復(fù)合地層矩形頂管機關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用
——結(jié)合重慶天宮殿下穿快速路項目

范 磊, 薛廣記, 舍躍斌, 諶文濤, 馮 猛

(中鐵工程裝備集團有限公司, 河南 鄭州 450016)

0 引言

矩形頂管機發(fā)展迅猛,在城市地下通道建設(shè)中,正扮演越來越重要的角色[1]。但目前矩形頂管機的適用地層相對單一,主要適用于淤泥、黏土、粉土、砂土等軟土地層[2-3],其對于復(fù)合地層的適用性,僅在砂卵石地層中得到了應(yīng)用驗證[4-5],究其原因,常規(guī)矩形頂管機采用的圓形刀盤組合開挖存在盲區(qū)[6-8],尤其在基巖凸起的上軟下硬復(fù)合地層中,無法實現(xiàn)全斷面開挖。鄭永光等[9]對異形掘進機擺動刀盤、仿形刀盤等結(jié)構(gòu)形式及驅(qū)動進行分析,研究結(jié)果表明,上述刀盤能夠?qū)崿F(xiàn)全斷面開挖,但只適用于軟土地層,無法適應(yīng)強度較高的硬巖地層開挖。

針對復(fù)合地層矩形斷面頂管施工,馬鵬等[10]對先導(dǎo)式開挖矩形頂管裝備進行研發(fā),通過切割面分區(qū)、分段和錯位開挖解決復(fù)合地層矩形頂管難題,但未能實現(xiàn)復(fù)合地層矩形斷面一次成型開挖。對于復(fù)合地層矩形全斷面頂管施工,劉佼等[11]結(jié)合莆田下穿火車站項目,提出復(fù)合地層盲區(qū)預(yù)處理施工工藝以及集成了滾筒和銑挖頭2種盲區(qū)處理裝置的開挖系統(tǒng),并對擺動銑挖頭盲區(qū)開挖裝置進行結(jié)構(gòu)仿真分析,但該裝置對渣土改良要求較高,不適用于土艙下部積渣工況開挖。

依據(jù)上述研究,目前復(fù)合地層矩形頂管施工主要考慮預(yù)處理及分區(qū)開挖等施工工藝,對全斷面機械化開挖還處于探索階段。本文結(jié)合當前復(fù)合地層矩形頂管全斷面開挖與施工難題,針對砂卵石復(fù)合地層、軟土與巖層復(fù)合地層、軟硬巖復(fù)合地層工程特點,分析了矩形頂管機的適應(yīng)性;同時,結(jié)合工程案例,重點介紹軟土與巖層(抗壓強度<50 MPa)復(fù)合地層矩形頂管機開挖及掘進關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用情況。

1 復(fù)合地層矩形頂管機適應(yīng)性分析

復(fù)合地層指由2種或2種以上地質(zhì)所組成的地層,其組合方式復(fù)雜多樣。在隧道施工中,涉及較多的復(fù)合地層包括砂卵石復(fù)合層、軟土與巖層復(fù)合層以及軟硬巖復(fù)合層等。目前,矩形隧道的機械法開挖中,矩形頂管機在上述各地層的設(shè)備適應(yīng)性特征如下。

1.1 砂卵石復(fù)合地層

砂卵石復(fù)合地層細砂含量較高,結(jié)構(gòu)松散,穩(wěn)定性差,且孔隙率大、透水性強,開挖面容易涌水、涌砂,如果掌子面水、砂大量流失會造成開挖面失穩(wěn)、地面沉降甚至坍塌[12]。該地層在矩形頂管施工中,開挖系統(tǒng)除需解決卵石切削外,還需對掌子面提供穩(wěn)定支撐。針對上述工況,矩形頂管機開挖選用多個小刀盤同平面布置形式,這樣可以減少對掌子面的擾動。相比于前后平行軸式多刀盤布置形式,該布置方式能夠很好地支撐掌子面,同時結(jié)合帶式螺旋輸送機形成以排為主、以破為輔的開挖方式。另外,盲區(qū)位置采用盾體切刀及高壓水/空氣沖刷進行切削,開挖系統(tǒng)如圖1所示。該類型頂管機一般只能適用于卵石地層,且開挖盲區(qū)較大,無法適應(yīng)巖層開挖,應(yīng)用具有一定局限性。

圖1 矩形同平面多刀盤開挖系統(tǒng)

