隧道顶管救援液压顶管机应用.pdf

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文章编号:10094539(2017)04011806·装备与制造·收稿日期:20170306基金项目:中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目(13-C23)作者简介:李全(1965-),男,高级工程师,主要从事机械设备技术与管理工作。隧道顶管救援液压顶管机应用李全(中铁十七局集团有限公司山西太原030000)摘要:顶管救援法是在隧道发生塌方时利用液压千斤顶将一定直径的钢管顶穿渣土,人工清除管内渣土后形成逃生通道的救援方法。顶管救援液压顶管机采用锚固型后靠背和整体机架步进式顶进,充分保证了顶进力和顶进方向,顶进速度快。本文主要介绍了救援液压顶管机在隧道救援应用中的适用条件、配套机具材料、工作流程、注意事项等,并对后靠背精轧螺纹钢锚固长度确定进行了计算分析。关键词:隧道工程救援顶管机中图分类号:U458.1;TH16文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009-4539.2017.04.027ApplicationofHydraulicPipeJackingRescuingMachineinTunnelLiQuan(ChinaRailway17thBureauGroupCo.Ltd.,TaiyuanShanxi030000,China)Abstract:Rescuebymeansofpipejackingisamethod,incaseofcollapseoftunnel,thehydraulicmachineisusedtojackasteelpipewithacertaindiameterintoresidues,andtheresiduesinthepipeisremovedmanuallytoformapassageforescape.Thehydraulicpipejackingmachineforrescueintunnelusesanchoredbackrestandintegralframeforstep-by-stepjacking,whichfullyguaranteesjackingforceanddirectionandoffersfastjackingspeed.Thearticlemainlyintroducestheapplicationconditionsofhydraulicpipejackingmachineintunnelforrescue,supportingtoolsandmaterials,workprocessandprecautions,andprovidescalculationsofandanalysisonthefixedlengthofbackrestfine-rolledbars.Keywords:tunnelling;rescue;pipejackingmachine1应用背景隧道施工发生塌方事故,有可能将人员困在塌方体和开挖掌子面之间。快速高效解救被困人员受到全社会各方的高度关注。国内目前的简易液压顶管法由于提供顶进力有限,加之频繁装卸顶铁造成方向偏差大,成功率偏低且准备工作繁琐。DG440BJ液压顶管机是中铁十七局集团与天津市天利通液压千斤顶有限公司历时两年联合研发的专门用于隧道救援的专业顶管机。该机集顶进、导向、后靠背于一体,结构紧凑、工作性能可靠、安装速度快、操作简单、运输方便,采用人工出渣,平均综合顶进速度(含出渣时间)1~2m/h。该顶管机2014年获国家实用新型专利。2液压顶管机介绍2.1组成液压顶管机如图1所示,由主机、后靠背两大部分组成。主机包括机架、导向滑轨、压管架、顶进机构(包含顶环、后横梁、千斤顶、插销)、回位卷扬机、液压泵站、操控系统等;后靠背包括顶托、立杆、斜杆、底板等。