为了预防地铁事故中人员疏散困难, 各个城市开始在地铁内部修建旁通道。旁通道一般在地铁工程上下行线隧道区间设置, 以便在地铁运营中, 当其中1条区间隧道发生火灾或者意外事件时, 乘客下车后, 可立即通过设置的旁通道, 安全地疏散至另1条隧道。

地铁隧道中的旁通道有2种:靠近车站端部的旁通道主要是为了地铁活塞通风使用;靠近区间中部的旁通道主要是为了在地铁发生事故时供乘客撤离事故区间和消防队员进入事故区间使用。在地铁工程中对钢筋混凝土桩切削的研究比较成熟, 对于旁通道管片切削问题研究比较少。魏林春^[1]采用行星刀盘方顶管对不同强度等级的混凝土试块进行全断面切削试验, 研究表明通过降低顶管切削范围内的管片部分混凝土强度等级, 同时采用玻璃纤维筋替换局部钢筋, 可解决目前研制的专用顶管机切削常规C60混凝土管片的问题。王飞等^[2]研究切桩时推速的波动幅度较大, 容易造成刀具合金崩裂, 建议推速设定值≤2mm/min。顾沉颖^[3]针对盾构法隧道联络通道施工中存在的风险, 提出顶管直接切削新型管片联络通道新工艺 (NOMJS) 。傅德明^[4]研究了盾构直接切削钢筋混凝土桩, 表明盾构切削桩基过程中推进速度宜缓慢, 盾构设定土压、推力、刀盘扭矩宜稳定, 并且应向土舱内添加润滑减磨材料, 以防止混凝土试块堵塞螺旋输送机。陈向科等^[5]研究了采用顶管法建造地下旁通道的施工工艺, 不仅可以消除采用冻结法建造后的许多麻烦, 而且具有工期短、经济效益好等优点。滕丽^[6]在对盾构穿越地下障碍物的研究中得出, 加混凝土削解剂可提高切削的效率, 减少刀具磨损;另外, 一定要针对障碍物的情况进行刀具的配置, 宜在面板上增加一定数量的先行刀和贝壳刀。

本文研究的地铁旁通道采用机械式暗挖法施工, 在上、下行线隧道内部使用顶管机对隧道管片进行切削作业。相比其他方法, 顶管法具有工期短、经济效益好、对施工环境及工程自身后期影响小的特点, 且顶管法适用于黏性土层。为了寻找一种安全可靠的盾构切削旁通道的管片, 设计了一种能够顺利切削旁通道管片的盾构刀头, 并寻求最佳的刀盘布置形式。

使用1.35m×1.45m偏心多轴十字刀刀盘全断面切削的矩形顶管试验机对已安装好的试验管片进行切削, 通过研究切削后试验管片的破坏情况, 考察偏心多轴十字刀刀盘的切削效果。

1) 通过模拟推进试验, 验证偏心多轴十字刀刀盘矩形顶管机切削旁通道管片的可行性。

2) 通过顶管机分别切削C40陶粒纤维混凝土管片和C40复合骨料纤维混凝土管片的试验, 观察刀具磨损的状况, 研究合理的刀盘形式与配置。

3) 通过模拟推进试验, 确定最佳的推进速度和刀盘转速, 并研究混凝土管片可切削性能施工参数 (推力、推进速度、刀盘转速、刀盘扭矩) 之间的关系。

4) 切削试验过程中, 各工况根据顶管机机头的抖动情况以及十字刀刀盘切削时的状态, 确定最佳的刀盘负载率。

整个试验装置由模拟盾构、顶管机后靠、推进油缸、防抖框、管片固定支架、刀盘驱动、刀盘、管片等组成。模拟试验机四周安装有顶管机固定框架, 以防止顶管机切削管片过程中自身的抖动。推进过程中为防止顶管机发生偏移, 底部钢板上固定防抖框, 防抖框与顶管机之间用滚动滑轮连接;管片后支座为框架式, 仅与管片四周预埋钢板相连。为防止顶管机切削管片的过程中十字刀刀盘的温度过高, 在刀盘后安装了6个喷水管, 以便能够均匀地降低十字刀刀盘的温度。

为了使顶管机更好地切削旁通道管片, 参考国内外工程实例, 对顶管机进行了改进设计, 提高了顶管机切削管片的能力。

1) 该顶管机采用4个偏心刀盘驱动, 驱动形式为液压驱动无极速调速, 每个刀盘的额定扭矩为16.34k N·m, 总的额定扭矩为65.36k N·m。盾构机的最大推力为1 000k N, 开挖尺寸为1.35m×1.45m。

