地下立体交通工程矩形工具管顶进双重置换工法研究

地下立体交通工程矩形工具管顶进双重置换工法研究

地下三维交通工程箱式地下通道法是在软土区域内，在浅层土壤覆盖条件下，在地下采矿准备井和接收井之间，首先，在干燥的小截面上重新制作形状工具的小截面（以下简称矩形工具管），然后使用小型矩形钻床一个接一个地插入地面。也就是说，通过顶管机切下地板和工具管，使地板适应，形成大规模的“口”形管道收支结构。然后，通过预制填充预测的大箱栽向，形成一条顶部和二次管道的管幕。最后，形成了大断面地下通道的施工方法。解决大断面、短距离地下通道的问题。由上不难看出,施工设备是箱涵顶进双重置换工法的关键,亦即本法研究开发的重点。1顶进施工模拟矩形工具管顶进是箱涵顶进双重置换工法的第一个步骤,其施工采用与大型矩形掘进机施工相类似的方法:即用小型土压平衡式矩形掘进机(以下简称矩形掘进机)切削、后顶液压千斤顶顶进。考虑到工具管顶进施工是箱涵整体顶进施工的前期施工步骤,一个箱涵可能有多个矩形工具管组成,矩形工具管顶进在竖向和横向都有多次重复施工的可能,为提高施工效率、缩短施工工期,本研究要求矩形工具管多次顶进施工时,矩形掘进机能够快速、精确定位。施工模拟如图1所示,考虑在前期已施工完成的工作井内,先设立若干根立柱,在立柱上再安装一个竖向可移动的支承平台作为矩形工具管顶进施工的操作平台,支承平台搁置在立柱的临时牛腿上。接着,在支承平台上放置一个可横向移位的发射架,将矩形掘进机、后顶液压千斤顶、千斤顶支架、前顶铁等设备均安放在发射架上,随发射架移动。顶进施工前,采用吊车或立柱上的神仙葫芦,将支承平台竖向移动,进行竖向初定位,到位后,支承平台与其搁置的临时牛腿连接;随即利用发射架先进行横向移位,到位后,再进行横向和竖向精定位,快速调整顶管机矩形掘进机的出洞姿态,完成出洞工作准备。顶进施工时,矩形掘进机头切削土体,其后顶液压千斤顶即通过前顶铁,顶进矩形掘进机及矩形工具管前移。液压千斤顶的后端则直接顶在后顶铁上,顶推反力通过后顶铁传递到工作井后靠的加固结构上。顶进施工完成后,利用发射架进行横向移位,准备下一个相邻矩形工具管顶进施工。2主要研究包括主入口安装设备的主要研究内容2.1土压平衡式矩形掘进机组成矩形工具管顶进施工设备由1460mm×1460mm土压平衡式矩形掘进机、后顶装置、发射架、支承平台、测量系统、同步注浆系统、注水系统、液压泵源、电气操作控制系统等部分组成。2.2出洞测量定位及测线功能矩形工具管顶进整套设备具有切削土体、后顶顶进、轴线测量定位、出洞顶进姿态控制、轴线纠偏、同步注浆减摩、防侧转、止退、相邻工具管导向等功能。2.31矩形掘进机长度、形态、结构设计如图2所示,本次研制的土压平衡式矩形掘进机截面尺寸4450mm×1460mm×1460mm(长×宽×高),分为前、中、后三段。矩形掘进机前段由刀盘、刀盘驱动装置、铰接油缸前部、螺旋机前段和前壳体等组成。刀盘驱动装置由二个刀盘驱动电机和一个行星减速器组成,刀盘驱动电机通过行星减速器驱动刀盘,实现刀盘平动+转动。刀盘扭矩为70kN·m,刀盘额定转速为3r/mm,刀盘驱动电机功率为11kW×2。刀盘驱动电机和行星减速器连成一体,通过螺栓固定在矩形掘进机壳体板上。出土用的螺旋机前段焊接在矩形掘进机壳体板下部,矩形掘进机壳体前端加装一圈可拆卸的周边刀。矩形掘进机中段由中壳体、4只纠偏铰接油缸、铰接密封、螺旋机中段及螺旋机驱动装置、导向连接装置等组成。矩形掘进机中段的前部插入前段内,在前段和中段之间安装铰接密封,并在上下左右共布置4只铰接油缸,主要起纠偏作用,油缸的推力为800kN/只,动力共3200kN。螺旋机驱动装置由驱动电机和减速器组成,驱动电机和减速器连成一体安装在螺旋机中段上,螺旋机出土管内径为300mm,出土功率22kW,转速0～12r/min。螺旋机中段外壳通过连杆固定在矩形掘进机中段壳体板上。导向连接装置由导向杆装置、液压驱动装置等组成,可连接相邻工具管,推进时起导向作用。矩形掘进机后段由后壳体、螺旋机后段、螺旋机闸门、排土泵、液压泵源、液压阀咀、电气控制箱等组成。矩形掘进机各段之间采用螺栓连接,矩形掘进机与后续矩形工具管之间亦采用螺栓连接。2.4液压千斤顶及前端结构设计后顶装置是用来顶推矩形掘进机或矩形工具管的动力装置,它包括后顶液压千斤顶及千斤顶支架、前顶铁、后顶铁以及若干环型垫铁组成。根据矩形工具管施工所需后顶顶推力的要求(每个1460mm×1460mm断面的矩形钢管在覆土不大于8m,最大顶进长度50m内,需要后顶推力大约为4000kN),配置额定顶推力为200t级液压千斤顶4只。总顶推力8000kN。每只液压千斤顶的有效行程设计为1500mm,最大行程为1700mm,液压千斤顶安装在千斤顶支架内,支架固定在发射架上。