图1DG440BJ液压顶管机811铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·装备与制造·2.2工作原理救援顶管机采用步进式设计,后靠背为三角形铰接结构。后靠背底板用φ25mm精轧螺纹钢或φ30mm膨胀螺栓锚固在隧道仰拱或底板围岩上,将机架逐节连接,后端倚靠在后靠背顶托上锁紧,顶进机构的后横梁插销插入机架孔内与机架固定,千斤顶伸出将导向滑轨上的钢管顶入渣土,边顶边出渣;一个行程结束,插销回缩使后横梁与机架分离,千斤顶回缩带动后横梁沿机架向前滑动至下一个插销孔处重新插入,进行下一个行程顶进。整根钢管顶入渣土后,将顶进机构拉回至机架尾端起始位置,吊入钢管与前节钢管用连接套连接后继续顶进。如此反复直到顶穿渣体后形成逃生通道。2.3主要参数最大顶管直径:1020mm;每节钢管最大长度:12000mm;最大顶进力:4400kN;千斤顶顶进速度:0~5m/h(无级可调);设计最大顶进深度:50m;整机功率:22kW;整机重量(含集装箱):29.6t。3救援液压顶管机的应用3.1主要设备、机具、材料3.1.1设备(1)液压顶管机1台;(2)1.0m3以上履带式挖掘机1台。3.1.2工器具(1)500A电焊机:1~2台;(2)5t倒链:2个;(3)10t液压千斤顶:1台;(4)出渣小车:1台(如图2所示,自制);(5)氧炔焰切割器材:1套;(6)劈裂器:1套(如图3所示);(7)短把铁锹、扬镐或电(风)镐等。3.1.3材料(1)φ1020×12×12000mm螺旋焊管;(2)φ1020mm钢管管靴(如图4所示,自制);(3)φ1020mm连接套(如图5所示,自制);(4)φ25mm精轧螺纹钢(配垫片和螺母)或φ30mm膨胀螺栓(加长型)。图2出渣小车图3劈裂器图4φ1020mm钢管管靴图5φ1020mm钢管连接套3.2液压顶管机救援工序流程(见图6)图6液压顶管机救援工序流程3.2.1现场情况调查到达救援现场,首要任务是打通给养孔,了解被控人员情况,保证给养和通讯。同时通过现场调查及借助钻给养孔情况,详细了解掌子面及塌方体组成情况,制定救援方案。3.2.2选择顶管位置顶管机配置两种后靠背分别满足钢管中心距地面0.75m和2~4m高度进行水平和向上倾斜顶管(考虑避开隧道台阶式开挖的下台阶)。选择顶管位置时,根据现场调查情况和给养孔钻探情况优先选择沿地面水平或向上倾斜顶管,并尽可能避开911铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·装备与制造·被埋大型机械、大孤石;必要时可采用水平钻机进行钻孔探测;顶管机一侧留足工作空间,尤其是单线隧道,顶管位置尽量靠一边,给挖掘机吊装顶管机部件和钢管作业留足空间。3.2.3确定后靠背锚固深度后靠背每块底板有10个锚固孔,根据后靠背结构受力分析,当顶进力达到最大值4400kN时,后靠背前底板承受750kN上拔力,所以每根锚筋承受的最大拔力是75kN。对于全长黏结性锚杆,其抗拔力在硬质岩中[1]取决于杆体强度;在软质岩或土体中取决于锚固体与围岩之间的摩阻力。锚杆及单元锚杆锚固段的抗拔承载力Nd[2]19应按下列公式计算:Nd=fmgKπDLψ式中:Nd为锚杆或单元锚杆轴向拉力设计值(kN);L为锚固段长度(m);fmg为浆体与岩体间的极限粘结强度(MPa);D为锚杆锚固段钻孔直径(mm);K为锚杆段注浆体与地层间的粘结抗拔安全系数,按文献[2]21表4.6.11取1.5;ψ为锚固段长度对极限粘结强度的影响系数,按文献[2]22表4.6.13,考虑临时设备锚固,取1。所以:L=1.5NdπDfmg从上式看出:在Nd、D确定后,锚固长度只与fmg有关。fmg可参考文献[2]21表4.6.10取值,也可按基本质量指标法确定岩锚粘结强度:[3]fmg=1.553lnBQ-8.1662式中,BQ为岩体基本质量指标,BQ=90+3Rc+250Kv;Rc为岩石单轴饱和抗压强度(MPa);Kv为完整性系数。现场计算时,Rc可根据设计图及现场围岩情况估算确定。如锚固在仰拱上,则按仰拱砼标号取值,Kv可按Jv和Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系(见表1),结合现场情况取值。