喬華山，楊述起，張志勇，王中兵

(上海廣聯(lián)建設發(fā)展有限公司，上海 200438)

矩形箱涵拉頂式施工中掘進機頭拉力的計算

喬華山，楊述起，張志勇，王中兵

(上海廣聯(lián)建設發(fā)展有限公司，上海 200438)

系統(tǒng)地介紹了矩形箱涵拉頂式施工中，掘進機頭軸線方向的傾側糾偏、機頭頂進間歇防回縮所需的拉力的計算方法，并通過工程實例印證。根據(jù)理論分析和相應的計算公式可以得出矩形箱涵采用“拉頂式”工藝施工時，在其接受井內(nèi)配置的拉力較為精確的計算結果，并能滿足實際工程的需要。

矩形箱涵;掘進機;拉頂結合施工;頂管;拉進

1 地下箱涵拉頂式施工方法簡介

在常見的地下箱涵頂管施工中，機頭向前掘進的力是由工作井內(nèi)的頂進油缸來提供的。而在頂進過程中機頭產(chǎn)生傾轉、偏轉主要靠機頭與糾偏段之間的糾偏油缸來完成的。頂進間歇防止機頭的回縮是靠工作井內(nèi)的止退裝置來完成的。一般來講，整個掘進機機體相對較長，糾偏的頻繁度也較高。

地下箱涵拉頂式施工新工藝是針對復雜環(huán)境開發(fā)的一種新工藝方法。是近年來開發(fā)的一種施工技術，具有可在工作面積狹小的環(huán)境條件施工、施工對環(huán)境影響較小、導向精度高等優(yōu)點。其工藝是現(xiàn)代頂管施工技術的一種創(chuàng)新和補充，是非開挖地下箱涵施工的一種新的技術手段［1］。

采用拉頂式施工需要的施工設備及附屬配套裝置較多，主要有水平定向鉆機、拉進千斤頂、鋼拉索、掘進機頭、頂進千斤頂、拉頂同步液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)等［2］。

一般情況下，地下箱涵的鋪設采用拉頂式施工時，機頭掘進所需的動力由工作井內(nèi)的頂進油缸來提供，而機頭傾轉、偏轉的糾正、機頭頂進間歇回縮控制即機頭的導向控制是由機頭前方接受井的拉力來完成的［1］。

2 機頭拉力的理論計算

地下箱涵的鋪設采用拉頂式施工時，拉進力對掘進機頭起到糾偏、導向、防退縮的作用。因此，拉力可用下式表示:

式中:F——機頭的拉力;F1——機頭上下側傾單點糾偏拉力;F2——機頭左右側傾單點糾偏拉力; F3——刀盤切削力引起機頭偏轉單點糾偏拉力; F4——單點克服迎面阻力引起機頭回縮的拉力; n——機頭前方拉力錨座(拉力點)總數(shù)量。

拉力克服了F1就能滿足機頭上下傾側糾偏的需要，克服了F2就能滿足左右傾側糾偏的需要，克服了F3就能滿足機頭偏轉糾偏的需要，而在施工中，以上力同時存在。拉力克服了F4就能滿足機頭回縮的需要。因此拉力只有滿足式(1)，才能滿足糾偏、導向、防退縮的需要。

刀盤的切削力無論多刀盤或單個大刀盤與多個小刀盤的組合，由于可采用刀盤的轉速、旋轉方向的調(diào)節(jié)，其切削力對機頭傾轉、偏轉的影響相對較小，事實上只要拉力滿足F1、F2的需要，同時又滿足式(1)的要求，拉力就可確定了。因此，F(xiàn)3在分析時將不予考慮，下面針對F1、F2、F4進行研究。

矩形箱涵的鋪設采用拉頂式施工時，在機頭前端不阻礙刀盤正常工作的適當位置上設置拉力錨座。拉力錨座的設置原則為:所有拉點的拉力同時作用時，以機頭的水平中心線為轉軸所受的拉力矩和以機頭垂直中心線為轉軸所受的拉力矩相平衡［2］。本文計算所需的拉力錨座設置點的位置以文獻［2］為模型。

2.1 校正機頭上下側傾偏移所需的單點拉力F1

機頭在掘進過程中會產(chǎn)生上下側傾偏移。只有當拉力產(chǎn)生的校正力矩大于機頭掘進中的阻抗力矩，機頭才能被糾偏校正。一般大型掘進機最大糾偏角度為2°左右。在機頭最大偏移情況下，上下偏移糾偏時機頭的受力模型如圖1。

圖1 上下糾偏時機頭受力模型

機頭上下偏移時，在不計機頭浮力的情況下，顯然下偏移產(chǎn)生的校正阻抗力矩較大，因此只計算下偏移產(chǎn)生的校正阻抗力矩。根據(jù)圖1分析可得機頭下偏移時產(chǎn)生的校正阻抗力矩，由以下力矩合成:

(1)機頭自重產(chǎn)生的阻抗力矩:

式中:MGC——機頭自重產(chǎn)生的阻抗力矩;G——機頭質量;L1——機頭重心到糾偏旋轉軸線的距離。

(2)側面土壓摩阻力產(chǎn)生的阻抗力矩:

式中:MFEHC——側面土壓摩阻力產(chǎn)生的阻抗力矩; PEh——作用于掘進機頭的平均側向土壓力強度(水土合算);B——機頭前殼體側面面積;f——機頭與土層之間的摩擦系數(shù)，f與土體參數(shù)及是否采用泥漿減摩有關;L5——側面土壓摩阻力作用點到糾偏旋轉軸線的距離。

(3)作用于掘進機頭的豎向土壓力產(chǎn)生的阻抗力矩:

式中:MFEVC——作用于掘進機頭的豎向土壓力產(chǎn)生的阻抗力矩;PEVS——作用于掘進機頭上面的豎向土壓力強度(水土合算);C——機頭前殼體上頂面面積;L3——作用于掘進機頭的豎向土壓力作用點到糾偏旋轉軸線的距離。

(4)機頭迎面阻力產(chǎn)生的阻抗力矩:

式中:MYC——機頭迎面阻力產(chǎn)生的阻抗力矩; NF——掘進機頭掘進時的迎面阻力;L4——機頭迎面阻力作用點到糾偏旋轉軸線的距離。

(5)土體對刀盤切入抗剪力產(chǎn)生的阻抗力矩:在高程方向(上下方向)形成的力矩較小，且糾偏進給速度較慢，可忽略不計。

機頭上下偏移時，作用在機頭上的校正總阻抗力矩為:將式(2)～(5)代入式(6)得，機頭上下偏移時，作用在機頭上的校正總阻抗力矩為:

拉力產(chǎn)生的糾偏力矩，即如圖1，機頭向下偏移，則機頭下側拉力形成的糾偏力矩:

根據(jù)拉力糾偏條件:

式(9)可改寫為:

將式(9)代入式(10)得:

式中:F1——糾偏校正機頭上下側傾偏移所需的單點的拉力;L2——拉力作用點到糾偏旋轉軸線的距離;n1——下側拉力錨座(拉力點)數(shù)量。

2.2 校正機頭左右側傾偏移所需的單點拉力F2

同機頭在掘進過程中會產(chǎn)生上下側傾偏移相類似，在機頭最大偏移情況下，左右偏移糾偏時機頭的受力模型如圖2。

(1)機頭自重與土體摩阻力產(chǎn)生的阻抗力矩:

式中:MGS——機頭自重與土體摩阻力產(chǎn)生的阻抗力矩。

(2)側面土壓力產(chǎn)生的阻抗力矩:

圖2 左右糾偏時機頭受力模型

式中:MFEHS——機頭自重與土體摩阻力產(chǎn)生的阻抗力矩;PEh——作用于掘進機頭的平均側向土壓力強度;L5——側面土壓摩阻力作用點到糾偏旋轉軸線的距離。

(3)作用于掘進機頭的豎向土壓摩阻力產(chǎn)生的阻抗力矩:

式中:MFEVS——作用于掘進機頭的豎向土壓摩阻力產(chǎn)生的阻抗力矩;PEVX——作用于掘進機頭的底面的豎向土壓力強度(水土合算)。

(4)機頭迎面阻力產(chǎn)生的阻抗力矩:

式中:MYS——機頭迎面阻力產(chǎn)生的阻抗力矩。

機頭左右偏移時，作用在機頭上的校正阻抗力矩為:

將式(12)～(15)代入式(16)得，機頭左右偏移時，作用在機頭上的校正總阻抗力矩為:

拉力產(chǎn)生的糾偏力矩，即如圖2，機頭左(右)偏移時，則機頭右(左)側拉力形成的糾偏力矩:

根據(jù)拉力糾偏條件:

式(18)可改寫為:

式中:∑MZS——作用在機頭上的校正總阻抗力矩;L7、L8——拉力作用點到糾偏旋轉軸線的距離; F2——單個錨座的拉力。

將式(17)代入式(20)得:

式中:F2——糾偏校正機頭左右側傾偏移所需的單點拉力;L7、L8——拉力作用點到糾偏旋轉軸線的距離;n2——左右單側拉力錨座(拉力點)數(shù)量。

2.3 阻止機頭回縮的單點拉力F4

機頭及管片后縮的力，來自機頭的迎面阻力和頂力釋放后土體對機頭、管片的回彈力。而機頭回縮的力，主要是機頭靜止時的迎面阻力。機頭靜止時，迎面土壓力在靜止土壓力與被動土壓力之間，且大于靜止土壓力。因此，克服了機頭迎面土壓力，就可防止機頭的回縮?？朔C頭迎面土壓力時，單個錨座需要的拉力，可用下式近似表示:

式中:F4——克服機頭迎面土壓力阻力單點的拉力; n——機頭前方拉力錨座(拉力點)總數(shù)量;NFB——機頭迎面土壓力。

2.4 機頭糾偏及止退所需的拉力F

如將作用于掘進機頭的平均側向土壓力、作用于掘進機頭的底面的豎向土壓力、作用于掘進機頭的頂面的豎向土壓力的力作用點均近似為作用面的中心，機頭的重心近似在機頭的中心，且糾偏回轉鉸接油缸的回轉軸線近似為機頭前殼體的后邊緣，則有以下假設:

式中:L——機頭前殼體長度;α——機頭最大傾轉偏角。

將式(11)、(21)、(23)、(24)代入式(1)，整理得:

式中:h——機頭上部覆土深度，其余同前。

3 工程實例應用

3.1 實例應用計算

上海市軌道交通二號線東延伸段張江高科站一號出入口地下矩形通道，通道截面為6 m×4 m，長度23.5 m，通道上端覆土深7.5 m。采用拉頂式施工。

用式(25)，計算機頭所需拉力見表1。

表1 機頭所需拉力計算結果

3.2 理論計算與實例應用計算對比分析

將計算的拉力與工程實測拉力對比，計算拉力比工程實際需要的拉力誤差約20%。主要原因是:

(1)式(25)是建立在式(23)假設的基礎上，如直接采用式(11)、(21)計算，結果會更接近工程實際;

(2)機頭在掘進過程中采用了減摩注漿，對糾偏拉力會產(chǎn)生影響;

(3)沒有考慮刀盤切入土體對拉力的影響;

(4)沒有考慮機頭體所受浮力對拉力的影響。

在工程中，從滿足機頭導向糾偏、機頭及管片的止退要求出發(fā)，拉力配置越大越好。然而，從考慮接受井造價成本出發(fā)，拉力的配置又要越小越好?？紤]到式(25)的建立條件和工程地質條件的復雜性，矩形箱涵通道采用“拉頂式”工藝施工時，在其接受井內(nèi)配置的拉力計算式可采用下式確定:

4 結語

通過對矩形箱涵采用“拉頂式”工藝施工時，機頭的受力建立計算模型，并進行理論分析，得出了施工中機頭導向糾偏、止退的拉力計算公式，并應用于工程實際。結果表明理論計算與實際數(shù)據(jù)基本相符。可以看出，根據(jù)理論分析和相應的計算公式可以得出矩形箱涵采用“拉頂式”工藝施工時，在其接受井內(nèi)配置的拉力較為精確的結果，并能滿足實際工程的需要。對在復雜環(huán)境條件下，改造、提升原有的掘進機性能，用拉進的方法解決頂管掘進機的糾偏、回縮等施工難題，精確確定接受井內(nèi)的拉進力，具有一定的的參考意義。

［1］張照煌，李福田.全斷面隧道掘進機施工技術［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.

［2］喬華山，張輝，楊述起，等.拉頂結合新型矩形掘進機的研制及其應用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(3):72－76.

［3］成大先.機械設計手冊［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2004.

［4］韓選江.大型地下頂管施工技術原理及應用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［5］李淑海，張志勇，王中兵.復雜環(huán)境中的地下暗埋箱涵拉頂式施工技術與應用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37 (7).

［6］馬保松.頂管和微型隧道技術［M］.北京:人民交通出版社，2004.

Calculation of Pulling Force of Boring Head in Rectangular Box Culverts Jacking-pulling Construction

QIAO Huashan，YANG Shu-qi，ZHANG Zhi-yong，WANG Zhong-bing(Shanghai Guanglian Construction Development Co.，Ltd.，Shanghai 200438，China)

The paper systematically introduced the calculation method of pulling force in axial direction deviation rectification of boring head and retraction control during boring intermittent in rectangular box culverts jacking-pulling construction with engineering example.Based on the theoretical analysis and relative calculation formula，accurate results can be obtained for jacking-pull construction with rectangular box culverts.

rectangular box culverts;driving machine;jacking-pulling construction;pipe-jacking;pulling

U455.47

A

1672－7428(2012)04－0060－04

2012－01－16;

2012－04－01

喬華山(1963－)，男(漢族)，上海人，上海廣聯(lián)建設發(fā)展有限公司副總工程師，機械專業(yè)，從事傳動機械的設計工作，上海市楊浦區(qū)國偉路135號10號樓206室，13816688065@139.com。