薛廣記， 蘇明浩， 李 治， 馮戰(zhàn)勇

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

伴隨著城市的快速發(fā)展，城市市政老舊管網(wǎng)管齡不斷增加，舊管道面臨著破損泄露、坍塌、堵塞等風(fēng)險； 同時，存在管道直徑太小、管道內(nèi)介質(zhì)流量超限、輸送能力不足等問題，地下管道大多已無法滿足城市生態(tài)化發(fā)展要求[1-2]。因此，城市市政老舊管道更新、擴(kuò)容面臨迫切需求。

傳統(tǒng)的城市管道更新技術(shù)主要分為明挖法和非開挖技術(shù)2大類。其中，明挖法由于需要大范圍的地面占道施工，對現(xiàn)代城市生態(tài)、環(huán)境造成破壞，影響交通出行，已較難滿足復(fù)雜城區(qū)施工要求[3]。

非開挖技術(shù)作為管道更新的創(chuàng)新技術(shù)，代表了未來管道更新的發(fā)展方向，對此，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作[4]。20世紀(jì)80年代，歐洲率先對非開挖技術(shù)進(jìn)行了研究。近些年，我國逐步開展了該領(lǐng)域的相關(guān)研究。謝含華[5]、余雪兵等[6]介紹了氣動錘、水平螺旋鉆、碎管機等國外非開挖設(shè)備的工作原理及性能特點，并論述了非開挖技術(shù)的發(fā)展趨勢； 董維奇[7]、胡曉衛(wèi)[8]、臧翀等[9]研究了目前管道常用的開挖及非開挖更新技術(shù)和實際應(yīng)用狀況，并分析了當(dāng)前我國管道更新發(fā)展中存在的問題及未來發(fā)展前景； 槐慶林等[10]介紹了幾種常用的管道非開挖修復(fù)及更新技術(shù)及其特點； 辛雅婷[11]研究了市政給排水工程頂管施工技術(shù)； 李驥韜[12]結(jié)合工程實例，論述了碎裂管法施工工藝選擇方法，提出碎裂管法可滿足50～800 mm直徑管道的更新修復(fù)，一次更換長度可達(dá)到300 m。

隨著管道更新非開挖技術(shù)的不斷研究和發(fā)展，其技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，但是，目前該技術(shù)仍局限于小直徑管道的更新修復(fù)，且易對管道正常運營造成中斷截流。此外，管道內(nèi)介質(zhì)的沉積使得清理非常困難，管道內(nèi)的沉積雜物在施工中極易污染周邊地層。因此，如何保證舊管道內(nèi)淤渣清理完全，同時在管道施工中保通不斷流，是目前非開挖管道更新技術(shù)面臨的重大挑戰(zhàn)。

基于上述問題，本文針對原位非開挖管道更新施工需求，通過理論計算、仿真分析、整機工業(yè)試驗等手段對管道更新掘進(jìn)機關(guān)鍵技術(shù)展開研究，以期為老舊城區(qū)機械化非開挖管道更新掘進(jìn)機的設(shè)計及其施工應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 總體方案設(shè)計

為了解決鋼筋混凝土舊管道破挖更新難題，研制出一種管道更新掘進(jìn)機，如圖1所示。該掘進(jìn)機包括推進(jìn)裝置、保通環(huán)流系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、開挖刀盤、封管器、雙球鉸傳力桿等結(jié)構(gòu)，是集舊管破碎、排渣、保通過流、新管頂推鋪設(shè)功能于一體的機械化管道暗挖更新裝備。其中，開挖刀盤通過設(shè)置特殊刀具，實現(xiàn)鋼筋混凝土管節(jié)縱、環(huán)筋和混凝土的破碎，如圖2所示； 封管器設(shè)置在開挖裝置的前端，實現(xiàn)清理管內(nèi)淤渣、保通管道介質(zhì)不斷流的功能；雙球鉸傳力桿結(jié)構(gòu)可以滿足舊管道不同軸開挖掘進(jìn)。管道更新掘進(jìn)機通過開挖艙的土壓或泥水平衡保壓設(shè)計，實現(xiàn)了鋼筋混凝土舊管道原位破挖和新管道同步敷設(shè)一次施工成型，能夠滿足城市老舊管道更新、擴(kuò)容需求。