也可参考岩体基本质量分级(见表2)直接选用BQ值计算。表1Jv和Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系[4]7Jv条/m3<33~1010~2020~35>35Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎注:Jv岩体体积节理数。表2岩体基本质量分级[4]7基本质量级别岩体基本质量的定性特征岩体基本质量指标(BQ)I坚硬岩,岩体完整>550II坚硬岩,岩体较完整;较坚硬岩,岩体完整550~451III坚硬岩,岩体较破碎;较坚硬岩或软硬岩互层,岩体较完整;较软岩,岩体完整450~351IV坚硬岩,岩体破碎;较坚硬岩,岩体较破碎~破碎;较软岩或软硬岩互层,且以软岩为主,岩体较完整~较破碎;软岩,岩体完整~较完整350~251V较软岩,岩体破碎;软岩,岩体较破碎~破碎;全部极软岩及全部极破碎岩≤250确定锚固深度还应注意以下几点:(1)锚固深度应大于40倍锚杆直径[5]。(2)锚杆杆体与孔壁间的水泥浆或水泥砂[2]31浆结石体的强度等级不应低于M20。(3)土质或极破碎岩隧道,以上计算无法满足时,锚固深度尽可能深,顶进时用挖掘机斗压在后靠背顶托上抵消部分上拔力。3.2.4顶管机安装由于隧道内无法使用吊车,顶管机安装需用不小于1m3的履带式挖掘机作起重设备,配合人工进行安装。(1)后靠背及机架安装。一般双线隧道将后靠背底板定位后,用常规风枪沿底板孔钻φ42~46mm眼,用隧道锚杆锚固剂或植筋胶锚固精轧螺纹钢。每块底板锚固2~3个眼后,便可同步安装机架;如果是单线隧道,则应从前往后依次将机架吊放到位,机架之间先不连接,最后吊装后靠背。当后靠背每块底板锚固2~3个眼后,用回位卷扬机或倒链依次将机架牵引到位进行调整连接。机架与后靠背连接时,楔形销斜面应与连接销销孔斜面相对。(2)顶进机构安装。顶进机构可在地面组装后整体吊装在机架上。如果挖掘机较小或工作面狭窄无法整体吊装,可依次吊装顶环、后横梁、千斤顶在机架上进行拼装。顶进机构拼装完成后,调节高度调节装置,使千斤顶中心线与机架主梁中心线高度一致,插销中心高度与插销孔中心高度一致。(3)连接泵站。液压泵站采用变量双泵双回路设计,既可单泵工作互为备用,也可两个泵同时工021铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·装备与制造·作,加快顶进速度;液压油管采用双封闭快速插头连接,应插接到位。后横梁左右各有一套手动控制阀,功能完全相同也互为备用。3.2.5顶进实施(1)放置钢管底座。一般应在沿导向滑轨前、中、后最少放置3个钢管底座,以便于钢管连接和钢管顺利插入顶环。(2)吊装钢管。用挖掘机从顶管机侧面将第一节钢管吊放于钢管底座上,钢管前端安装管靴,尾端插入顶环。如果是单线隧道或顶管机侧面没有足够空间,可将顶进机构整体吊下放在一侧,从后面采用跷跷板原理将钢管前端翘起推入导向滑轨,最后再将顶进机构就位。(3)安装压管架。两个压管架分别安装在机架前端和后端,后端压管架让出一个顶进行程,每完成一个顶进行程,后压管架向前调整一个行程。(4)顶进、出渣。启动油泵开始顶进,边顶边出渣。管内出渣可采用两种方式:一是小车出渣。管内2~3人,1人掘进、1~2人装车,渣土车由管外人员拉出,小车两端拴拉绳,双向随拉随放;二是接力出渣。管内人员间隔0.6~1m,用木质半圆刮板接力将渣土运至管外。出渣人员应根据体力情况随时更换,以保证最快出渣速度。(5)接管。当第一节钢管顶进至钢管尾端距导向滑轨前端0.5m左右时停止顶进,将顶进机构拖回起点位置,吊装第二节钢管(如果是单线隧道可采用3.2.5(2)方法上管)进行顶进。重复以上步骤,直至顶穿塌方体形成逃生通道。3.2.6特殊情况处理(1)顶进障碍处理。顶管时可能遇到的障碍主要有两种,一是大的块(孤)石;二是钢结构(钢筋网、拱架、台车等)。如果遇到被埋的工程机械只能重新更换位置。