劉常利，王發(fā)民，張 浩，張占勝，楊振興

(1.中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401123； 2.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458； 3.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著城市地下空間開發(fā)需求的加大，土壓平衡矩形頂管被廣泛應(yīng)用于地下人行通道、地鐵車站出入口通道、下穿城市道路的城市主干道隧道、地下管廊、城市地下商業(yè)空間開發(fā)等工程中，矩形頂管隧道具有斷面利用率高、埋深淺、不中斷地面道路交通、避免各類地下管線拆遷等優(yōu)點(diǎn)，是城市基礎(chǔ)建設(shè)中短距離隧道施工技術(shù)的發(fā)展方向[1-2]。近年來，矩形頂管隧道斷面越來越大，國內(nèi)典型的超大斷面矩形頂管工程有鄭州市紅專路下穿中州大道隧道(10.12m×7.27m)，鄭州緯四路、商鼎路下穿中州大道隧道(10.45m×7.55m)，天津新八大里黑牛城地下通道(10.4m×7.5m)[3-5]。本文依托工程嘉興市市區(qū)快速路環(huán)線工程下穿南湖大道頂管隧道開挖斷面達(dá)14.82m×9.446m，為世界上最大的三車道矩形頂管隧道。

隨著隧道斷面的增大，單個刀盤已無法滿足頂管開挖需求，10m級以上的矩形頂管普遍采用多個刀盤組合的設(shè)計(jì)方案。任亞軍[6]設(shè)計(jì)了10.8m×6.2m土壓平衡矩形頂管的5刀盤開挖系統(tǒng)，并研究刀盤在一定荷載下的應(yīng)力、應(yīng)變特點(diǎn)。賈連輝[7]提出超大斷面矩形頂管的6刀盤設(shè)計(jì)方案，并采用Fluent軟件模擬多刀盤轉(zhuǎn)動時對周圍土體的擾動和土倉內(nèi)渣土的攪拌效果。儲健等[8]設(shè)計(jì)一種矩形頂管異形多刀盤結(jié)構(gòu)，并研究其性能。趙衛(wèi)星等[9]采用離散元軟件EDEM模擬砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)過程，研究盾構(gòu)掘進(jìn)過程中土體運(yùn)動規(guī)律和受力特征。馬騰[10-11]通過數(shù)值模擬研究了砂卵石地層不同工況下的盾構(gòu)機(jī)刀具磨損特性；采用離散單元法研究不同推進(jìn)工況下刀盤切削過程中土體的流動特性及異形盾構(gòu)刀盤切削速度和推進(jìn)速度對土體流動特性的影響。Faramarzi等[12]與Lee等[13]采用離散單元法研究了土壓盾構(gòu)刀盤扭矩變化規(guī)律。

綜上所述，目前對多刀盤作用下土倉內(nèi)渣土流動特性研究欠缺，研究多刀盤作用下的渣土攪拌效果和排渣效率十分必要。本文采用離散元軟件EDEM建立多刀盤開挖模型，研究多刀盤組合下刀盤扭矩參數(shù)規(guī)律及倉內(nèi)渣土的流動特性，并驗(yàn)證14刀盤布置方案的合理性，可為今后超大斷面矩形頂管開挖系統(tǒng)設(shè)計(jì)及隧道施工提供一定依據(jù)。

1 工程概況

嘉興市市區(qū)快速路環(huán)線工程下穿南湖大道區(qū)段采用類矩形頂管法施工，隧道左、右線平行布置，凈距僅1.2m，單洞長100.5m。頂管先從南湖大道西側(cè)始發(fā)井始發(fā)掘進(jìn)左線，下穿南湖大道后拆運(yùn)至始發(fā)井再掘進(jìn)右線。頂管隧道埋深5.68～6.54m，隧道上覆土主要為雜填土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，開挖范圍內(nèi)主要為粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)粉土。隧道所處場地穩(wěn)定水位埋深為0.50～2.90m。

2 頂管多刀盤及出渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 多刀盤系統(tǒng)

