汪衛(wèi)軍，楊緯華，劉 猛，劉 維，*

(1.蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州 215000；2.北京住總集團(tuán)有限公司，北京 100000)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的進(jìn)一步推進(jìn)，軌道交通以其安全、快速、高效的優(yōu)勢(shì)成為城市交通發(fā)展中的一大熱點(diǎn)。城市地鐵隧道開(kāi)挖通常選用盾構(gòu)法，該方法中的盾構(gòu)是城市地鐵隧道建設(shè)中效率最高的施工裝備。目前，城市地鐵盾構(gòu)隧道施工有3大趨勢(shì)：1)盾構(gòu)遭遇建(構(gòu))筑物樁基礎(chǔ)的情況越來(lái)越多；2)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)有擴(kuò)徑的趨勢(shì)，如北京、上海、深圳、蘇州以及杭州，新建線路斷面設(shè)計(jì)由原有的6 200 mm 擴(kuò)大至6 600 mm；3)盾構(gòu)再制造。2010年5月，國(guó)家11個(gè)部委聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見(jiàn)》，將再制造產(chǎn)業(yè)列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。

盾構(gòu)推進(jìn)遇到地下樁基通常采取側(cè)穿、下穿或者采用傳統(tǒng)方式[1-2]對(duì)樁事先處理。付靜[3]依托盾構(gòu)穿越祁連橋樁基工程，對(duì)盾構(gòu)積極保護(hù)法進(jìn)行了探討和研究，認(rèn)為該方法在盾構(gòu)側(cè)穿時(shí)對(duì)樁基影響較??；岳鵬飛等[4]建立樁基土體隧道共同作用的三維有限元模型，通過(guò)分析計(jì)算得出在建筑荷載作用下地層沉降規(guī)律以及樁基的受力特性，由此判斷建筑物受盾構(gòu)下穿施工的影響程度；徐前衛(wèi)等[5]通過(guò)理論分析和數(shù)值計(jì)算等手段，對(duì)樁基托換施工過(guò)程中樁基合理開(kāi)挖暴露長(zhǎng)度、樁-筏體系受力轉(zhuǎn)換機(jī)制以及盾構(gòu)切樁對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明基礎(chǔ)托換法能夠有效減小施工期間橋梁的沉降及改善橋梁結(jié)構(gòu)的受力性態(tài)。

近年來(lái)，隨著盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，海內(nèi)外逐步出現(xiàn)了在盾構(gòu)設(shè)備改造加強(qiáng)的基礎(chǔ)上切削穿越樁基的工程案例[6-7]，使盾構(gòu)改造切削地下障礙物成為一種新的解決思路。如：唐仁等[8]通過(guò)理論計(jì)算、有限元分析、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等，研究了盾構(gòu)直接切樁通過(guò)后剩余基樁的沉降及承載力計(jì)算問(wèn)題，得到隧道直接切樁通過(guò)后剩余樁的沉降數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，基樁沉降差很小，滿足規(guī)范要求的結(jié)論；王飛等[9-10]采用理論加現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了盾構(gòu)穿越橋樁可行，工程施工也佐證了這一結(jié)果。

盾構(gòu)再制造，是通過(guò)對(duì)盾構(gòu)的部分性能進(jìn)行加強(qiáng)或者重新制造，使其滿足具體施工要求的一種技術(shù)升級(jí)手段。目前，針對(duì)盾構(gòu)切樁技術(shù)中盾構(gòu)再制造大多是對(duì)盾構(gòu)刀具進(jìn)行增強(qiáng)，或者是對(duì)某一部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)以滿足切樁需求，而對(duì)擴(kuò)徑再制造盾構(gòu)切樁的適應(yīng)性研究較少。本文以北京地鐵12號(hào)線盾構(gòu)穿越西壩河橋樁為背景，針對(duì)盾構(gòu)隧道擴(kuò)徑設(shè)計(jì)以及切樁工況對(duì)盾構(gòu)的直徑、刀盤(pán)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)以及排渣系統(tǒng)進(jìn)行再制造研究，并在此基礎(chǔ)上分析再制造盾構(gòu)設(shè)備的切樁適應(yīng)性。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