2) 刀盘针对性地配置了32把多刀片十字刀, 每把十字刀由1个长刀片和6个短刀片组成。在刀盘结构中, 由于十字刀向外凸出的长度由中间向四周逐渐减小, 所以同一时刻管片中间部位的切削深度比四周要大。

根据相关参考文献已知, 粗骨料是影响混凝土可切削性能的关键因素。使用2种不同粗骨料的混凝土管片, 即C40陶粒纤维混凝土管片、C40复合骨料纤维混凝土管片, 通过比较这2种管片的可切削性能, 选择1种最合适的管片为地铁旁通道做参考使用。

试验管片的尺寸为外径6 200mm, 内径5 500mm, 环度1 200mm, 厚350mm;传统管片连接件采用钢质材料, 不易切削, 本试验的2个管片采用2块B型标准块的一半拼装组成, 由改性尼龙纤维螺栓连接, 试验其切削性能;管片端部预埋20mm厚钢板 (见图1) 。

试验初期切削管片上形成了许多与十字刀刀头相似的圆锥体, 十字刀在切削管片时是从圆锥体的四周向中间逐渐切削, 并且管片上每个圆锥体间的距离和对应的十字刀刀间的距离相同;试验中期切削管片上有横向和竖向排列的玻璃纤维筋, 玻璃纤维筋有被磨损的情况;试验管片底部可以有效地被切削, 并且管片底部的切削深度比管片中间部位要浅;试验末期, 改性尼龙螺栓被磨损和2个管片被拉开, 偏心多轴十字刀刀盘能够有效地切削C40陶粒纤维混凝土管片。

试验结束后混凝土受十字刀的挤压而损伤破坏, 且以粉末状存在;玻璃纤维筋受十字刀的剪切而破坏, 在其上可明显看到切割的痕迹, 切断的长度各不相同, 为0~30cm, 宽度在4cm左右, 其中切割长度在11~20cm的最多。切削过程中, 个别的玻璃纤维筋长约80cm, 出现该状况是因为玻璃纤维筋没有被周边混凝土完全牢固包裹, 使十字刀还未切削就已掉落。切下的玻璃纤维筋各区段长度及其所占百分比分别如图2, 3所示。

顶管机在切削该管片的过程中, 十字刀产生了较多的合金损伤, 试验完成后共发现11个十字刀刀头崩缺。崩缺的刀头均是短刀片的刀头, 长5~7cm, 宽约5cm, 位于十字刀侧面与上面拐角处, 以三角形状态存在。刀头崩落的原因:在切削管片的过程中由于顶管机机头的抖动使十字刀不能正面地接触管片, 而使十字刀的侧面刀头与管片碰撞导致崩缺;电动缸推进速度不稳定使十字刀受到较大的正面和侧面冲击。

导出采集系统数据, 然后绘制成相应的曲线图, 并分析刀盘转速、刀盘扭矩、电动缸推进速度、电动缸推进总推力。由于刀盘转速是经过现场直接测出的, 基本稳定在2~3r/min, 因而不能够绘制成相应的曲线图。

试验时向前推进电动缸, 试验过程中如果电动缸一直保持一定的推进速度向前切削管片, 则会卡住刀盘, 并且十字刀磨损严重。于是在实际切削管片时, 当十字刀刀盘的负载率达到25%左右时, 电动缸便停止推进一段时间, 仅十字刀切削管片。待十字刀刀盘的负载率<10%时, 十字刀切削管片的同时再推进电动缸。

电动缸推进速度为0.8mm/min、刀盘转速为2.5r/min时, 电动缸总推力和十字刀刀盘扭矩在电动缸推进过程中随时间的变化曲线如图4所示。由图4可知, 在电动缸推进过程中总推力和扭矩均具有一定的周期性并呈波浪式上升。在该过程中总推力最大值为174.42k N, 为额定推力的17.44%;扭矩最大值为17.27k N·m, 为额定扭矩的26.42%;扭矩平均值为11.67k N·m。

由上述分析可知, 在慢速切削C40陶粒纤维混凝土管片的过程中, 偏心多轴十字刀刀盘矩形顶管机的额定推力、额定扭矩能同时满足切削该管片的要求, 但应注意在十字刀磨损严重情况下的控制。