本工程頂管機(jī)主機(jī)尺寸14 820mm×9 446mm，最大推力142 890kN，最大掘進(jìn)速度40mm/min。參考類似工程頂管多刀盤設(shè)計(jì)方案及應(yīng)用效果，選擇了組合旋轉(zhuǎn)刀盤設(shè)計(jì)方案。頂管多刀盤布置如圖1a所示，其中前部設(shè)置6個大刀盤(1～4，11，12號)，起高效出渣和支承穩(wěn)定掌子面作用；后部設(shè)置8個小刀盤(5～10，13，14號)，在切削土體的同時具備較好的渣土導(dǎo)流功能。各刀盤均設(shè)置3～5個攪拌棒(見圖1b)，掘進(jìn)時可對倉內(nèi)渣土起到較好的攪拌作用。刀盤具體參數(shù)如表1所示。通過對14個刀盤的合理布置，本機(jī)開挖面刀盤切削率達(dá)90%，土倉渣土攪拌率≥70%。

圖1 多刀盤開挖系統(tǒng)

表1 多刀盤開挖系統(tǒng)參數(shù)

2.2 三螺旋輸送機(jī)出渣系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)超大斷面矩形頂管掘進(jìn)過程中高效、均勻出渣，結(jié)合開挖系統(tǒng)多刀盤布置形式，設(shè)計(jì)三螺機(jī)出渣系統(tǒng)(見圖2)。在土倉底部布置3個進(jìn)渣口，掘進(jìn)過程中通過協(xié)調(diào)控制三螺旋輸送機(jī)出土量，確保土倉各區(qū)域高效、均勻出渣，并能有效控制倉內(nèi)土壓力，減小壓力波動以穩(wěn)定支承開挖面土體。

圖2 三螺旋輸送機(jī)出渣系統(tǒng)

3 模型建立及參數(shù)選取

3.1 參數(shù)標(biāo)定方法

采用離散元軟件EDEM進(jìn)行頂管土倉渣土流動性模擬，需對顆粒材料參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，主要是靜摩擦因數(shù)、滾動摩擦系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)。常用的接觸參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)有滑板試驗(yàn)、坍塌試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)及堆積角試驗(yàn)。本文主要模擬頂管土倉內(nèi)改良渣土的流動情況，施工現(xiàn)場常采用坍落度試驗(yàn)對改良渣土性能進(jìn)行評價(jià)，為盡可能與現(xiàn)場保持一致，采用坍落度模擬試驗(yàn)進(jìn)行土體接觸參數(shù)的標(biāo)定。

3.2 參數(shù)標(biāo)定模擬試驗(yàn)

已有工程實(shí)踐表明，改良渣土坍落度為10～20cm，且坍落后土體形狀規(guī)則，無明顯傾斜，則視為改良效果較好。結(jié)合本工程地質(zhì)和頂管裝備情況，改良渣土坍落度為14～20cm。本文主要對顆粒表面能進(jìn)行標(biāo)定。坍落度模擬試驗(yàn)共選取5，10，15，20J 4個值進(jìn)行模擬，模型如圖3所示。靜摩擦系數(shù)和滾動摩擦系數(shù)參考文獻(xiàn)[14]研究結(jié)果選取(見表2)，顆粒直徑為10mm，堆積密度為1 526kg/m3(土體開挖后考慮一定松散系數(shù)下的密度范圍內(nèi))。

圖3 坍落度試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表2 坍落度模擬模型參數(shù)

不同顆粒表面能參數(shù)下坍落度模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。A，B，C，D 4組模型對應(yīng)表面能依次為5，10，15，20J。由圖4可知，表面能為5J時，顆粒間黏結(jié)力較小，渣土坍落度為21.1cm，隨著表面能的增加，B，C，D 3組的坍落度越來越小，均在施工現(xiàn)場采用的坍落度范圍內(nèi)。當(dāng)表面能取15，20J時，C，D 2組模型由于顆粒間黏結(jié)力較大，試驗(yàn)過程中渣土出現(xiàn)傾倒現(xiàn)象，顆粒并非均勻向下塌落，與施工現(xiàn)場坍落度測試要求無明顯傾斜不符。綜上所述，表面能為10J時模擬結(jié)果更符合實(shí)際情況，選取該值進(jìn)行頂管倉內(nèi)渣土流動模擬。

理論上，阿里既然把盒馬鮮生視作新零售的試驗(yàn)田，就應(yīng)該瞄準(zhǔn)更廣大的民生消費(fèi)，畢竟這樣才有示范意義。但探挖盒馬鮮生目前的門店，明顯阿里缺少這樣的底氣。