圖1 管道更新掘進(jìn)機示意圖

圖2 開挖破管輪廓示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 基于壓力平衡模式的開挖系統(tǒng)研究

傳統(tǒng)非開挖管道破除更新過程中，為避免施工中管道上方土體坍塌，需對廢棄管道進(jìn)行回填，然后采用壓力平衡掘進(jìn)機進(jìn)行開挖，如圖3所示。這種設(shè)備及工法會增加施工工序，提高施工的復(fù)雜程度，同時對管道內(nèi)原有流通介質(zhì)造成斷流。

圖3 回填后壓力平衡模式掘進(jìn)

為避免原管道施工斷流，并在刀盤前方構(gòu)建壓力艙微環(huán)境，實現(xiàn)壓力平衡模式下開挖掘進(jìn)，設(shè)計一種封管器結(jié)構(gòu)，其能夠隔絕舊管道內(nèi)原介質(zhì)進(jìn)入開挖艙； 同時，封管器后側(cè)與土艙隔板之間形成封閉的開挖艙，可采用泥水或土壓平衡模式使開挖艙和土體達(dá)成壓力平衡狀態(tài)，避免破管刀盤超挖導(dǎo)致土體塌陷，如圖4所示。

圖4 封管器輔助平衡模式掘進(jìn)

2.1.1 雙球鉸傳力桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙球鉸傳力桿連接封管器與刀盤中心驅(qū)動軸，使兩者之間的開挖艙形成密閉保壓空間。此外，利用雙球鉸關(guān)節(jié)的自由轉(zhuǎn)動特性，不僅可實現(xiàn)刀盤、封管器的軸向相對靜止和周向相對旋轉(zhuǎn)，還能夠使封管器適應(yīng)管道彎曲引起的一定角度偏轉(zhuǎn)位置變化，減弱由此引起的偏轉(zhuǎn)力矩，同時具有一定的牽引導(dǎo)向作用，使開挖裝置始終沿著管道前進(jìn)，滿足糾偏調(diào)向及一定量的管道不同軸錯臺工況需求。糾偏調(diào)向角度β不應(yīng)大于雙球鉸傳力桿擺動極限角度θ(受球鉸結(jié)構(gòu)干涉影響)，新舊管道錯臺b取決于傳力桿長度l與擺動角度θ。雙球鉸傳力桿結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。

(a) 糾偏狀態(tài)

(b) 不同軸錯臺掘進(jìn)狀態(tài)

2.1.2 開挖艙受力分析

結(jié)合設(shè)備掘進(jìn)和停機時開挖艙的受力狀態(tài)，對開挖艙(包括封管器、雙球鉸傳力桿、刀盤)進(jìn)行受力分析，如圖6所示。

(a) 停機狀態(tài) (b) 推進(jìn)時狀態(tài)

1)設(shè)備停機時，開挖艙受力如圖6(a)所示。傳力桿受力為：

F=F1-Ff1=F2-Ff2=p×S1-Ff1=p×S2-Ff2。

(1)

式中：F為傳力桿受力，kN；F1為主機承受的泥水壓力，kN；Ff1為主機及管節(jié)周邊土體的靜摩阻力，kN；F2為封管器承受的泥水壓力，kN；Ff2為封管器與管節(jié)的靜摩阻力，kN；p為開挖艙泥水壓力，kPa；S1為舊管內(nèi)截面面積，m2；S2為開挖面積，m2。

封管器、傳力桿、主機盾體軸向相對靜止，但受開挖艙壓力作用，F(xiàn)f1隨掘進(jìn)距離增加逐漸增大，F(xiàn)f2受封管器與舊管節(jié)過盈量影響，F(xiàn)f1、Ff2的最大值一般大于開挖艙壓力，故在掘進(jìn)機停機工況下，傳力桿基本不受軸向力。

2)設(shè)備推進(jìn)時，開挖艙受力如圖6(b)所示。傳力桿受力為：

(2)