西壩河橋位于北京地鐵12號(hào)線西壩河橋站—百盛盾構(gòu)區(qū)間，全長(zhǎng)643.5 m，區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)直徑為6 600 mm，軸線平均埋深為22 m。隧道開(kāi)挖至西壩河處，將遭遇西壩河橋樁等障礙物。盾構(gòu)穿越障礙物區(qū)域長(zhǎng)60.4 m，主要障礙物為16根西壩河橋樁(左線12根，右線4根)，直徑主要為800 mm和1 200 mm，樁基最大主筋直徑為22 mm。

為積極響應(yīng)國(guó)家再制造政策，提升盾構(gòu)行業(yè)綜合利用水平，施工計(jì)劃左線始發(fā)采用1臺(tái)新購(gòu)6 600 mm土壓平衡盾構(gòu)，后發(fā)右線采用1臺(tái)由直徑6 150 mm擴(kuò)徑改造為6 600 mm的土壓平衡盾構(gòu)。隧道與樁基位置剖面如圖1所示。隧道與樁基位置平面如圖2所示。

圖1 隧道與樁基位置剖面圖(單位：m)

圖2 隧道與樁基位置平面圖

右線盾構(gòu)隧道主要穿越地層為⑦卵石—圓礫層、⑦1中粗砂層、⑦2粉細(xì)砂層、⑦3粉質(zhì)黏土層、⑦4粉土層及⑦5黏土層。各地層主要參數(shù)如表1所示。

表1 盾構(gòu)主要穿越地層參數(shù)

1.2 盾構(gòu)現(xiàn)狀

施工計(jì)劃右線后發(fā)采用1臺(tái)直徑為6 150 mm的土壓平衡盾構(gòu)，設(shè)計(jì)最大開(kāi)挖直徑可達(dá)6 380 mm。原有盾構(gòu)參數(shù)如表2所示。盾構(gòu)曾用于廣州地鐵施工，廣州地區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，包含富水砂層以及黏性土地層，與北京地區(qū)砂卵石地層有較大出入。綜合評(píng)估，該盾構(gòu)在設(shè)計(jì)直徑、地層適應(yīng)性方面均難以滿足區(qū)間的施工要求，故施工前對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)徑改造，以期達(dá)到工程的施工要求。

表2 原有盾構(gòu)參數(shù)

2 刀盤(pán)系統(tǒng)改造及適應(yīng)性分析

2.1 刀盤(pán)系統(tǒng)切樁難點(diǎn)

盾構(gòu)切樁主要是靠盾構(gòu)刀具磨削樁體來(lái)實(shí)現(xiàn)，切樁效果與刀具的性能有很大關(guān)系。蔣建敏等[11]在研究北京地區(qū)盾構(gòu)掘進(jìn)切刀失效時(shí)，認(rèn)為盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中硬質(zhì)合金刀具的崩脫與折斷是其主要原因。結(jié)合實(shí)際工況，盾構(gòu)除了掘進(jìn)常規(guī)地層，還將磨削地下樁基，工程主要難點(diǎn)為盾構(gòu)掘進(jìn)與磨削樁基過(guò)程刀具將磨損嚴(yán)重，極易發(fā)生刀具崩脫與折斷；此外，推進(jìn)和磨削過(guò)程刀盤(pán)產(chǎn)生大量熱量，易在刀盤(pán)處形成泥餅。

2.2 刀盤(pán)系統(tǒng)再制造要求

依據(jù)隧道設(shè)計(jì)直徑及刀盤(pán)系統(tǒng)切樁難點(diǎn)，對(duì)刀盤(pán)系統(tǒng)再制造提出以下要求：

1)刀盤(pán)系統(tǒng)再制造后開(kāi)挖直徑可滿足隧道設(shè)計(jì)的直徑要求，且具有合理的開(kāi)口形式、開(kāi)口率以及支撐方式。