圖4 不同顆粒表面能參數(shù)下坍落度模擬試驗(yàn)結(jié)果

3.3 多刀盤模型建立

根據(jù)表1中各刀盤參數(shù)及相關(guān)設(shè)計(jì)圖建立1～14號刀盤及頂管土倉模型，如圖5所示。本文主要研究倉內(nèi)渣土流動性，前部6個刀盤魚尾刀超出頂管土倉范圍，掘進(jìn)過程中深入開挖面土體中，對倉內(nèi)渣土流動影響較小，因此模型中未考慮。根據(jù)螺旋輸送機(jī)實(shí)際布置情況，在模型中土倉壁下方對應(yīng)位置按排渣口實(shí)際尺寸設(shè)置3個出口進(jìn)行出渣。按上覆土6，2m水位計(jì)算開挖面中心點(diǎn)處水土側(cè)壓力為137.92kPa(含地表車輛荷載20kPa)，在模型中設(shè)置與開挖面尺寸相同的壓力面板，模擬過程中該面板以16 964kN的恒定推力向土倉方向移動，代替開挖面土體的側(cè)壓力。

刀盤轉(zhuǎn)動方向?yàn)?，2，5，6，9，11，12，13號順時針，3，4，7，8，10，14號逆時針(見圖5)，掘進(jìn)過程中刀盤將土倉兩側(cè)渣土向土倉中部輸送。設(shè)置1～4號刀盤轉(zhuǎn)速1r/min，按表1中刀盤直徑大小比例，以直徑越小轉(zhuǎn)速越大為原則確定其他刀盤轉(zhuǎn)速：5～8號轉(zhuǎn)速為1.33r/min，9，10號轉(zhuǎn)速為1.12r/min，11，12號轉(zhuǎn)速為0.77r/min，13，14號轉(zhuǎn)速為2.67r/min，各刀盤最外側(cè)線速度相等，均為0.188m/s。

圖5 刀盤及土倉三維模型

4 模擬結(jié)果分析

4.1 渣土流動狀態(tài)模擬結(jié)果

以前部6個刀盤切削面為基準(zhǔn)面(x=0m，向土倉內(nèi)部方向?yàn)檎?，分析不同土倉內(nèi)不同剖面處渣土流動情況，如圖6所示。

圖6 土倉不同剖面處渣土流動趨勢

由圖6a可知，在開挖面附近，前部6個刀盤攪拌范圍內(nèi)渣土流動較快，刀盤最外側(cè)區(qū)域流速最大，越靠近刀盤中心流速越小。刀盤中線兩側(cè)區(qū)域渣土流動存在一定差別，11，12號刀盤右側(cè)部分渣土流速明顯大于左側(cè)，原因是11，12號刀盤順時針旋轉(zhuǎn)，其左側(cè)渣土流動方向與重力方向相反，渣土流速有所減小，同理1～4號刀盤兩側(cè)渣土流速分布規(guī)律相同。

由圖6b可知，在x=0.3m處，后部8個刀盤的攪拌作用有所體現(xiàn)，土倉內(nèi)絕大部分渣土處于流動狀態(tài)，總體流動規(guī)律與x=0m處一致。在距開挖面0.6m處(見圖6c)，前部6個刀盤的攪拌作用有所減弱，主要由刀盤背部的攪拌棒起攪拌作用，1～4號刀盤外側(cè)與盾殼間區(qū)域內(nèi)的渣土流速顯著降低，而在中部刀盤重疊區(qū)域內(nèi)的渣土流速仍然較大。

由圖6d可知，在x=0.9m處，即土倉后部，土倉左、右兩側(cè)1.5m范圍內(nèi)的渣土流速較低，11，12號刀盤左側(cè)部分區(qū)域也是如此，原因有2方面：①距前部6個刀盤較遠(yuǎn)，攪拌棒攪拌作用有限；②刀盤攪動方向與渣土重力方向相反，攪拌效果被抵消。該剖面處后部8個刀盤的攪拌效果較好，刀盤覆蓋范圍內(nèi)的渣土流速較大。在土倉下部3個出渣口區(qū)域，渣土流速較大。綜合4個剖面處的渣土流動趨勢可知，土倉中部區(qū)域渣土流動性好于土倉兩側(cè)區(qū)域，2號與6號刀盤、12號與7號刀盤、3號與7號刀盤間均形成了一定寬度并連通出渣口的高速排渣通道，前、后2排刀盤的設(shè)計(jì)方案較合理。