2.1.3 雙球鉸傳力桿靜力學(xué)特性仿真分析

雙球鉸傳力桿主要由球鉸和推力桿構(gòu)成，且前端球鉸連接封管器，后端球鉸連接主機。設(shè)備啟動推進(jìn)時，其作為關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)，要克服封管器的啟動力、管道不同軸和轉(zhuǎn)彎過程中的偏轉(zhuǎn)力，而由于球鉸的轉(zhuǎn)動作用，偏轉(zhuǎn)力對其影響較小。因此，本文主要研究掘進(jìn)機啟動力對其力學(xué)性能的影響。

由于封管器與管節(jié)內(nèi)壁緊密配合，為保證開挖艙的密封效果，其設(shè)計的啟動壓力p1為0.4 MPa，因此，推力桿受力為：

(3)

利用Workbench仿真軟件，構(gòu)建雙球鉸傳力桿有限元模型，并進(jìn)行四邊形單元自由網(wǎng)格劃分[13]，包含14 282個節(jié)點、5 364個單元。有限元模型中前球頭法蘭平面施加固定約束，后球頭法蘭平面施加502.4 kN推力。

通過對仿真模型進(jìn)行求解，得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變云圖(見圖7)。結(jié)果表明，雙球鉸結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變均在合適范圍內(nèi)，強度滿足工況要求。

(a) 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(單位： MPa)

(b) 結(jié)構(gòu)應(yīng)變云圖(單位： mm)

2.2 保通環(huán)流系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 保通環(huán)流方案研究

廖：我是從1997年任所長助理開始參與行政管理工作的.2000年開始任副所長，2005～2009年任所長.長達(dá)12年的行政管理工作，對我的性格有所改造：從一絲不茍、循規(guī)蹈矩辦事開始，在逐漸“領(lǐng)悟”到學(xué)術(shù)研究與行政管理所遵循的乃是兩套不同的“游戲規(guī)則”后，便將影視劇《鐵齒銅牙紀(jì)曉嵐》中皇上所言“不聾不瞎，不能當(dāng)家”銘之座右——抓大放小，不求水之“至清”.因而雖然每日繁雜的事務(wù)性工作纏身，但也是另一種難得的人生經(jīng)歷與體驗.

由于雙球鉸傳力桿連接設(shè)備主機并推動封管器向前掘進(jìn)，為保證推進(jìn)中舊管道內(nèi)介質(zhì)流通不中斷，提出封管器、傳力桿、中心驅(qū)動軸中空設(shè)計方案，如圖8所示。其中，封管器外圍設(shè)置有鋼絲刷、橡膠皮碗，避免管道內(nèi)流體介質(zhì)進(jìn)入設(shè)備開挖艙，實現(xiàn)開挖艙封閉保壓；封管器前端設(shè)置錐形格柵板，管道中污水由此過濾后進(jìn)入內(nèi)部中空管道，最終通過保通環(huán)流系統(tǒng)將污水排出到后部管道中，在管道正常流通狀態(tài)下完成管道鋪設(shè)及新舊管道的轉(zhuǎn)換更新。

圖8 保通環(huán)流方案示意圖

2.2.2 保通環(huán)流設(shè)計

保通環(huán)流系統(tǒng)設(shè)計有保通和反沖洗2種模式，如圖9所示。在保通模式下，設(shè)備將舊管道前端污水通過保通泵排入后側(cè)管道中，實現(xiàn)施工中污水保通不斷流。當(dāng)保通管路內(nèi)發(fā)生堵塞時，通過切換閥門轉(zhuǎn)換為反沖洗模式，蓄水池里的水通過保通泵被送到前側(cè)管道，實現(xiàn)對管路的反沖洗[14]。

(a) 保通模式

(b) 反沖洗模式

根據(jù)舊管節(jié)的內(nèi)徑和過流比例，可計算舊管節(jié)過流面積

(4)

式中：d1為舊管節(jié)內(nèi)徑，取1 000 mm；k為舊管節(jié)過流比例，取0.3。

根據(jù)舊管節(jié)污水流速，可計算污水流量

Q=S×v1×3 600=508.94 m3/h。

(5)