2)刀具、刀座具有足夠的剛度、強(qiáng)度，易于更換，且具有足夠的耐磨性能。

3)刀盤(pán)再制造后具有良好的渣土改良效果，泥餅不易結(jié)節(jié)。

2.3 刀盤(pán)系統(tǒng)再制造

2.3.1 刀盤(pán)選型

盾構(gòu)原有刀盤(pán)開(kāi)挖直徑為6 350 mm，開(kāi)口率約為41%，盾構(gòu)推進(jìn)里程較大，刀具磨損嚴(yán)重，難以適應(yīng)本工程。綜合考慮，對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行新制。新制刀盤(pán)如圖3所示。通過(guò)對(duì)北京地區(qū)土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)選型案例統(tǒng)計(jì)[12-15]，發(fā)現(xiàn)多采用輻條式。輻條式刀盤(pán)具有裝備較小的刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)功率、足夠的開(kāi)口率、土壓平衡容易控制以及利于渣土流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。新制刀盤(pán)采用6輻條式，輻條為圓柱形，刀盤(pán)開(kāi)口率提升至61%，保證大塊石塊順利進(jìn)入土艙，減小磨樁摩擦以及降低泥餅結(jié)節(jié)概率。刀盤(pán)整體采用Q345B鋼材，刀盤(pán)直徑達(dá)6 600 mm，刀盤(pán)設(shè)置中間圈梁，輻條外端與外圈板設(shè)置三角筋板，刀盤(pán)外圈板厚度為90 mm，增加內(nèi)環(huán)筋板，以保證刀盤(pán)磨樁及長(zhǎng)距離掘進(jìn)的結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度要求。

圖3 新制刀盤(pán)

2.3.2 刀具配置方案

刀盤(pán)整體新制，充分考慮盾構(gòu)切樁工況，刀盤(pán)將配備中心魚(yú)尾刀、先行刀、正面刮刀、邊緣刮刀、磨樁刀以及重型撕裂刀，每種刀具均根據(jù)工程難點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。盾構(gòu)新配刀具配置如表3所示。刀具布置展開(kāi)如圖4所示。

圖4 刀具布置展開(kāi)圖

表3 盾構(gòu)新配刀具配置

1)刮刀采用雙層合金設(shè)計(jì)以及栓接方式，加強(qiáng)刮刀切樁時(shí)刀座的穩(wěn)定性以及刀具的耐磨能力。刮刀基座合金指標(biāo)如表4所示。刮刀合金指標(biāo)如表5所示。

表4 刮刀基座合金指標(biāo)

表5 刮刀合金指標(biāo)

2)刀盤(pán)側(cè)裝6把重型撕裂刀，每個(gè)軌跡布置1把，撕裂刀布置在相鄰輻條之間。重型撕裂刀如圖5所示。

圖5 重型撕裂刀

3)先行刀采用焊接方式，采用高低3層同心圓全軌道布置形式，刀具分別高出到盤(pán)面220、190、150 mm(見(jiàn)圖6)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樁體的層次切割。3層刀具作用如下：第1層次刀具主要以切削鋼筋混凝土為主要功能；第2層次刀具為保證第1層次刀具磨損后仍具備切削樁體的能力；第3層次刀具以收刮渣土進(jìn)土艙為主要功能。

圖6 先行刀高低布置圖(單位：mm)

4)刀盤(pán)上裝有3處刀具磨損檢測(cè)點(diǎn)，用于檢測(cè)刀盤(pán)上刀具的磨損狀況。

2.3.3 耐磨設(shè)計(jì)

為適應(yīng)切樁過(guò)程磨損情況，刀盤(pán)迎土面邊角處采用封閉式耐磨堆焊、盤(pán)圈外側(cè)采用耐磨板(碳化鉻復(fù)合式耐磨板)來(lái)增加刀盤(pán)耐磨性能。此外，先行刀與重型撕裂刀刀身加焊耐磨高強(qiáng)硬質(zhì)合金，以增強(qiáng)刀具的切樁耐磨性能。