1.2 軟土與巖層復(fù)合地層

軟土與巖層復(fù)合地層一般指隧道施工中常見的上軟下硬地層,即地層下部基巖凸起(如強風(fēng)化、中風(fēng)化巖石),上部通常為軟土或伴有砂層,失穩(wěn)風(fēng)險大。針對該類地層,常規(guī)盾構(gòu)圓刀盤可達到理想的切削效果,而多刀盤矩形頂管機存在開挖盲區(qū),常規(guī)盲區(qū)處理裝置(如盾體切刀、風(fēng)鉆)無法處理下部基巖,最終導(dǎo)致無法頂進。因此,針對軟土與巖層類復(fù)合地層需重點解決盲區(qū)處理問題,實現(xiàn)全斷面開挖。

對此,軟土與巖層復(fù)合地層矩形頂管機開挖系統(tǒng)可選用多刀盤和盲區(qū)開挖裝置組合的方式,保證開挖設(shè)備的切削范圍全斷面覆蓋。目前,盲區(qū)輔助開挖系統(tǒng)主要有銑挖頭、破巖滾筒2種,可用于強度<50 MPa的巖石切削,也可根據(jù)不同地層的要求,設(shè)計選用其他輔助開挖裝置如鉆頭、破碎錘等。全斷面組合開挖矩形頂管機開挖系統(tǒng)如圖2所示。

1—刀盤; 2—盲區(qū)開挖裝置。

目前,對于軟土與巖層復(fù)合地層矩形頂管機的研究尚處于空白階段,究其原因,復(fù)合地層開挖及出渣技術(shù)成為制約其發(fā)展的重要因素。第2節(jié)將以工業(yè)試驗項目為基礎(chǔ),對該類型矩形頂管機開挖及出渣等關(guān)鍵系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用進行論述。

1.3 軟巖硬巖復(fù)合地層

對于軟巖硬巖復(fù)合地層,其巖石強度高(部分≥50 MPa),地層穩(wěn)定且含水量少,開挖掌子面有一定的自穩(wěn)性,該地層施工可選用敞開式矩形頂管機[13],其整機結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—擋板; 2—插刀; 3—擋板油缸; 4—插刀油缸; 5—前盾; 6—中盾; 7—鉸接系統(tǒng); 8—尾盾; 9—開挖裝置; 10—管片。

敞開式矩形頂管機主要由開挖裝置、盾體系統(tǒng)、鉸接系統(tǒng)、頂推系統(tǒng)、操作臺、電力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及導(dǎo)向系統(tǒng)等組成。其開挖裝置為獨立設(shè)備,可根據(jù)具體地質(zhì)情況選用適當?shù)耐诰蛟O(shè)備,如根據(jù)巖石強度的不同,可選用懸臂掘進機、劈裂一體機以及鏈鋸等。支護系統(tǒng)主要包括前盾前端拱頂?shù)亩嘟M插刀擋板,每個插刀擋板組件包括插刀、擋板、插刀油缸、擋板油缸以及銷軸等,如圖4所示。在插刀油缸的推動下插刀向前方伸出頂至掌子面形成“帽檐”,用于清邊并支撐上方土體,以防止隧道拱頂軟巖層土體坍落。擋板上端通過銷軸鉸接在插刀前端,擋板中部通過油缸與插刀尾部鉸接。插刀向前伸出時,擋板跟隨插刀一起移動,移動到位后,擋板油缸驅(qū)動擋板繞插刀前端轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動到與掌子面貼合并對開挖面上方土體形成有力支撐。

圖4 敞開式矩形頂管機插刀擋板的結(jié)構(gòu)形式

2 軟土與巖層復(fù)合地層矩形頂管機設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 依托工程概況

以重慶天宮殿下穿快速路隧道項目為依托對復(fù)合地層矩形頂管機關(guān)鍵技術(shù)進行研究。該項目開挖斷面尺寸為10.42 m ×7.57 m(寬×高),管節(jié)斷面尺寸見圖5,隧道長度為170 m,覆土為4 m。

圖5 管節(jié)斷面尺寸(單位: cm)

施工地層主要為回填土、中等風(fēng)化泥巖、中等風(fēng)化砂巖地層,見圖6。其中,隧道接收洞口處地層為回填土,長度約為30 m,由黏性土、砂泥巖碎塊石等組成,硬質(zhì)物粒徑為10～500 mm,質(zhì)量分數(shù)為10%～30%。隧道主體穿越地層以第四系松散土層中等風(fēng)化泥巖和中等風(fēng)化砂巖為主,巖層較為完整,巖體屬層狀結(jié)構(gòu),飽和抗壓強度標準值分別為6.16、23 MPa,局部巖石強度可能達到40 MPa左右,設(shè)備面臨刀盤破巖、土艙改良及排渣困難等難題。

