa，壓力每增加0.1MPa，用數(shù)顯式扭矩扳手檢測該壓力下盾體扭矩的大小并記錄（每個(gè)壓力下記錄5 組數(shù)據(jù)，平均值為該壓力下盾體扭矩值），由此得到注漿扭矩M21、M22、M23……M2i的大小。

最后通過步驟6 中的公式計(jì)算出各壓力狀態(tài)下的管節(jié)平均摩阻力。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 觸變泥漿壓力變化對管節(jié)平均摩阻力的影響

觸變泥漿主要成分為膨潤土和水，其中加入的純堿、CMC 主要是為了改善觸變泥漿的分散性，黏稠度、水分保持能力以及懸浮性[5]。本次試驗(yàn)減摩劑采用砂性軟土地層常用觸變泥漿，配比：膨潤土∶純堿∶CMC∶水=400∶5∶3∶700?；剞D(zhuǎn)轉(zhuǎn)速按照常規(guī)頂管頂進(jìn)速度40mm/min 進(jìn)行換算得0.143rad/min，約為1/7r/min。

為消除壓力變化對密封產(chǎn)生抱緊力的影響造成的對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，在加注觸變泥漿前后分別進(jìn)行加壓試驗(yàn)進(jìn)行扭矩測試，試驗(yàn)壓力從0.1～1.5MPa，每間隔0.1MPa 進(jìn)行測試一組，并求得各壓力下的扭矩平均值，如表1 所示，經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出的平均摩阻力隨觸變泥漿壓力變化而變化的曲線，如圖2 所示。

表1 不同壓力下加注觸變泥漿前后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 平均摩阻力曲線

由圖2 可知，在該配比的觸變泥漿環(huán)境下，當(dāng)觸變泥漿壓力小于0.6MPa 時(shí)，壓力的變化對平均摩阻力的影響較小，平均摩阻力處于一個(gè)相對穩(wěn)定的數(shù)值上；當(dāng)觸變泥漿壓力超過0.6MPa時(shí)，隨著壓力的升高，平均摩阻力有一個(gè)較快的增大過程，而當(dāng)觸變泥漿壓力增大到一定程度后（該配比的觸變泥漿壓力轉(zhuǎn)變值約為1.2MPa），平均摩阻力的增速又趨于平緩。這說明，在正常施工的條件下，如果觸變泥漿壓力設(shè)定在0.6MPa 以下，那么在這個(gè)范圍內(nèi)，無論觸變泥漿壓力為多少，平均摩阻力的值幾乎處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。對于壓力在0～0.6MPa 之間的平均摩阻力，圖3 給出了一個(gè)放大圖。由圖3 可知，在觸變泥漿壓力0.6MPa 以內(nèi)的常規(guī)頂管項(xiàng)目施工中，能夠形成完整泥漿套的前提下，平均摩阻力的值在2～2.25kN/m2范圍內(nèi)。

2.2 觸變泥漿靜置時(shí)間對管節(jié)平均摩阻力的影響

在0.3MPa 觸變泥漿壓力條件下，模擬設(shè)備長時(shí)間停機(jī)狀況時(shí)的啟動(dòng)過程，對比連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)觸變泥漿摩阻力和觸變泥漿靜置1 天、2 天、3 天、4 天的啟動(dòng)摩阻力大小，繪制平均摩阻力隨觸變泥漿靜置天數(shù)變化而變化的曲線，如圖4 所示。

圖3 0.1～0.6MPa壓力下的平均摩阻力曲線

圖4 管節(jié)平均摩阻力隨觸變泥漿靜置時(shí)間變化曲線

由圖4 可知，持續(xù)停機(jī)狀態(tài)后再次工作時(shí)平均摩阻力急劇增大，靜止時(shí)間超過兩天后平均摩阻力基本維持在平衡狀態(tài)，這是由于觸變泥漿的易凝特性導(dǎo)致停機(jī)后觸變泥漿固化抱緊管節(jié)，同時(shí)液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變后摩擦系數(shù)也相應(yīng)增大，即便在本試驗(yàn)密閉空間、觸變泥漿不失水的狀態(tài)下，停機(jī)一天管節(jié)摩阻力仍增大了62%。這表明頂管工程施工中，長時(shí)間停機(jī)后再次啟動(dòng)時(shí)頂推阻力的急劇增加會(huì)使頂推作業(yè)變得困難，故建議頂管因特殊情況長時(shí)間停機(jī)時(shí)也應(yīng)向盾體周邊經(jīng)常性的進(jìn)行補(bǔ)漿，或在停機(jī)狀態(tài)時(shí)時(shí)常進(jìn)行頂推蠕動(dòng)，防止觸變泥漿固化。

3 結(jié)語

1）該新型摩阻力試驗(yàn)裝置，創(chuàng)新性的將頂管的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行摩阻力檢測，模擬管節(jié)處于封閉的腔體內(nèi)，腔體兩端開口支撐管節(jié)，同時(shí)設(shè)計(jì)了可承受高壓、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)密封組件，實(shí)現(xiàn)封閉環(huán)境中較高壓力狀態(tài)下減摩泥漿減阻效果的持續(xù)檢測，具有較高的檢測精度。此外，動(dòng)力及摩阻力檢測采用數(shù)顯扭矩扳手即可，減摩泥漿加壓方式只需將調(diào)配好的減摩泥漿人工倒入到腔體內(nèi)，然后將高壓氣動(dòng)源（如空壓機(jī)）接入即可通過氣壓來間接調(diào)節(jié)減摩泥漿試驗(yàn)所需的壓力。此裝置操作簡單、便攜，易于工程項(xiàng)目現(xiàn)場檢測使用。

2）利用本裝置，探索了對觸變泥漿壓力大小、管節(jié)靜置時(shí)間與管節(jié)平均摩阻力大小之間相關(guān)關(guān)系，得出了不同觸變泥漿壓力下的摩阻力大小值，及觸變泥漿靜置時(shí)間對摩阻力的影響規(guī)律，對頂推力的配置、頂管施工組織的安排提供了參考依據(jù)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

本文設(shè)計(jì)了新型摩阻力檢測試驗(yàn)裝置，在平均摩阻力的影響因素研究方面取得了一定成果，利用該裝置進(jìn)行觸變泥漿類型、管節(jié)類型（不同管節(jié)材質(zhì)：混凝土管節(jié)、鋼管節(jié)，不同管壁粗糙度）變化對管節(jié)平均摩阻力影響規(guī)律的探索，將是下一步研究方向之一。