式中v1為舊管節(jié)污水流速，由管道坡度取0.6 m/s。

根據(jù)保通管設(shè)計流速值，可計算保通管內(nèi)徑

(6)

因此，保通管內(nèi)徑可取200 mm，保通泵需滿足508.94 m3/h的流量要求。

2.3 整機集約化設(shè)計

2.3.1 集成式始發(fā)臺架設(shè)計

始發(fā)臺架采用油缸倒裝形式，實現(xiàn)換步反推頂進(jìn)，滿足城區(qū)施工的小空間始發(fā)、快速推進(jìn)需求。

始發(fā)臺架主要由洞門密封總成、底架總成和后靠墻構(gòu)成，推進(jìn)臺架布置在底架總成上可實現(xiàn)前后滑動，推進(jìn)臺架后端與后靠墻相連接，同時將洞門密封裝置集成在推進(jìn)臺架前端，形成了管片連續(xù)頂進(jìn)、管片運輸于一體的集成式始發(fā)裝置(見圖10)，從而減小始發(fā)井構(gòu)筑面積，達(dá)到降本增效的目的。

1—洞門密封總成； 2—底架總成； 3—管節(jié)運輸總成； 4—推進(jìn)臺架總成； 5—后靠墻總成。

頂推力

(7)

2.3.2 外連接式盾體設(shè)計

為了解決狹小空間內(nèi)設(shè)備盾體組裝難題，針對性設(shè)計了外連接式盾體(見圖11)。盾體包括前盾和尾盾，通過鉸接油缸連接。前盾由前盾前部和前盾后部組成，通過外螺栓法蘭連接，可實現(xiàn)盾體的外側(cè)拼裝，方便工人操作，提高工作效率。同時，通過設(shè)置限扭機構(gòu)，可以有效防止盾體工作時的扭轉(zhuǎn)，提高整個盾體的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高施工安全系數(shù)。此外，盾體外側(cè)設(shè)置了隱藏式吊耳，可以節(jié)省材料與工序，且便于后期吊裝。

1—前盾前部； 2—前盾后部； 3—隱藏式吊耳； 4—尾盾； 5—限扭塊。

3 試驗驗證分析

3.1 試驗工況模擬設(shè)計

為驗證管道更新掘進(jìn)機各部件性能和技術(shù)可行性，進(jìn)行了設(shè)備的樣機制作，并進(jìn)一步開展了工業(yè)試驗[15]。試驗段項目通過明挖法預(yù)先鋪設(shè)DN1 000 mm鋼筋混凝土承插式管道，模擬舊污水管道，鋪設(shè)新管道為DN1 200 mm柔性B類鋼承口預(yù)制鋼筋混凝土管，掘進(jìn)更新里程為60 m。

試驗工況為： 前20 m管道底部鋪設(shè)砂土墊層，采用封管器配合掘進(jìn)； 中間20 m管道底部鋪設(shè)混凝土墊層； 后20 m管片錯縫布置，并將末尾管道口進(jìn)行封堵，更新施工時將刀盤前端封管器換成中心魚尾刀。同時，覆土厚度為3 m左右，并在管道內(nèi)部預(yù)埋部分淤泥和水，驗證管道更新設(shè)備的開挖、清淤及保通性能，獲得設(shè)備各項性能參數(shù)。

試驗段設(shè)備始發(fā)掘進(jìn)如圖12所示。

圖12 試驗段設(shè)備始發(fā)掘進(jìn)現(xiàn)場

試驗結(jié)果表明： 設(shè)備月進(jìn)尺可達(dá)150～450 m，保通流量在500 m3/h左右，掘進(jìn)試驗效果良好。

3.2 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

3.2.1 實際頂推力數(shù)值模型

由于前20 m試驗段應(yīng)用了封管器裝置和保通設(shè)計，更能說明設(shè)備的性能特點，故本文對試驗段前20 m掘進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。繪制頂推力與掘進(jìn)距離關(guān)系曲線，結(jié)果如圖13所示。在正常掘進(jìn)階段，頂推力隨著掘進(jìn)距離增加整體呈線性遞增趨勢，其上下浮動變化是由盾體、管節(jié)周邊膨潤土注入不均所引起的[16]。