圖6 地質(zhì)情況

2.2 復(fù)合地層分層開挖技術(shù)

2.2.1 開挖方式及整體布置

針對本項目地層,為了保證對巖層的切削性,刀盤采用復(fù)合式設(shè)計,同時,參考軟土矩形多刀盤布置方式。刀盤采用前后布置的形式,以增大開挖面積切削率;針對巖石復(fù)合地層,為解決前后刀盤之間的開挖盲區(qū),增加盲區(qū)切削裝置;由于本項目覆土較淺,銑挖頭容易造成土體擾動沉降,因此選用破巖滾筒裝置。綜上,本項目開挖系統(tǒng)采用復(fù)合刀盤+滾筒切削分層的布置方式,見圖7。

圖7 矩形頂管機開挖系統(tǒng)布置方式

該布置方式首層開挖采用3個復(fù)合刀盤,刀具配置包含滾刀、撕裂刀和刮刀,開口率為40%,滿足復(fù)合地層的切削;第2層3個復(fù)合刀盤與首層采用相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計,且部分開挖區(qū)域重合,形成3前3后布置,擬合矩形斷面的開挖;前后刀盤采用小間隙設(shè)計,防止刀盤卡住石塊,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷;第3層開挖裝置布置在多刀盤后部盲區(qū)位置,采用6個滾筒進行切削。由于地層上軟下硬,上部和左右兩側(cè)大部分為回填土或極軟巖,同時渣土不易堆積,因此刀具采用截齒;下部滾筒切削地層硬度高,且渣土易堆積,因此采用滾刀形式(見圖8)。

圖8 分層開挖示意圖

通過以上開挖布置形式,最終形成前后復(fù)合刀盤+滾筒的分層開挖方式,實現(xiàn)開挖斷面全覆蓋,并能夠滿足強度<50 MPa巖層的切削。

2.2.2 盲區(qū)破巖滾筒設(shè)計

2.2.2.1 滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于下部土艙壓力高,渣土易堆積,對滾筒轉(zhuǎn)矩及破巖能力要求高,因此先對下部滾筒進行針對性分析。根據(jù)劉送永[14]對采煤機懸臂截割滾筒裝置及其應(yīng)用情況的分析,配備截齒的滾筒無法適應(yīng)密閉土艙施工工況。因此,結(jié)合隧道掘進專用設(shè)備常用截割滾筒和TBM滾刀破巖技術(shù),下部盲區(qū)破巖滾筒將TBM盤型滾刀按特定布置方式安裝在滾筒外壁,見圖9。通過頂管機的頂推力和滾筒轉(zhuǎn)動帶動滾刀切削掌子面(見圖10),其切削面為矩形,其作為輔助開挖裝置布置在刀盤后方盲區(qū)位置,用于破除該位置的巖體。同時,為增強排渣能力,在滾刀分布螺旋線平行配置刮渣板。

圖9 破巖滾筒

圖10 滾筒破巖機制

滾刀螺旋線布置方式能夠?qū)崿F(xiàn)滾刀順次破巖,即前一把滾刀為相鄰后一把滾刀留出破巖凌空面,使碎巖及時排出,避免碎石剝離后二次破碎。同時,螺旋狀布置方式可以使?jié)L刀和刮渣板相互配合,即滾刀破碎巖層的同時其相鄰刮渣板跟進排渣,避免剝離的渣石因不能及時排渣被滾刀反復(fù)破碎。滾筒總體質(zhì)量周向均勻分布,設(shè)計時保證質(zhì)心位于滾筒軸線附近,以減少旋轉(zhuǎn)時的偏載力;滾刀在滾筒軸線方向?qū)ΨQ分布(見圖11),滾筒某一角度瞬時受力可以由兩側(cè)軸承共同均攤,避免一側(cè)軸承支反力過大,保證軸承使用壽命。

(a) 布刀軸向視圖

滾筒主要由滾筒安裝座、筒體、液壓馬達、減速機、回轉(zhuǎn)支承、滾刀、刮渣板等組成。受空間影響,驅(qū)動采用功率大、體積小的液壓驅(qū)動方式集成在滾筒內(nèi)部兩側(cè),驅(qū)動力經(jīng)過減速機傳遞給滾筒,其結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2.2 滾筒受力分析

