自行走式掘进机增阻力与增阻块撑出面积关系研究

卢清国，马俊朋，张延钦

(北京工业大学建筑工程学院，北京 100022)

0 引言

随着我国经济的高速发展，城市化水平也在快速提高，向地下发展已成为城市发展的必然趋势，是扩增城市空间的最佳途径［1］。随着地下空间开发力度不断加大，环境保护意识及生活质量的提高，传统的矿山法正逐步被盾构和顶管等机械施工法所取代。盾构和顶管是目前应用比较广泛的机械施工方法［2－4］，但这2种新型施工技术也存在着一些不足和局限，如转弯不够灵活，必须依赖后方人工构筑物才能前进等，这使得城市地下管网建设和地下空间开发受限［5］。因此，目前急需一种可自由穿行于城市地下土体，并具备空间急曲线转弯、自行走功能的隧(管)道施工技术和相应的设备［6］。

在自行走式掘进机的研究方面，卢清国［7］首先提出利用工具管外侧设置的增阻撑起装置与周围土体紧密接触所提供的反力，调节安装在掘进机内侧圆周上液压缸组的不同侧向推力，在常规挖土设备配合下，使掘进机在土体中自行进开挖形成一条小半径曲线式隧道，并获得国家发明专利授权。杨海滨［8］、张延钦［9］和王庆学［10］就自行式掘进机增阻参数，转弯反力与增阻块高度、环数的关系以及小型样机现场试验作了初步研究。

本文依托“十一五”国家科技支撑计划重点项目课题“城市市政隧(管)道自行走式施工技术和装备研究与开发”进行实施性研究，为自行走式隧道施工装备的基本功能实现的重要研究内容，并结合样机现场试验和模型试验，获得了掘进机增阻力和增阻块撑出面积的关系。

1 试验概况

1.1 掘进机的构成特征

在室内试验研究的基础上，为室外试验制造了一台由4节组成的自行走式掘进机样机。第1节为切削掘进节，通过前端的刃脚切削土体前进;第2和第3节为驱动行走节，沿周向各布置64块和96块增阻块，利用增阻块撑起后与周围土体紧密啮合产生的嵌入摩阻力提供掘进机前行反力;第4节为支护节，可在其内拼装支护管片，为开挖的隧道提供支护。

1.2 自行走式掘进机的行走原理

土中自行走式掘进机自行走的原理是:1)第2节增阻块撑起嵌入土中产生与其相邻各节前行的反力。首先，使连接1和2节之间的液压缸执行推动作，使切削掘进节处的刃脚切入土层，切削土体前进;完成此动作后，利用连接2和3节之间的液压缸执行拉动作，拉动第3节与第2节靠拢。2)缩回第2节增阻块，使第3节增阻块撑起，仍利用连接2和3节之间的液压缸，推动第2节与第1节靠拢，然后拉动第4节与第3节靠拢。完成一个掘进自行走循环。随着掘进机向前行走，在第4节的尾部拼装PE中空壁缠绕管的管片，形成一个成形隧道。

2 增阻块撑出高度数据采集

2010年10—12月，在辽宁省灯塔市郊区进行了自行走的原理性现场试验，掘进机始发于一高约4 m的土坎下，开始原理性试验。

2.1 增阻块撑出的横轴向面积

增阻块长度为掘进机纵向方向，宽度为掘进机切向方向，撑出方向为高度方向。每块增阻块的撑出面积可由每块增阻块的宽度与撑出高度的乘积来计算，每块增阻块的宽度设计为12 cm，增阻块的撑出高度由安装在增阻块侧面的测绳测量，测绳通过工具管管壁上的钻孔伸入管内，首先测出未充气状态下(增阻块在原位时)测绳在工具管内的长度，然后测出在某一气压下(增阻块升起一定高度时)测绳在工具管内的长度，就可计算出在某一气压下增阻块的撑起高度。

2.2 增阻块增阻力

掘进机工具管前进时推力的大小由1和2节、2和3节之间的液压管路上的液压值换算得到。工具管在执行动作时，读取匀速动作时的液压表稳定读数，然后换算得出工具管执行动作时的推力或拉力值。

3 现场试验数据分析

在自行走式隧道掘进机掘进过程中，与机器接触的土体为2种状态，即:经增阻块撑起扰动和未经增阻块撑起扰动。自行走式隧道掘进机第1节切削土体前进后，第2节第1环通过时土体处于未经增阻块撑起扰动过的状态。当增阻块撑出后挤压土体，土体被压密或部分土体掉落，以后各环再通过时土体均处于经增阻块撑起后扰动过的状态。在机器进洞初期，第2节增阻块未撑起，第3节行至此处时可近似认为土体处于未经增阻块撑起扰动过的状态。

在自行走式隧道掘进机行进试验过程中，分别测出了在不同增阻块撑起高度下掘进机行进时液压缸产生的推力，通过换算成增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积，就可得知增阻块提供的推力大小。土体未经增阻块撑起扰动状态下测得数据如表1所示。

