吳源輝

（福建騰暉環(huán)境建設(shè)集團(tuán)有限公司）

非開挖市政道路施工鉆孔工藝過程中泥屑?xì)饬斔图夹g(shù)的研究

吳源輝

（福建騰暉環(huán)境建設(shè)集團(tuán)有限公司）

非開挖市政道路施工鉆孔技術(shù)是通過導(dǎo)向、定向鉆等新型技術(shù)進(jìn)行的管線施工，對(duì)地表的影響極小，同時(shí)對(duì)施工場地的要求也較小，能夠達(dá)到較高的準(zhǔn)確性和安全性，具有較好的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，目前已在多類工程項(xiàng)目中有所應(yīng)用。本文首先闡述了氣力輸送的概念，進(jìn)而對(duì)鉆孔泥屑?xì)饬斔图夹g(shù)進(jìn)行了分析，最后進(jìn)行了泥屑?xì)饬斔图夹g(shù)的數(shù)學(xué)模型分析。

非開挖；市政道路施工；鉆孔；泥屑?xì)饬斔?/p>

在市政道路的管道建設(shè)中，傳統(tǒng)的施工方法為“明挖法”，這種施工工藝明顯存在著較多的局限性，在錯(cuò)綜復(fù)雜的城市建筑結(jié)構(gòu)中，大大提高了其施工難度。采取這種方式進(jìn)行施工還易對(duì)原有建筑物帶來一定的安全隱患，對(duì)城市交通也造成了不利的影響[1]。目前，提出了一種非開挖市政道路管線施工的新型方法，這種方法可在不破壞原有建筑物和路面的基礎(chǔ)上進(jìn)行施工，不僅可以減少施工成本，還縮小了工程周期，是一種環(huán)保高效的施工方法。

1　氣力輸送的概述

運(yùn)用管道進(jìn)行物料的運(yùn)輸時(shí)，可將氣體作為承載介質(zhì)，利用氣壓完成物料的輸送，這種運(yùn)輸方式即氣力輸送。氣力輸送最初起源于1883年的俄國彼得堡，運(yùn)用其輸送原理設(shè)計(jì)出氣力吸糧機(jī)，對(duì)船艙的散裝糧食進(jìn)行輸送。自這項(xiàng)發(fā)明投產(chǎn)運(yùn)用后，德國、荷蘭等國家90%的糧食裝卸過程均運(yùn)用了氣力吸糧機(jī)[2]。根據(jù)氣固相流定律，氣力輸送裝置運(yùn)用于物料的運(yùn)輸時(shí)可達(dá)到較高的運(yùn)輸效率，同時(shí)不會(huì)受環(huán)境的影響，完全封閉的輸送環(huán)境也對(duì)物料的質(zhì)量有一定的保障。

2　鉆孔泥屑?xì)饬斔图夹g(shù)

在采用非開挖市政道路管線的鉆孔施工時(shí)，其施工技術(shù)受土質(zhì)條件的影響較大，一般選擇較為軟弱的地層或松散的泥屑進(jìn)行鉆孔，這樣才能達(dá)到氣力輸送泥屑的要求，保證其輸送的可靠性。

2.1非開挖施工鉆孔基本工作原理

非開挖市政道路的鉆孔施工設(shè)備主要由鉆孔設(shè)施和雙管氣力干法輸泥裝置構(gòu)成，如圖1所示。在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下鉆頭會(huì)以一定的速率旋轉(zhuǎn)，同時(shí)主推進(jìn)氣缸也會(huì)向前推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)土體的切削[3]。在爬行氣缸的后側(cè)對(duì)活塞桿進(jìn)行了固定，以免在進(jìn)行土體的切削時(shí)受到反作用力的影響而發(fā)生倒退的現(xiàn)象。鉆進(jìn)過程產(chǎn)生的泥屑會(huì)隨螺旋推料器的作用由接引料斗進(jìn)入壓送罐內(nèi)。一旦壓送罐的承載量達(dá)到極限時(shí)，就會(huì)觸發(fā)料位開關(guān)，停止主推進(jìn)氣缸的推進(jìn)動(dòng)作，關(guān)閉壓送罐的進(jìn)料蝶閥。同時(shí)啟動(dòng)主氣力噴吹管，促使壓送罐達(dá)到氣力輸送的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)會(huì)自動(dòng)開啟排料蝶閥，將泥屑經(jīng)輸泥管輸送到外部。運(yùn)用泥屑的一大優(yōu)勢就是利用松散的泥屑達(dá)到自然的泥屑塞和氣體塞，只有泥屑具備越薄且碎的條件，才能達(dá)到較好的效應(yīng)。