頂管機掘進時,刀盤對掌子面進行先行開挖,滾筒在刀盤后部對盲區(qū)位置巖柱進行破除。根據(jù)實際工況,滾筒主要受到土艙壓力、破巖阻力、旋轉(zhuǎn)力矩的共同作用,其受力情況如圖13所示。

圖13 滾筒受力示意

滾筒旋轉(zhuǎn)阻力矩T主要包括筒體上參與切削的滾刀切向力產(chǎn)生的阻力矩之和、滾筒與土體摩擦力矩以及刮渣板推動土體產(chǎn)生的阻力矩。此外,滾筒旋轉(zhuǎn)阻力矩還包括密封摩擦阻力矩等,但其數(shù)值遠小于滾刀受力產(chǎn)生的阻力矩,在此不予考慮。旋轉(zhuǎn)阻力矩由驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩平衡。

(1)

式中:T1為滾刀切向力產(chǎn)生的阻力矩,N·mm;T2為滾筒與土體摩擦力產(chǎn)生的阻力矩,N·mm;T3為刮渣板受力產(chǎn)生的阻力矩,N·mm;FRi為第i把滾刀的滾動力[15],N;F摩為滾筒旋轉(zhuǎn)與土體產(chǎn)生的摩擦力,N;F1為刮渣板受到的切向力,N;h1為滾刀及其安裝座的總體高度,mm;p為土艙壓力,MPa;R為滾動筒壁半徑,mm;μ為滾筒與土(巖)體的摩擦因數(shù),取0.55。A1為滾動筒壁外壁圓柱面面積,mm2;A2為撥渣板在滾筒旋轉(zhuǎn)軸線垂直面上的投影面積,mm2;h2為撥渣板的高度,mm。

滾筒推進阻力F推由筒體上參與切削的n把滾刀受力Fi在掘進方向上的分力組成,由頂推力和驅(qū)動轉(zhuǎn)矩提供。

(2)

式中:θi為第i把滾刀在滾筒上的分布角度(見圖11),(°);φ為滾刀接觸角度,(°)。

刮渣板在滾筒表面呈螺旋線布置,在旋轉(zhuǎn)過程中刮渣板有撥渣的作用,將堆積在側(cè)面的土體帶向兩側(cè),其會受到土體沿軸向方向的側(cè)向反力作用。迎向同一側(cè)的刮渣板受力為:

F2=ph2lμ/2。

(3)

式中l(wèi)為刮渣板投影在滾筒軸線上的長度,mm。

2.2.2.3 仿真與分析

為了確保滾筒在帶壓環(huán)境下的工作能力和安全穩(wěn)定性,使用ANSYS Workbench對滾筒的強度和剛度進行有限元仿真分析并優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)滾筒的主要受力情況,依據(jù)上述計算結(jié)果進行加載:在筒體上加載0.3 MPa的壓力,模擬滾筒在土艙內(nèi)受到的土壓;考慮到滾筒正面切削,對迎向掌子面?zhèn)鹊臐L刀加載滾刀載荷計算結(jié)果Fi;此外,在刮渣板面加載刮渣產(chǎn)生的側(cè)向力F2以及轉(zhuǎn)矩T3;同時在滾筒加載摩擦產(chǎn)生的阻力矩T2。依據(jù)工況對滾筒兩端位移約束處理。加載及約束情況如圖14所示。

圖14 加載與約束情況

通過有限元計算得出滾筒應(yīng)力及變形云圖,見圖15—16。從仿真結(jié)果可以看出,滾筒整體應(yīng)力小于50 MPa,在強度方向滿足要求。其中,最大應(yīng)力(152.31 MPa)在滾筒與安裝座焊接部分,即滾刀安裝座根部易產(chǎn)生應(yīng)力集中,在生產(chǎn)過程中可通過把控滾刀安裝座的焊接工藝,確保結(jié)構(gòu)的可靠性。滾筒最大變形量為0.31 mm,最大變形位于切削面偏底部位置,這與該處滾刀的受力角度以及滾刀布置較為密集有關(guān),整體變形處于合理區(qū)間,滿足剛度要求。

圖15 滾筒應(yīng)力云圖(單位: MPa)

圖16 滾筒變形云圖(單位: mm)

2.3 盲區(qū)開挖裝置渣土流動分析及聯(lián)合出渣技術(shù)

2.3.1 渣土改良技術(shù)