4.2 刀盤扭矩模擬結(jié)果

圖7 刀盤扭矩變化曲線

各刀盤在5～30s扭矩穩(wěn)定階段平均值如表3所示。由圖7和表3可知，土倉左側(cè)13，9號刀盤安裝高度相同，9號刀盤直徑是13號的2.4倍，而9，13號刀盤扭矩均值分別為293.15，41.77kN·m，前者約為后者的6.7倍；安裝高度相近的11，1號刀盤，前者直徑是后者的1.3倍，扭矩是后者的1.6倍。由此可見，刀盤直徑對扭矩影響較大，且直徑增加倍數(shù)越大，扭矩增大倍數(shù)也越大。

表3 在5～30s 1～14號刀盤扭矩平均值

對于相同直徑的刀盤，安裝在土倉下部的12號刀盤扭矩均值為719.62kN·m，上部的11號刀盤扭矩均值則為358.26kN·m，前者約是后者的2倍。同樣，1～4號刀盤安裝在土倉下部的扭矩是土倉上部的1.6倍左右，5～8號刀盤安裝在土倉下部的扭矩是土倉上部的2倍左右。因此，安裝位置對刀盤扭矩的影響也較大，原因是土倉下部渣土壓力較大，對刀盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了更大阻力。

4.3 排渣速率模擬結(jié)果

本文未建立螺旋輸送機(jī)模型，因此在模擬過程中各出渣口排渣處于無限制狀態(tài)，排渣速率大小反映該出渣口所在區(qū)域刀盤對渣土的攪拌和輸送效果。30s內(nèi)各出渣口排渣速率變化曲線如圖8所示。

圖8 各出渣口排渣速率變化曲線

由圖8可知，各出渣口排渣速率在0～4s逐漸增加，之后隨著刀盤的攪拌在一定范圍內(nèi)波動。1～3 號出渣口在4～30s的平均排渣速率依次為269.65，169.71，274.94kg/s，3個出渣口的總排渣速率為42.86t/min。土倉兩側(cè)的1，3號排渣速率約為中部2號出渣口的1.6倍，即土倉兩側(cè)區(qū)域渣土排渣效率高于土倉中部。

根據(jù)出渣口及刀盤布置形式，判斷影響排渣速率的因素為出渣口周邊刀盤布置形式。由圖5和圖6d可知，1號出渣口兩側(cè)布置的2，6號刀盤輻條均對2個出渣口有一定覆蓋，且6號刀盤所在平面距出渣口較近，2個刀盤均可將渣土直接輸送至出渣口，土倉右側(cè)的3號出渣口同樣如此。由圖6d可知，僅有12號刀盤可直接將渣土輸送至2號出渣口，因此排渣速率相對較低。

5 現(xiàn)場施工參數(shù)分析

5.1 土倉內(nèi)渣土黏結(jié)情況

頂管土倉內(nèi)渣土黏附情況如圖9所示。由圖9可知，土倉左、右兩側(cè)黏附較多渣土，黏附位置與模擬結(jié)果一致，說明頂管實(shí)際掘進(jìn)過程中土倉兩側(cè)區(qū)域渣土流動性較差，上述區(qū)域渣土改良效果也會受到一定影響。在土倉底部6號與12號刀盤間、7號與12號刀盤間的2處區(qū)域也黏附有少量渣土，也與模擬結(jié)果一致。這2處區(qū)域?yàn)榈侗P開挖盲區(qū)，且又在土倉底部，因此掘進(jìn)過程中渣土難以有效與泡沫改良劑混合，渣土受到擠壓并黏結(jié)在土倉壁上。土倉上部的開挖盲區(qū)未出現(xiàn)渣土黏結(jié)現(xiàn)象，主要是渣土黏附力小于自重，掘進(jìn)過程中渣土在自重作用下具有一定流動性。