圖1　非開挖市政道路鉆孔泥屑?xì)饬斔图夹g(shù)施工方案圖

2.2鉆孔設(shè)備的設(shè)計(jì)方案

對(duì)泥土進(jìn)行鉆削與對(duì)金屬的鉆削有較大的差別，雖然泥土的硬度較小，但粘性明顯偏大，很難形成碎泥屑。鉆孔的過程會(huì)對(duì)土體施加一定的壓縮應(yīng)力，從而破壞其基本結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到氣力輸送的要求，鉆削下來的泥屑必須具有不一致的滑移速度，即在鉆削的過程中最好能產(chǎn)生錯(cuò)位滑移。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)若采用麻花鉆結(jié)構(gòu)，是無法達(dá)到理想中的碎泥屑標(biāo)準(zhǔn)的，可選取非對(duì)稱斷屑槽變螺距泥屑鉆頭[4]。鉆頭的螺旋面左側(cè)設(shè)置5個(gè)斷屑槽，右側(cè)設(shè)置7個(gè)斷屑槽，使其相互錯(cuò)開，這樣可以達(dá)到更好的斷屑效果，可減小泥屑的粘性作用，便于泥屑的排出。同時(shí)可設(shè)置為螺旋面的鉆尖，使其構(gòu)成一個(gè)三維立體結(jié)構(gòu)的螺旋面，在鉆削的過程中可產(chǎn)生不同的旋轉(zhuǎn)速度，有利于泥屑的粉碎處理。

2.3雙管氣力干法輸送排泥裝置的設(shè)計(jì)方案

雙管氣力干法輸送排泥裝置是鉆孔泥屑?xì)饬斔头桨傅年P(guān)鍵，其工作原理圖如圖2所示。

圖2　雙管氣力輸送原理圖

從圖2可知，當(dāng)泥屑由接引料斗進(jìn)入壓送罐中后，需要對(duì)泥屑的顆粒進(jìn)行一定的處理，以達(dá)到輸送要求。因此，在壓送罐的內(nèi)部需安裝粉碎裝置。當(dāng)泥屑裝滿時(shí)，進(jìn)料蝶閥F5和電磁閥F2會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，以停止泥屑向壓送罐的輸送和主推進(jìn)氣缸的繼續(xù)推進(jìn)。同時(shí)，電磁閥F3會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，將壓縮空氣導(dǎo)入壓送罐內(nèi)，當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，會(huì)啟動(dòng)排料蝶閥F6，在壓力的作用下促使泥屑由管道向地面排出。為了保障泥屑輸出的穩(wěn)定性，可增加噴吹管的裝置，在排料蝶閥F6啟動(dòng)的同時(shí)也會(huì)開啟電磁閥F4，向壓送罐施加輔助噴吹壓力，促使泥屑正常排出。

3　泥屑?xì)饬斔蛿?shù)學(xué)模型分析

3.1鉆頭數(shù)學(xué)模型

在非對(duì)稱斷屑槽變螺距泥屑鉆頭的鉆孔設(shè)備下進(jìn)行施工時(shí)，根據(jù)刃磨原理建立坐標(biāo)，外圓轉(zhuǎn)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圓周后角是砂輪沿鉆軸方向移動(dòng)增量與該點(diǎn)轉(zhuǎn)過的弧長之比反正切，可得[5]：

式中：V2-是變速運(yùn)動(dòng)（經(jīng)一定時(shí)間后可降至零）；w-為鉆頭繞自身軸線的等角旋轉(zhuǎn)速度。

（1）鉆芯后刀面數(shù)學(xué)模型

根據(jù)圓心微分方程，可得鉆芯后刀面的方程為：

（2）鉆尖后刀面的數(shù)學(xué)模型

后刀面的方程為：

（3）前刀面的數(shù)學(xué)模型

前刀面的方程為：

式中：R-表示鉆頭半徑；ρ0-表示原始結(jié)構(gòu)半頂角；β0-表示鉆溝螺旋角；Xc、Zc-表示鉆尖外緣轉(zhuǎn)點(diǎn)的坐標(biāo)值。