刀盤切削后的渣土必須要具有良好的塑性、流動性、止水性,合適的軟稠度,小內(nèi)摩擦角及小滲透率,復(fù)合地層渣土不能完全滿足上述特性,需要進行針對性改良。改良的方法通常為添加水、膨潤土、黏土、聚合物和泡沫等添加劑[16],改良方式需要根據(jù)地層特性進行選擇。渣土改良的效果直接影響土艙壓力平衡控制、螺旋輸送機的出渣效率、切削轉(zhuǎn)矩、沉降控制等重要掘進參數(shù)。

軟土與巖層復(fù)合地層的渣土改良需要根據(jù)具體的地質(zhì)情況,選擇對應(yīng)的渣土改良方案,含土量較大的上軟下硬地層,可以只加入泡沫劑和水;如果地層軟土量少,土艙內(nèi)的渣土攪拌后沒有足夠的黏著性,處于離析狀態(tài),這種狀態(tài)的渣土不易形成土塞,但易出現(xiàn)噴涌,造成掌子面局部坍塌。對此改良劑可采用以膨潤土為主,黏土、泡沫劑為輔的改良方式,主要提高巖塊的包裹性,提升復(fù)合地層渣土攜帶石塊的能力。

2.3.2 滾筒渣土流動仿真分析與優(yōu)化

2.3.2.1 CFD模型的建立

土艙渣土經(jīng)過充分改良后,呈“塑性流變狀態(tài)”,即黏塑性流體[17],當屈服應(yīng)力大于或等于剪切應(yīng)力時,黏塑性表現(xiàn)出固體特性,當小于剪切應(yīng)力時,表現(xiàn)出流體特性[18]。H-B模型常被用來描述含顆粒物懸浮液、泥漿等材料,其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可表述為:

(4)

為了驗證滾筒排渣特性,本項目取改良后的土體模型參數(shù)如下: 密度為1 220 kg/m3,屈服黏度為680 Pa·s,靜切應(yīng)力為12 kPa,黏度指數(shù)為1,冪律指數(shù)為1.095[19],建立滾筒CFD模型(見圖17)。將滾刀與刮渣板進行合并簡化,取螺旋寬度為120 mm、螺距為800 mm,并將滾筒放置于下部土艙,土艙周邊充滿改良后的渣土。

(a)

土艙渣土流場分布在滾筒周向范圍內(nèi),對該區(qū)域進行網(wǎng)格劃分,采用六面體加四面體網(wǎng)格,在保證網(wǎng)格質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高計算效率。

流域邊界條件設(shè)計主要包括渣土參數(shù)及滾筒運轉(zhuǎn)參數(shù)。該標段設(shè)備覆土為4～5 m,取下部土壓為0.1 MPa,滾筒轉(zhuǎn)速為0～15 r/min,流域周向邊界采用symmetry,以滿足滾筒周向進渣,兩側(cè)采用outflow邊界。

2.3.2.2 結(jié)果分析

對2種不同轉(zhuǎn)速(8、3 r/min)的滾筒進行模擬,渣土流動速度云圖如圖18所示。當轉(zhuǎn)速為8 r/min時,渣土平均流速為0.6 m/s;當轉(zhuǎn)速為3 r/min時,渣土平均流速為0.3 m/s;隨著轉(zhuǎn)速增加,滾筒往兩側(cè)排渣速率越快。

(a) 轉(zhuǎn)速8 r/min

2.3.2.3 滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

為滿足滾筒破巖的同時,增加滾筒排渣能力,在滾筒半徑及轉(zhuǎn)速確定的前提下,選取滾筒螺距作為研究對象,通過對不同螺距的排渣能力進行仿真分析,確定最優(yōu)值。

選取7組螺距作為研究對象,依據(jù)上述方法,在設(shè)定滾筒轉(zhuǎn)速為8 r/min的情況下,對不同螺距的渣土平均流動速度進行分析,結(jié)果如圖19所示。

圖19 不同螺距下渣土平均流動速度

根據(jù)分組計算結(jié)果可知,當螺距逐漸增大時,排渣流速也逐漸增大,但當螺距超過一定值時,由于螺旋角變大,反而不利于渣土輸送,因此當螺距達到900 mm時,滾筒排渣效率最高。

2.3.3 聯(lián)合出渣技術(shù)

螺旋輸送機數(shù)量和位置關(guān)系到土艙內(nèi)壓力的穩(wěn)定性、地層沉降控制、掘進姿態(tài)控制、出渣效率等[20]。螺旋輸送機的數(shù)量主要與斷面的尺寸相關(guān),當選用多螺旋輸送機出渣時,為了保證掘進水平姿態(tài),螺旋輸送機要對稱布置。本項目斷面寬度為10 m級以上,一般采用多螺旋輸送機出渣。在軟土地層,螺旋輸送機一般布置在刀盤底部盲區(qū)位置,一方面防止渣土堆積,提高出渣效率;另一方面,盲區(qū)位置避開了刀盤和刀盤主驅(qū)動,為螺旋輸送機的安裝與檢修提供了較為充裕的空間。