4只液压千斤顶布置在两侧上下,其作用力的合力点在顶管机中心下部大约1/3处。液压千斤顶前端结构设计为球头—球铰形式,球头安装在千斤顶连接座内,千斤顶连接座通过螺栓固定在前顶铁上,带动前顶铁在发射架上前后移动。液压千斤顶后端结构设计为平底,顶在后顶铁上,将顶推反力通过后顶铁传递给工作井后靠加固结构。由于矩形掘进机和矩形工具管长度分别为4450mm、3000mm,而液压千斤顶的有效行程为1500mm,无法一次顶进,需要在顶管机或方形钢管管幕与前顶铁增加若干环型垫铁。2.5发射架及边界层安装发射架是用来安放矩形掘进机、矩形工具管、前顶铁、顶推千斤顶及千斤顶支架等设备,具有竖向、横向精确调整、定位功能,起精确定位、顶进导向的作用。如图4、5发射架主要由2根主梁及若干联系次梁所组成一钢结构框架。发射架主梁断面为工字型型钢结构,主要承受顶管机、矩形工具管、前顶铁、顶推千斤顶及支架等重量作用,主梁与下部支承平台主梁螺栓连接。在发射架2根主梁上各安装1根支承钢轨(P38或P43)作为矩形掘进机(或矩形工具管)纵向发射轨道。为防止矩形掘进机(或矩形工具管)顶进过程时横向移位或整机侧转,在发射架主梁两侧前部各安装1个侧挡支架,为便于吊装矩形掘进机(或矩形工具管)就位,侧挡支架与发射架主梁连接采用螺栓连接,便于拆卸。在发射架主梁靠近两端底部处各焊接1只发射架横移支座,支座与下部支承平台上的横移轨道接触,发射架可在横移轨道上进行横向移动,进行整体横向移位及横向精确定位。在发射架主梁两端侧面再各焊接1只发射架顶升座,在顶升座下可安放临时的顶升千斤顶,用来精确调整发射架竖向位置,千斤顶调整完毕后,在发射架主梁与下部支承平台主梁连接处垫若干调整垫板,再用螺栓将发射架与支承平台主梁连接固定,并拆除临时顶升千斤顶。2.6承接平台是施工前、后的一个重要支承平台主要是用来安放发射架的,其作用是将矩形掘进机顶进施工时产生的力从发射架传递到立柱上;其可以竖向移动,起到竖向初定位的作用;支承平台还是个施工人员用的操作平台,支承平台上平面铺设钢网板,四周安装安全栏杆。支承平台主要由2根主梁、2根轨道梁以及若干联系次梁组成的钢结构框架。主梁断面为工字型型钢结构,主梁上翼缘与发射架主梁连接处开长孔与发射架主梁螺栓连接。主梁两端下翼缘开孔与立柱临时钢牛腿螺栓连接。轨道梁与联系次梁均为小断面型钢梁,轨道梁上翼缘铺设P38或P43钢轨作为横移轨道。2.7带挂神葫芦的立柱始发和接收井的基坑四周要竖立若干型钢做立柱。立柱设计为工字型结构,其上部焊短梁,上挂神仙葫芦,用来提升支承平台。当支承平台被提升到某一位置后,在立柱相应位置焊接临时搁置牛腿,牛腿支承平台螺栓连接。上立柱下部及四周与基坑结构牢固连接。2.8其他系统的研究包括测量系统、同步注浆系统、电气配电系统、操作控制系统等研究。3采用分布式开采机创新开发3.1矩形掘进机和矩形工具管尺寸大小的优化工具管顶进施工是预制箱涵顶进双重置换工法的第一步,是箱涵整体顶进施工的前期施工步骤,一个箱涵可能有多个矩形工具管组成,矩形掘进机和矩形工具管的尺寸大小的选择,要综合考虑尺寸模块化、施工效率和施工人员的操作空间,本次研制最后优化采用1460mm×1460mm截面尺寸,即综合了各方面的因素。3.2泥水平衡式挡墙施工一般矩形掘进机有泥水平衡和土压平衡二种形式,由于空间小,较小的矩形掘进机大都采用泥水平衡式,但很容易造成环境污染,若要增加泥水处理设备,又对施工场地要求高。而土压平衡式无需泥水处理设备,对施工场地大小亦无过多要求,综合权衡之后,本研究选择采用了土压平衡式。3.3个刀盘驱动电机分析和比较刀盘布置形式和运动方式,我们认为采用二个刀盘驱动电机通过一个行星减速器驱动一个大刀盘,以实现刀盘平动+转动。这种刀盘的布置和运动方式,土体切削率在95%以上,达到了全断面切削土体的效果。3.4小型排灰泵的选择本次研制的矩形掘进机采用螺旋机﹢微型排土泵方式排土,既满足了矩形掘进机施工出土的需要,又最大限度地减少了排土泵占用的空间。3.5铰接油缸纠偏为了使矩形掘进机施工纠偏更灵活,设计时将纠偏铰接装置前移,在顶管机中段即考虑上下左右布置4只铰接油缸以起到上下、左右纠偏的作用;铰接油缸行程50mm～100mm,最大纠偏角0.5°;为方便加工,将铰接密封设计成圆形密封形式。3.6推进的矩形工具管之间的安装将矩形掘进机壳体前端周边刀设计成可拆卸式,当相邻矩形工具管推进施工时,后推进的矩形工具管能够紧贴前推进的矩形工具管,减少了矩形工具管之间的间隙,以减小地面沉降量。3.7导向连接杆控制装置在矩形掘进机内还设计了液压导向连接装置。当相邻矩形工具管推进施工时,连接装置的导向连接杆在液压油缸的作用下伸出,与前已推进好的相邻矩形工具管内的连接槽相