①遇到粒径大于钢管直径的大孤石且正好[6]位于管头正中时,由工人进入管中,用风枪在孤石面上钻3~5个φ45mm、深度500mm以上的孔眼,如图7所示用劈裂器将巨石裂解,用回位卷扬机拖出或继续顶进将裂解后的块石挤至一边。②遇到大的金属构件时,由工人进入管中,清理金属构件周边渣土,用氧炔焰割枪或等离子割枪等金属切割设备将钢构件沿管周割断,然后继续顶进,如图8所示。(2)变径顶进。当塌方长度较长,阻力超出顶管机最大顶力时,可连接变径顶环,在已顶入的钢管内插入直径比原钢管小100~200mm的钢管继续顶进(需提前准备小钢管、管靴、管接头)。图7劈裂器裂石图8氧炔焰切割金属3.2.7救援当钢管顶穿塌方体后,救援人员清理管内杂物,保证管内通畅。救援小车救人时,应两边设置拉线并拉紧以免溜车造成伤害。3.3注意事项(1)设备安装调试时,应将每节机架调整在同一基准面上相互拉紧,基础支垫稳定。(2)塌方较长时,应同时准备变径顶进的钢管、管靴和连接套;高位顶进时还应准备φ630×10mm钢管制作可调节高度后靠背撑杆。(3)第一节钢管管靴接近渣土时,应用挖掘机斗压住钢管前端,防止钢管前端沿塌方体坡向上翘起,当顶入塌方体5~6m后可视情况移除挖掘机斗。(4)顶进开始,应根据出渣速度调整液压泵站流量,尽量使钢管顶进速度与人工出渣速度保持一致;人工出渣时,钢管前部始终保留0.5~1m渣土。这样既可减少钢管内部摩擦阻力和钢管对周围渣体的扰动,也可以避免渣土突然涌入造成人员受伤。(5)顶进过程中应采用激光定位仪等仪器监测顶进方向,发现方向偏差可采用偏挖方式予以调整。同时,随时观察泵站压力,当发现压力突然升高且钢管进度减慢时,应及时停止顶进,清空钢管内渣土了解钢管前端情况,采取必要措施处理。(6)钢管内通风可采用高压风管拉至工作面处121铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·装备与制造·释放方式解决,风管可采用磁铁钩挂在钢管内壁。(7)石质渣体中顶管时,较大块(孤)石产生侧向力,应随时观察调整,尽量减少顶进方向偏差。(8)水平顶进时,应设置2%~3%仰坡,这样[6]钢管顶进后就会水平或略向下。4实验数据分析2013年至2014年,在张唐铁路吴家营子隧道弃渣场进行了φ1020mm钢管顶进模拟实验。该弃碴场[6]2011年启用,自卸汽车倾卸,装载机推平分层渐次堆积,堆积高度约12m,碴土成分主要为混合花岗岩块石土,其中块石粒径5~200cm。试验时,碴土经过卸料时的碾压和两年多的沉降,其密实程度、块石硬度、碴土成分等都比一般隧道塌方体情况更为复杂。另外,还选择了黄土渣体进行演练。累计顶管300多延米。实测液压顶管进尺和油泵压力关系图见图9。图9实测液压顶管进尺和油泵压力关系图由图9看出,由于顶进时没有安排同步出渣,顶进前6m左右时,由于渣土陆续灌入钢管内,钢管承受迎面阻力、内侧、外侧摩擦力,压力上升较快;当顶进超过一定深度(约6m)后,灌入钢管内的渣土不再继续移动,内侧摩擦力不再增加,此时随着顶进深度的增加,只有钢管外侧摩擦阻力在增加,压力上升减慢。这与我们现场看到的渣土只进入钢管前端6m左右情况相符合。将钢管内侧摩擦力视为迎面阻力组成部分,通过图上归纳曲线计算:钢管周围摩擦力:(22-12)×706×2×100÷(38-6)=44125N/m钢管最大迎面阻力:12×706×2×100-44100×6=1429800N式中,706为液压顶管机千斤顶活塞面积,单位为cm2,液压顶管机安装两个千斤顶。入土深度34m时压力表显示压力20MPa,换算成顶进力为2824kN。由图表归纳曲线计算入土深度34m时的顶进力为:1429.8+44.1×34=2929.2kN实测和图表计算结果基本一致。因此,可由图表归纳曲线计算钢管顶入深度为50m时,所需顶进力为:1429.8+44.1×50=3634.8kN液压顶管机设计最大顶进力4400kN满足救援要求。实验时,后靠背用φ25mm精轧螺纹钢锚固在浇筑的C20砼基础上,锚固材料选用喜得利植筋胶,锚固深度1m,未出现上拔情况。5救援实例和模拟演练2014年4月吉图珲铁路隧道塌方和8月贵州沪蓉高速公路隧道塌方抢险救援中该顶管机均进行实施,满足救援要求。