圖13 頂推力與掘進(jìn)距離關(guān)系曲線(前20 m試驗段)

同時，利用MATLAB對其數(shù)值進(jìn)行分析，采用矩陣除法進(jìn)行最小二乘法直線擬合，得到擬合曲線為：

y=7.14x+1 248.71。

(8)

式中：y為頂推力，kN；x為掘進(jìn)距離，m。

聯(lián)合頂推力理論計算公式(7)可知，該地層管道外壁與土的平均摩阻力f=1.62 kN/m2，為該地層頂管頂推力設(shè)計提供了理論參考。

3.2.2 刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度數(shù)據(jù)分析

設(shè)備正常掘進(jìn)時，在10～15 m刀盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2 r/min左右，推進(jìn)速度穩(wěn)定在22 mm/min左右，設(shè)備運行上位機顯示土艙壓力變化平穩(wěn)，管片破碎的混凝土粒徑及鋼筋長度合適，泥水環(huán)流出渣及保通系統(tǒng)順暢，因此，將該數(shù)據(jù)推薦為施工過程中較優(yōu)配置參數(shù)。刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖14所示。

圖14 刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度統(tǒng)計數(shù)據(jù)

3.2.3 開挖艙壓力與地表沉降控制分析

設(shè)備正常掘進(jìn)時，開挖艙壓力、地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分別如圖15和圖16所示。由圖可知，管道更新掘進(jìn)機泥水艙左上、右下壓力差值小于5 kPa，且開挖艙壓力大部分時間浮動在50～80 kPa，在正常波動范圍內(nèi)，且變化較為平穩(wěn)，表明封管器、盾體隔板對泥水艙密封保壓較好； 同時，正常掘進(jìn)過程中地表沉降控制在4 mm 以內(nèi)，對地層擾動較小。

圖15 開挖艙壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖16 地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)論與討論

本文結(jié)合城市管道更新、擴(kuò)容面臨的迫切需求，以試驗段項目為依托，對整機關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論。

1)針對雙球鉸傳力桿和封管器構(gòu)建的壓力平衡開挖艙進(jìn)行受力計算分析，并對傳力桿進(jìn)行仿真研究。后期工業(yè)試驗結(jié)果表明，雙球鉸傳力桿和封管器的配合，使開挖艙上下壓差控制在5 kPa以內(nèi)，地層擾動可控，保證了開挖艙的密封保壓平衡性能，驗證了結(jié)構(gòu)的可靠性和可行性。

2)結(jié)合理論計算和掘進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，在設(shè)備應(yīng)用封管器和雙球鉸結(jié)構(gòu)的區(qū)間，得到刀盤轉(zhuǎn)速2 r/min、推進(jìn)速度22 mm/min左右為該區(qū)間的較優(yōu)配置參數(shù)；并利用最小二乘法擬合得到其頂推力計算模型，得到該地層管道外壁與土的平均摩阻力f=1.62 kN/m2，為后續(xù)的設(shè)備設(shè)計與類似項目施工提供了數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

3)整機工業(yè)應(yīng)用試驗結(jié)果表明： 設(shè)備月進(jìn)尺可達(dá)150～450 m，保通流量為500 m3/h左右，開挖艙壓力大部分時間在50～80 kPa浮動，在正常波動范圍內(nèi)，且變化較為平穩(wěn)，混凝土管節(jié)破除和排渣效果較好，保通環(huán)流系統(tǒng)和壓力平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

該管道更新掘進(jìn)機的成功研制和試驗應(yīng)用，實現(xiàn)了鋼筋混凝土舊管道原位破挖和新管道同步敷設(shè)一次施工成型，完成了管道更新領(lǐng)域新設(shè)備與新工法的協(xié)同創(chuàng)新突破，但由于試驗條件限制，未模擬管道的曲率半徑變化對封管器和雙球鉸傳力桿的影響，后續(xù)需進(jìn)一步對設(shè)備的轉(zhuǎn)彎調(diào)向性能進(jìn)行驗證。