2.3.4 攪拌棒設(shè)計(jì)

磨樁過(guò)程中產(chǎn)生大量熱量，會(huì)提高刀盤(pán)泥餅結(jié)節(jié)的概率。為解決這一難題，設(shè)計(jì)刀盤(pán)時(shí)除增加刀盤(pán)開(kāi)口率外，還在刀盤(pán)背部不同直徑處設(shè)置7根主動(dòng)攪拌棒，以確保切樁時(shí)可以充分?jǐn)嚢枵麄€(gè)土艙。攪拌棒分布如圖7所示。

圖7 攪拌棒分布圖

2.4 刀盤(pán)系統(tǒng)切樁適應(yīng)性分析

2.4.1 刀具適應(yīng)性分析

1)雙層合金刮刀采用栓接，可提高刮刀抗沖擊、耐磨損能力，避免磨削過(guò)程刀具的崩落與脆性折斷，且易于更換；刀盤(pán)邊緣刮刀可在磨樁過(guò)程中清理外圍開(kāi)挖的渣土，防止刀盤(pán)外緣的直接磨損，保證開(kāi)挖直徑的精度。

2)先行刀高低布置，可實(shí)現(xiàn)層次切割，提高刀具對(duì)樁體的切割效率。

3)重型撕裂刀防止邊緣刮刀過(guò)渡磨損，同時(shí)也增加對(duì)硬物的切削能力以及對(duì)下層刮刀的保護(hù)。

4)刀具磨損檢測(cè)點(diǎn)的設(shè)置，對(duì)刀具磨損進(jìn)行檢測(cè)，可用于指導(dǎo)刀具的維護(hù)、更換以及調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

2.4.2 耐磨及攪拌棒適應(yīng)性分析

1)新制刀盤(pán)及部分刀具進(jìn)行耐磨加強(qiáng)，整體提高刀盤(pán)系統(tǒng)耐磨性能，可在磨樁過(guò)程中有效地保護(hù)刀盤(pán)以及刀具，保障盾構(gòu)平穩(wěn)高效穿越樁基。

2)在刀盤(pán)背部不同直徑處設(shè)置的7根攪拌棒，將提高渣土改良效果，降低土艙內(nèi)泥餅結(jié)節(jié)的概率，保障施工過(guò)程順利進(jìn)行。

3 推進(jìn)系統(tǒng)再制造及適應(yīng)性分析

3.1 推進(jìn)系統(tǒng)切樁難點(diǎn)

盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于廣州地區(qū)，曾在廣州富水砂土或黏土地層進(jìn)行長(zhǎng)距離推進(jìn)。北京地區(qū)主要以砂卵石地層為主，相比于廣州富水地層，對(duì)盾構(gòu)的推進(jìn)系統(tǒng)要求更高。同時(shí)，工程的特殊切樁工況對(duì)盾構(gòu)的推進(jìn)系統(tǒng)要求比一般北京地區(qū)盾構(gòu)施工要求更高，若盾構(gòu)在切樁過(guò)程動(dòng)力不足，則極易發(fā)生刀盤(pán)被卡情況，影響進(jìn)度。綜合考慮，施工前對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行再制造。

3.2 推進(jìn)系統(tǒng)再制造要求

依據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)在切樁過(guò)程的難點(diǎn)，避免出現(xiàn)卡機(jī)情況，對(duì)盾構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)再制造提出以下要求：

1)再制造后盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩大于切樁所需最大轉(zhuǎn)矩，且有一定余度。

2)再制造后盾構(gòu)推力大于切樁所需最大推力，且有一定調(diào)整空間。

3.3 推進(jìn)系統(tǒng)再制造

3.3.1 主驅(qū)動(dòng)