1) C40复合骨料纤维混凝土管片的切削过程分析管片的切削面更加粗糙, 十字刀切削时更加费力且十字刀的磨损也更加严重。对于C40复合骨料纤维混凝土管片, 十字刀的磨损不仅出现在短刀片上, 同时十字刀侧面和上面均有严重的磨损。

每次推进过程中, 左、右侧电动缸的推力变化趋势相反, 即左侧电动缸推力达到最大值时, 右侧电动缸推力最小。另外, 电动缸推进速度越大时, 其推力变化越快;偏心多轴十字刀刀盘转速越大时, 其扭矩变化越明显。

比较C40陶粒纤维混凝土管片的切削过程, 该管片在切削时电动缸推进的时间 (同推进速度下) 更短, 停歇的时间更久;并且当十字刀刀盘的负载率达到25%时, 顶管机机头的抖动更加剧烈, 十字刀切削C40复合骨料纤维混凝土管片时发出的摩擦声更高。

2) 切削参数统计与分析推进速度0.8mm/min、刀盘转速2.5r/min时, 电动缸总推力和刀盘扭矩在电动缸推进过程中随时间的变化曲线如图5所示。在推进切削C40复合骨料纤维混凝土管片过程中, 总推力最大为211.14k N, 为额定推力的21.11%, 扭矩最大为26.52k N·m, 为额定扭矩的40.58%, 扭矩平均值为15.32k N·m。

由上述分析可知, 偏心多轴十字刀刀盘矩形顶管机在能满足正常切削C40复合骨料纤维混凝土管片的情况下, 与切削C40陶粒纤维混凝土管片相比, 电动缸总推力最大值、刀盘扭矩最大值以及平均值均变大。另外, 切削C40复合骨料纤维混凝土管片的电动缸总推力增长率、刀盘扭矩增长率均比切削C40陶粒纤维混凝土管片大。

3) 管片可切削性的比较由于不同管片的组成成分不同, 在顶管机切削管片的过程中刀盘扭矩变化率K₂和总推力变化率K₁均不同, 现将两者的比值S作为衡量管片可切削性能的指标, 即:

对于不同管片的可切削性, 当S值越大时, 说明该管片越难切削;反之, 越容易切削。在本次试验过程中, C40陶粒纤维混凝土管片的可切削性S=0.022 4/0.411 9=0.054, C40复合骨料纤维混凝土管片的S=0.071, 所以C40复合骨料纤维混凝土管片更难切削。

工程试验中该顶管机的实际刀盘尺寸为2.2m×2.4m, 开挖尺寸为2.7m×2.9m, 开挖面积是模拟试验机的4倍, 刀盘额定扭矩为330k N·m, 驱动功率为45k W, 进行齿形密封;1个0.275m×2.07m中轴式螺旋输送机, 其最大出渣能力为10m³/h, 额定扭矩为5k N·m, 驱动功率为45k W;由6根油缸组成主顶系统, 其工作压力为10MPa, 油缸行程为1.5m, 总推力为6 000k N;调向纠偏系统有8根调向油缸, 每根铰接油缸行程为1.5m, 工作压力为32MPa, 最大承压力为6bar (1bar=0.1MPa) 。

由于该实际工程中刀盘的开挖面更大, 所以在保证切削效果均匀性的同时刀盘结构中的十字刀为80把。实际管片的尺寸和模拟试验中管片尺寸相同, 即为外径6 200mm, 内径5 500mm, 厚度350mm。实际刀盘布置如图6所示。

1) 提出管片的可切削性能指标S, 作为衡量管片切削的难易程度。

2) 通过比较2种管片的可切削性S、总推力最大值及其增长率、扭矩最大值及其增长率和十字刀的磨损情况, C40陶粒纤维混凝土管片更适合地铁旁通道使用。

3) 由于切削管片的过程中, 电动缸实际推进速度的不稳定性以及推进过程中顶管机机头的抖动, 容易造成十字刀侧面和上面转角处短刀片的崩缺, 因此在实际工程中需要对该处的刀具进行改进。

4) 考虑到顶管机机头的抖动以及十字刀的磨损, 顶管机在切削管片的过程中刀盘的负载率宜≤25%。由于电动缸推进速度越快, 电动缸推力的变化和刀盘扭矩的变化越大, 电动缸的推进速度宜≤1mm/min;另外, 刀盘转速越大, 刀盘扭矩的变化越明显, 故刀盘转速宜≤3r/min。