圖9 頂管土倉內(nèi)渣土黏附情況

5.2 刀盤扭矩

選取頂管在北線18環(huán)掘進(jìn)時的刀盤扭矩監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析(見圖10)，刀盤實(shí)際轉(zhuǎn)動方向與本文模擬工況相同。由圖10可知，在頂管掘進(jìn)前各刀盤均已開始轉(zhuǎn)動，該階段刀盤未切削開挖面且土倉內(nèi)均為改良后的渣土，因此扭矩相對較?。豁敼芫蜻M(jìn)恢復(fù)后，刀盤開始切削開挖面土體，土倉中持續(xù)混入未改良的渣土，所以各刀盤扭矩均有所增大。在掘進(jìn)恢復(fù)3～4min后刀盤扭矩緩慢減小，原因是在刀盤攪拌一定時間后倉內(nèi)渣土整體處于流動狀態(tài)，渣土改良效果達(dá)到最佳，降低了對刀盤轉(zhuǎn)動的阻力。

圖10 刀盤實(shí)際扭矩變化情況

頂管掘進(jìn)階段刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示，刀盤扭矩模擬值與實(shí)際值對比如圖11所示。由表4可知，本段掘進(jìn)過程中刀盤轉(zhuǎn)速小于模擬值，除9，10號刀盤轉(zhuǎn)速偏小外，其他刀盤轉(zhuǎn)速大小分布基本與模擬工況一致，即直徑越大轉(zhuǎn)速越小。由圖11可知，部分刀盤扭矩實(shí)際值與模擬值基本相同，由于刀盤實(shí)際轉(zhuǎn)速小于模擬值，且轉(zhuǎn)速越大扭矩越大，因此扭矩模擬值偏大。但從1～14號刀盤扭矩分布規(guī)律來看，2，3號刀盤扭矩約為1，4號的2倍，12號為11號的1.5倍，9號為13號的4.1倍，與模擬結(jié)果得到的不同刀盤扭矩比例相吻合，說明本文模擬結(jié)果可較好地反映實(shí)際施工規(guī)律。

表4 實(shí)際掘進(jìn)階段刀盤扭矩平均值

圖11 刀盤扭矩模擬值與實(shí)際值對比

5.3 排渣速率

根據(jù)該環(huán)實(shí)際掘進(jìn)過程中的頂推油缸行程計(jì)算得到頂管掘進(jìn)21.25min內(nèi)前進(jìn)了397mm，頂管開挖面積為123m2，計(jì)算隧道范圍內(nèi)2種土層的平均重度為19.11kN/m3，該段掘進(jìn)共產(chǎn)生渣土93.32t，排渣速率4.39t/min(忽略泡沫改良劑質(zhì)量)。本文模擬工況3個出渣口在無約束狀態(tài)下排渣速率為42.86t/min，約為實(shí)際值的10倍，是頂管最大設(shè)計(jì)掘進(jìn)速率(40mm/min)下排渣需求9.43t/min的4.5倍。因此，在頂管14個刀盤的組合攪拌下，土倉內(nèi)渣土將被高效輸送至出渣口排出，完全滿足掘進(jìn)過程中的排渣需求，確保頂管高效掘進(jìn)。

6 結(jié)語

1)本工程頂管刀盤采用前6后8的布置形式，掘進(jìn)過程中，相鄰前、后排刀盤對渣土的攪拌作用起到疊加效果，在土倉內(nèi)形成多個高速排渣通道，可有效提高渣土輸送效率。土倉后部存在多處渣土流速較慢部位，主要集中在土倉兩側(cè)和中部靠左區(qū)域內(nèi)，上述部位渣土改良效果將難以保障，且易出現(xiàn)渣土擠壓成塊、黏附土倉壁問題，這一點(diǎn)從頂管接收后土倉內(nèi)渣土實(shí)際黏附情況得到證實(shí)。

2)刀盤直徑和安裝位置對刀盤扭矩影響較大，安裝高度相同時，刀盤扭矩隨刀盤直徑的增大而增大，而相同直徑的刀盤，安裝在土倉下部的刀盤扭矩是土倉上部的1.5倍以上。通過統(tǒng)計(jì)對比實(shí)際掘進(jìn)過程中的刀盤扭矩發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與實(shí)際刀盤扭矩分布規(guī)律基本一致。

3)在本文模擬中，土倉下部3個出渣口無約束狀態(tài)下，頂管兩側(cè)出渣口得益于周邊2個刀盤的覆蓋，排渣速率較大，約為中部排渣口的1.6倍。在14個刀盤組合攪拌下，3個出渣口在無約束條件下的總排速率達(dá)42.86t/min，本工程頂管的14刀盤開挖系統(tǒng)和3出渣口設(shè)計(jì)完全滿足頂管最大設(shè)計(jì)掘進(jìn)速率下的排渣需求。