切樁過(guò)程對(duì)盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩要求更高。為保證盾構(gòu)切樁時(shí)擁有足夠的轉(zhuǎn)矩，主驅(qū)動(dòng)再制造時(shí)在原有配置基礎(chǔ)上增加2臺(tái)功率為75 kW的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，左右分別配置1臺(tái)。新增驅(qū)動(dòng)電機(jī)如圖8所示。為保證負(fù)荷分配均勻，新增電機(jī)可將盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩由5 918 kN·m提升至7 398 kN·m。

圖8 新增驅(qū)動(dòng)電機(jī)

3.3.2 推力系統(tǒng)

再制造后盾構(gòu)推力系統(tǒng)共配置24個(gè)260 mm推進(jìn)油缸，單個(gè)油缸推力大小為1 750 kN，盾構(gòu)整體推力由30 000 kN提升至42 000 kN。

3.4 推進(jìn)系統(tǒng)適應(yīng)性校核

3.4.1 轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型

盾構(gòu)切樁過(guò)程的總轉(zhuǎn)矩

Ttotal=Tpile+Tsoil[16]。

(1)

純切樁轉(zhuǎn)矩

(2)

n=n總SZ/SP。

(3)

式中：n總為刀具總數(shù)；SZ為樁體被切削面積;SP為刀盤(pán)面積(除去中心刀范圍內(nèi))。

純掘土轉(zhuǎn)矩

Tsoil=T1+T2+T3+T4+T5。

(4)

刀盤(pán)切削轉(zhuǎn)矩

(5)

式中：D0為盾構(gòu)外徑；q為地層土體平均抗剪強(qiáng)度；vmax為盾構(gòu)推進(jìn)速度；n1為刀盤(pán)轉(zhuǎn)速。

刀盤(pán)正面摩擦力矩

(6)

式中：α為刀盤(pán)開(kāi)口率；μ1為盾構(gòu)外殼與地層摩擦因數(shù)；p為刀盤(pán)正面土壓。

刀盤(pán)背面摩擦力矩

T3=T2/2。

(7)

刀盤(pán)圓周摩擦力矩

(8)

式中B為刀盤(pán)邊緣厚度。

艙內(nèi)攪拌力矩

(9)

式中：R1、R2為刀盤(pán)支撐梁內(nèi)、外徑；l1為支撐梁長(zhǎng)度；τ為渣土抗剪強(qiáng)度。

3.4.2 推力計(jì)算模型

盾構(gòu)切樁過(guò)程的總推力

Ftotal=Fpile+Fsoil。

(10)

純切樁推力

Fpile=n2fv。

(11)

式中：n2為切樁刀具數(shù)量；fv為盾構(gòu)刀具切樁時(shí)的貫入力。

純掘土推力

Fsoil=F1+F2+F3+F4[17]。

(12)

盾構(gòu)與地層之間的摩擦阻力

F1=μ1(πD0lpm+W)。

(13)

式中：l為盾構(gòu)長(zhǎng)度；pm為作用在盾構(gòu)上的平均土壓；W為盾構(gòu)自重。

刀盤(pán)正面阻力

(14)

式中p1為盾構(gòu)平均土壓。

盾尾密封與管片之間的摩阻力

F3=1.2kπD1f。

(15)

式中：k為盾尾管片環(huán)數(shù)；D1為管片外徑；f為每m管片長(zhǎng)度摩擦阻力。

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)后配套牽引力

F4≈200 kN。

(16)

3.4.3 轉(zhuǎn)矩校核結(jié)果

根據(jù)3.4.1章節(jié)中轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型粗略計(jì)算盾構(gòu)切樁時(shí)所需轉(zhuǎn)矩，結(jié)果如表6所示?？梢钥闯觯憾軜?gòu)切樁時(shí)所需轉(zhuǎn)矩約為3 871 kN·m，僅占盾構(gòu)裝備轉(zhuǎn)矩的52.3%，即再制造盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩可滿足切樁需求，且有較大調(diào)整余度。