鉆頭的后端一般設(shè)置有鉆桿，鉆桿對(duì)鉆頭的向前推進(jìn)有一定的輔助作用，其鉆進(jìn)示意圖如圖3所示。

圖3　鉆頭鉆進(jìn)示意圖

土體的受力來源主要為被動(dòng)土壓力（P1）、導(dǎo)向面上的摩擦阻力（P2）以及導(dǎo)向面?zhèn)让娴那邢髯枇Γ≒3）[6]。

式中：γ-表示土壤的重度；μ-表示土體與鉆頭之間的摩擦力；S-表示導(dǎo)向面前面的三角形面積總和。

3.2氣力輸送數(shù)學(xué)模型

泥屑?xì)饬斔偷脑韺儆谒ㄈ綒夤虄上嗔骼碚?，在進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的研究時(shí)需要對(duì)泥栓的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及受力情況等有一定的了解。

3.2.1泥栓的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

在氣壓的作用下，泥屑微粒會(huì)發(fā)生相互作用，泥栓的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并不是剛性的，而是呈現(xiàn)出波動(dòng)狀的前進(jìn)狀態(tài)，且必然存在低于泥栓速度的泥屑速度。

3.2.2泥栓受氣情況

對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的泥栓進(jìn)行受力分析時(shí)，主要考慮氣體推力、管壁摩擦力以及泥屑重力帶來的阻力。泥栓的受氣情況如圖4所示。

圖4　泥栓受力分析圖

（1）氣體推力

作用于泥屑截面上的推力：dF1=dpA（1-ε）；式中：ε-表示物料顆粒之間的孔隙率。

氣流對(duì)孔隙壁摩擦傳遞的推力：

（2）管壁摩擦力

式中：K-表示管壁的側(cè)壓系數(shù)（K=p/pr）。

（3）泥屑的重力阻力

3.2.3泥栓的動(dòng)力學(xué)模型

泥屑在氣壓的作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，可將其看作粉體填充層，假設(shè)泥栓的前后壓差為Δp，厄貢綜合式可表示為[7]：

（1）垂直泥栓的作用力

按威爾遜提出的理論，可得水平泥栓對(duì)管壁的側(cè)壓力為：

ps=R（1-cosφ）ρBg

最終整理得：

3.3實(shí)驗(yàn)研究

將本文設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果證明了該方案的可行性。通過上述數(shù)學(xué)模型對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，壓送罐氣壓可達(dá)0.6MPa，固氣比可達(dá)到91.8，泥屑的輸送效率有所提高，輸送過程中未發(fā)生堵塞現(xiàn)象。同時(shí)，通過此次實(shí)驗(yàn)，也適當(dāng)調(diào)整并優(yōu)化了部分設(shè)計(jì)參數(shù)，將旁通管開口間距調(diào)整為200m，主要是為了避免輸送過程中引發(fā)較大的壓力損失。

4　結(jié)束語

綜上所述，氣力輸送技術(shù)是一項(xiàng)普遍運(yùn)用于管線輸送的技術(shù)，可用于非開挖市政道路管線施工項(xiàng)目中。泥屑?xì)饬斔脱b置主要包括鉆孔設(shè)備和氣力輸送設(shè)備，通過對(duì)這兩個(gè)主要組成構(gòu)件的工作原理分析，本文提出了非對(duì)稱斷屑槽變螺距泥屑鉆頭的鉆孔裝置和雙管氣力干法輸送排泥裝置的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)根據(jù)鉆頭部分的泥屑受力情況以及管道內(nèi)泥栓的受力情況分別進(jìn)行了數(shù)據(jù)模型的分析，最后將本次設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，確定了本次方案的可行性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化，使其更加符合實(shí)際情況。

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[2]劉海蘭，李小平，芮延年，等.基于粉體力學(xué)理論的非開挖鉆孔干法氣力輸送泥屑的研究[J].現(xiàn)代制造工程，2012，11（10）：132～135.

[3]李小平，劉海蘭，芮延年，等.非開挖鉆孔新型碎泥屑鉆頭力學(xué)模型研究[J].現(xiàn)代制造工程，2013，26（10）：70～72，107.

[4]李小平，劉海蘭，賴華清，等.非開挖市政道路施工鉆孔組合型多級(jí)破巖鉆頭設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2013，29（5）：63～66.

[5]陳昊萍.試析新型小型非開挖市政道路施工鉆孔機(jī)器人方案設(shè)計(jì)[J].四川水泥，2014，18（12）：373，375.

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2015-3-23