在上軟下硬復(fù)合地層中,螺旋輸送機在盲區(qū)位置無法破除巖層,因此需對下部滾筒與螺旋輸送機安裝布置進行針對性設(shè)計。本項目中,將螺旋輸送機布置在刀盤后側(cè)(見圖20),滾筒分布在下部盲區(qū)位置,即采用3螺機+雙滾筒依次布置形式。根據(jù)滾筒流場分析,滾筒周邊渣土沿軸向向兩側(cè)流動,并由螺旋輸送機排出。采用該布置形式能夠避免渣土在盲區(qū)位置堆積,保證下部渣土的流動性,見圖21。

圖20 螺旋輸送機布置

圖21 下部渣流方向

3 復(fù)合地層矩形頂管機施工應(yīng)用技術(shù)

重慶天宮殿下穿快速路矩形頂管機于2022年7月完成工廠組裝調(diào)試(見圖22),2022年12月始發(fā)(見圖23)。工程實踐證明,該開挖方式能夠滿足在中等風(fēng)化砂巖、中等風(fēng)化泥巖地層中的掘進,平均日掘進3 m。

圖22 重慶天宮殿下穿快速路復(fù)合矩形頂管機

圖23 項目始發(fā)

項目掘進過程中,底部滾筒位置土艙壓力實測值為0.12～0.14 MPa,設(shè)備運轉(zhuǎn)及出渣狀態(tài)良好,滾筒能夠滿足30 MPa巖層的高效切削;掘進35 m時開艙檢修,并對滾筒狀態(tài)進行檢查,現(xiàn)場滾筒應(yīng)用情況見圖24。設(shè)備筒體無明顯變形,未出現(xiàn)積渣現(xiàn)象,滿足帶壓工況下的強度、剛度及排渣要求。

圖24 現(xiàn)場滾筒應(yīng)用情況

另外,對滾筒轉(zhuǎn)矩進行統(tǒng)計分析,結(jié)果如圖25所示,將第5—24環(huán)滾筒轉(zhuǎn)矩值與設(shè)計計算值25.7 kN·m進行對比分析,根據(jù)監(jiān)測值可以看出,滾筒實際工作轉(zhuǎn)矩在5～20 kN·m波動。由于掘進地質(zhì)情況復(fù)雜且不單一,在掘進過程中滾筒受力較為復(fù)雜,且滾刀破巖具有瞬時性,造成數(shù)值波動較大,但總體小于理論轉(zhuǎn)矩,滿足設(shè)計要求。

圖25 左、右側(cè)滾筒轉(zhuǎn)矩監(jiān)測統(tǒng)計

4 結(jié)論與建議

結(jié)合復(fù)合地層矩形斷面隧道的工程需求,對復(fù)合地層矩形頂管機進行適應(yīng)性分析,并以重慶天宮殿下穿快速路隧道項目為依托,對軟土與巖層復(fù)合地層頂管機設(shè)計及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)進行了探討,得出如下結(jié)論:

1)軟土與巖層復(fù)合地層矩形頂管機,選用復(fù)合多刀盤+滾筒分層開挖形式能夠滿足強度<50 MPa巖層的掘進。

2)基于渣土流動仿真分析,驗證了滾筒在盲區(qū)位置的排渣特性,同時當滾筒刮渣板及滾刀布置螺旋線螺距在900 mm時,出渣效率最高。

3)根據(jù)復(fù)合地層土艙下部開挖及排渣特性,采用3螺旋輸送機與雙滾筒相鄰布置方式能夠滿足土艙下部出渣需要。

4)通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗分析,驗證了分層開挖方式與滾筒盲區(qū)開挖裝置的可行性,整機的掘進效率及排渣效率滿足設(shè)計要求。

本文依托工程試驗對復(fù)合地層矩形頂管機分層式開挖及聯(lián)合出渣系統(tǒng)進行研究,并對滾筒結(jié)構(gòu)及排渣特性進行了分析與優(yōu)化,但對于復(fù)合地層其他類型盲區(qū)開挖裝置本文的研究還存在一定局限性,后續(xù)需要根據(jù)具體工況進一步探究。