表6 盾構(gòu)切樁轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果

3.4.4 推力校核結(jié)果

根據(jù)3.4.2章節(jié)中推力計(jì)算模型粗略計(jì)算切樁時(shí)所需推力，結(jié)果如7表所示?？梢钥闯觯憾軜?gòu)切樁所需推力約為18 564 kN，僅占盾構(gòu)裝備推力的44%，即再制造盾構(gòu)裝備推力可滿足切樁需求，且有較大調(diào)整空間。

4 排渣系統(tǒng)再制造及適應(yīng)性分析

4.1 排渣系統(tǒng)切樁難點(diǎn)

不同于普通地層掘進(jìn)排渣，盾構(gòu)切樁會(huì)產(chǎn)生較大塊的混凝土石渣，這些切削下來(lái)的石渣在排出過(guò)程對(duì)排渣系統(tǒng)的動(dòng)力要求更高。同時(shí)，由于樁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，切削后會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)短不同的鋼筋，鋼筋的排出易造成螺旋輸送機(jī)卡頓，導(dǎo)致盾構(gòu)出土不暢，產(chǎn)生噴涌。

表7 盾構(gòu)切樁推力計(jì)算結(jié)果

4.2 排渣系統(tǒng)再制造要求

依據(jù)盾構(gòu)排渣系統(tǒng)在切樁時(shí)的排渣難點(diǎn)，為保證螺旋輸送機(jī)可順利排出石渣以及鋼筋，提出以下螺旋輸送機(jī)再制造要求：

1)再制造后，螺旋輸送機(jī)排渣量以及整體輸送能力得到提升。

2)螺旋輸送機(jī)可平穩(wěn)順利排出切削下來(lái)的石渣以及鋼筋，不易出現(xiàn)螺旋輸送機(jī)卡頓現(xiàn)象。

4.3 排渣系統(tǒng)再制造

根據(jù)排渣系統(tǒng)改造要求，保障再制造螺旋輸送機(jī)具有良好的運(yùn)行性能，對(duì)其進(jìn)行如下改造：

1)螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)長(zhǎng)10.1 m，內(nèi)徑為800 mm，提升高4 m，最大排渣量由300 m3/h增大至480 m3/h。

2)采用無(wú)軸式螺旋輸送機(jī)，主要原因是相較于軸式螺旋輸送機(jī)，無(wú)軸式螺旋輸送機(jī)對(duì)大粒徑卵石地層的渣土排出具有良好的適應(yīng)性，同時(shí)抗纏繞性能優(yōu)良，可減小切削下來(lái)的鋼筋卡住概率，即使鋼筋卡住，相較于軸式螺旋輸送機(jī)易處理。無(wú)軸螺旋輸送機(jī)如圖9所示。

圖9 無(wú)軸螺旋輸送機(jī)

3)為順利排出渣土，螺旋輸送機(jī)更換2臺(tái)馬達(dá)來(lái)增大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。改造前后螺旋輸送機(jī)參數(shù)對(duì)比如表8所示。轉(zhuǎn)速的提升，將增加盾構(gòu)艙內(nèi)土壓平衡的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力[18-19]。

表8 螺旋輸送機(jī)參數(shù)對(duì)比

4)螺旋輸送機(jī)葉片改造。根據(jù)原螺旋輸送機(jī)葉片的磨損情況，修補(bǔ)螺旋輸送機(jī)葉片并堆焊耐磨層至設(shè)計(jì)尺寸，使螺旋輸送機(jī)葉片恢復(fù)原有性能，實(shí)現(xiàn)再利用。

4.4 排渣系統(tǒng)適應(yīng)性分析

4.4.1 輸送量適應(yīng)性分析

再制造螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)輸送量QVO=480 m3/h，而盾構(gòu)在推進(jìn)最快的情況下，挖掘土體最大流量QV=255 m3/h。

螺旋輸送機(jī)輸送量安全系數(shù)

SV=QVO/QV=1.88>1。

(17)