在增阻块多次撑起后的扰动状态下，增阻块的推力有所降低，测得数据如表2所示。

表1 土体未经增阻块撑起扰动状态下不同增阻块撑出面积提供的推力试验数据Table 1 Testing data of thrust provided by different launching-out area of resistance blocks before launching out of resistant block

表2 增阻块多次撑起后的扰动状态下不同增阻块撑出面积提供的推力试验数据Table 2 Testing data of thrust provided by different launching-out area of resistance blocks after launching out of resistant block

根据2种状态下的试验数据，可以分别得出增阻块提供的推力、增阻块起到的增阻作用与不同增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积的关系，如图1和图2所示。

从图1可以看出:土体经增阻块撑起扰动前、后增阻块提供的推力与增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积大致呈线性关系，即随着增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积的增大而增大。经增阻块撑起扰动前，增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积每增加0.001 m2，增阻块提供的推力大约增加1.85 kN;扰动后，增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积每增加0.001 m2，增阻块提供的推力大约增加1.54 kN。经增阻块撑起扰动后与经增阻块撑起扰动前相比，相同增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积，增阻块提供的推力降低28.5%左右。

从图2可以看出，增阻块起到的作用与增阻块在管轴垂直方向的投影面积也大致呈线性关系。经增阻块撑起扰动前，增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积每增加0.001 m2，增阻块起到的增阻作用大约增加0.004 9 MPa;经增阻块撑起扰动后，增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积每增加0.001 m2，增阻块起到的增阻作用大约增加0.004 3 MPa。同理，相同增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积，增阻块起到的增阻作用在经增阻块撑起扰动后比经增阻块撑起扰动前降低27.7%左右。

4 现场试验与实验室试验结果对比

2008年11—12月，为设计和加工自行走式掘进机现场小型样机提供指导，特设计和加工了1台小型样机功能节的缩比例尺模型。通过改变增阻块撑出面积(高度)、环数、每环个数、扰动长度，在试验室内进行了四因素、四水平的正交试验，如图3所示。通过试验，找出了影响增阻块推力的主要因素，并得出了增阻块提供的推力与不同增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积的关系如图4所示。

从图4可以看出，增阻块提供的推力与增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积也大致呈线性关系。扰动前，增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积每增加0.001 m2，增阻块提供的推力大约增加0.086 kN;扰动后，增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积每增加0.001 m2，增阻块提供的推力大约增加0.043 kN。扰动后与扰动前相比，相同增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积，增阻块提供的推力降低约29.3%。

综合图1、图2和图4可知，增阻块提供的推力、增阻块起到的增阻作用随着增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积的增大而增大，大致呈线性关系。

5 结论与讨论

1)自行走式隧道掘进机小型样机现场试验与试验室相似模型试验得出的增阻块提供的推力、增阻块起到的增阻作用与增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积的关系有相似性和一致性，现场试验验证了相似模型试验得出的规律。

2)现场试验与相似模型试验所得出的增阻块提供的推力与增阻块撑出时在管轴垂直方向的投影面积的关系为近似正比例关系，可在增阻结构的初步设计中作为参考。

3)上述2种试验是在粉质黏土层中进行的，由于自行走式掘进机增阻块发挥作用与土层的土性有密切关系，故结论不能广泛适用于其他土层，对其他土性的土层应作进一步试验研究。

4)可对其他影响增阻块提供推力的因素进行下一步分析研究，包括土体土性，掘进机的覆土高度等。

［1］ 钱七虎.迎接我国城市地下空间开发高潮［J］.岩土工程学报，1998，20(1):112－113.

［2］ 钱七虎，李朝甫，傅德明.隧道掘进机在中国地下工程中应用现状及前景展望［J］.地下空间，2002，22(1):1－11，93.(QIAN Qihu，LI Chaofu，FU Deming.The present and prospect of application of tunnecer in China’s underground engineering［J］.Underground Space，2002，22(1): 1－11，93.(in Chinese))

［3］ 周文波.盾构法隧道施工技术及应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［4］ 韩选江.大型地下顶管施工技术原理及应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［5］ 颜纯文，蒋国盛，叶建良.非开挖铺设地下管线工程技术［M］.上海:上海科学技术出版社，2005.

［6］ 卢清国.长距离隧道自驱动前行的可行性［C］//中日第三届盾构隧道技术交流会论文集.东京:东京早稻田大学，2005.

［7］ 卢清国.自行走隧管道掘进机筒体外周的增阻部件:中国，CN 101761342 A［P］.2010－06－30.

［8］ 杨海滨.一次增阻扰动后土中自行走式掘进机增阻参数的试验研究［D］.北京:北京工业大学建筑工程学院，2009.

［9］ 张延钦.自行走式掘进机转弯反力与增阻块高度、环数关系的研究［D］.北京:北京工业大学建筑工程学院，2011.

［10］ 王庆学.自行走式掘进机小型样机现场试验研究［D］.北京:北京工业大学建筑工程学院，2010.