即螺旋輸送機(jī)的輸送量完全可以滿足工程要求。

4.4.2 轉(zhuǎn)矩分析

工程中螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)矩依據(jù)式(18)—(19)計(jì)算[20-21]。

T=9 550P/n3。

(18)

式中：n3為螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速；P為螺旋輸送機(jī)總功率。

P=PH+PN+Pst。

(19)

物料運(yùn)行時(shí)所需功率

PH=Iml2λ1g/900；

(20)

Im=QVOρ。

(21)

式中：l2為螺旋輸送機(jī)長(zhǎng)度；λ1為比例系數(shù)，通常取2～4；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?；QVO為最大出土量；ρ為渣土密度。

空載驅(qū)動(dòng)功率

PN=D2l2/20。

(22)

式中D2為螺旋輸送機(jī)直徑。

傾斜功率

Pst=ImHg/3 600。

(23)

式中H為渣土提升高度。

4.4.3 轉(zhuǎn)矩校核

根據(jù)式(19)—(23)計(jì)算螺旋輸送機(jī)各功率及總功率，所得結(jié)果如表9所示。進(jìn)而根據(jù)式(18)計(jì)算得到螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)矩為163.23 kN·m，即螺旋輸送機(jī)實(shí)際裝備轉(zhuǎn)矩大于切樁排渣實(shí)際所需轉(zhuǎn)矩，可滿足切樁排渣要求。

表9 螺旋輸送機(jī)功率及總功率計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論與討論

1)為應(yīng)對(duì)切樁工況對(duì)刀盤(pán)系統(tǒng)帶來(lái)的難點(diǎn)以及隧道擴(kuò)徑要求，盾構(gòu)刀盤(pán)整體擴(kuò)徑新制，主要對(duì)刀盤(pán)材質(zhì)、開(kāi)口率、刀具布置以及渣土改良進(jìn)行升級(jí)再制造，刀盤(pán)整體采用高強(qiáng)度鋼材進(jìn)行新制，增加耐磨性能；刀盤(pán)開(kāi)口率增大，減小摩擦；先行刀交叉階梯高低3層同心圓全軌道布置，對(duì)樁體實(shí)現(xiàn)層次切割，極大地提高了刀具的切樁效率。以上改造滿足切樁工況對(duì)刀盤(pán)系統(tǒng)的要求。

2)為保證推進(jìn)切樁過(guò)程盾構(gòu)動(dòng)力足夠，對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行部分升級(jí)，通過(guò)簡(jiǎn)單校核，再制造后盾構(gòu)的推力、轉(zhuǎn)矩滿足切樁的動(dòng)力要求，且有較大余度，可適應(yīng)切樁過(guò)程。

3)為保證切樁產(chǎn)生大量的混凝土塊和鋼筋能夠順利排出，采用無(wú)軸式螺旋輸送機(jī)，且提升螺旋輸送機(jī)的輸送能力、轉(zhuǎn)矩以及加強(qiáng)改造葉片。為應(yīng)對(duì)無(wú)軸式螺旋輸送機(jī)出土器保壓較弱情況，施工過(guò)程采用圍堰排干河道水，降低噴涌風(fēng)險(xiǎn)；盾構(gòu)通過(guò)渣土改良、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速以及出土能力提升來(lái)提高整體保壓的能力。通過(guò)對(duì)再制造后的螺旋輸送機(jī)簡(jiǎn)單驗(yàn)算可知，出土器的出土量及轉(zhuǎn)矩滿足切樁排渣的要求。

綜上，盾構(gòu)的擴(kuò)徑再制造后刀盤(pán)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)以及排渣系統(tǒng)在理論層面對(duì)切樁施工具有良好的適應(yīng)性，但實(shí)際再制造盾構(gòu)施工效果還需進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際施工情況進(jìn)行討論。盾構(gòu)的再制造實(shí)現(xiàn)了舊盾構(gòu)的再利用，有效地降低了工程施工成本，符合國(guó)家政策，對(duì)同類工程盾構(gòu)的再制造和應(yīng)用具有一定的參考意義。