2014年11月25日下午,在距山西省城太原[7]市区约17km的阳曲县阳兴大道公路存梁场模拟塌方现场,一场隧道顶管救援演练正在有条不紊进行着。来自国家安全监管总局、山西省安全监管局、中国铁建股份有限公司及所属单位的约100名相关人员围站在现场观摩演练。半小时左右的时间,观摩人员在另一侧即看到了穿过模拟塌方的直径102cm的图10讲解员介绍液压顶管设备敞口钢管和直径63cm的封口钢管顶端,大家对该技术、设备和救援队员的操作纷纷表示称赞。图10是讲解员介绍液压顶管设备[7]。6总结DG440BJ液压顶管机顶进过程中无噪声、无振动,对隧道坍塌面扰动小,较适用于含大块(孤)石少、粒径较均匀的塌体顶进,尤其适用于砂砾和黄土渣体以及坍塌后对振动特别敏感的隧道;采用步进式设计,增加了单节钢管长度,既免除了频繁装卸顶铁的工序,也减少钢管接头,从而减少了轴线221铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·装备与制造·误差积累,节约了时间,加快了顶进速度,同时也避免了装卸顶铁时的安全风险;较好地控制顶进方向,可实现较大深度的顶管;铰接式后靠背受力简单、工作可靠、安装方便、适用范围广,不失为一种较好的解决方案;综合顶进速度1~2m/h,是小导坑救援法的3~6倍,能更大程度满足72h黄金救援时间要求。参考文献[1]郭小红,王梦恕.隧道支护结构中锚杆的功效分析[J].岩土力学,2007,28(10):2234-2239.[2]中国冶金建设协会.GB50086-2015岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范[S].北京:中国计划出版社,2015.[3]张发明,陈祖煜,刘宁.岩体与锚固体间粘结强度的确定[J].岩土力学,2001,22(4):470-473.[4]中华人民共和国水利部.GB50218-94工程岩体分级标准[S].北京:中国计划出版社,1994.[5]中华人民共和国建设部.GB5007-2002建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002:47.[6]王峰,高维权,李全,等.φ1020mm敞口式钢管夯击顶进救援试验研究[J].铁道建筑技术,2014(S1):185-189.[7]付希燕.—安全快速科学救援记中国铁建十七局应急救援队隧道顶管救援演练[J].现代职业安全,2014(12):檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪18-21.(上接第112页)4.7卸载在穹顶梁支座安装完毕、次骨架安装就位,并经验收符合设计要求后,卸载下放提升结构。按30%、60%、90%、100%,分四次下降,前三次每次延时15min;第四次延时45min。穹顶屋盖钢结构荷载全部由钢梁支座支撑后,进行安装定位检验工作。全部测试无误并确定钢绞线全部卸载后,将安全锚锁紧、千斤顶全部缩缸到底、上下锚和导向锚均处于松开状态,以便于拆除千斤顶。4.8其它施工注意事项(1)穹顶中心部分提升前各项质量保证资料要齐全、合格、有效,包括钢结构本体以及提升措施中使用的提升平台、千斤顶、钢绞线、液压泵站等。对每道工序都按照方案要求进行质量验收,做好施工原始记录,保证每一道工序质量合格。在一切就绪的条件下,再进行试提升。(2)提升前配备足够的备用材料、设备及维修人员,出现问题时及时更换。(3)风力要求:提前查看天气预报,如一周内天气风力不大于5级,可进行提升。提升过程中如果遇到6级以上风力,则提前停止提升,采用缆风绳固定在周边中庭结构柱上。(4)提升前做好提升架前端标高测量和标记,为在提升过程中观测提升支承架的沉降和倾斜做好基础准备,沉降值按15mm控制,倾斜值按型钢高度的1/180控制。(5)穹顶结构提升到顶时,需立即在8、9层新增梁板处搭设临时悬挑操作架配合后续工作。5结束语穹顶双曲壳体钢结构屋盖施工是本改造工程的一个重要节点,也是本工程的难点、亮点,由于受现场各种条件限制,现场施工时间也非常紧张,施工中选择了中间楼面原位拼装,整体提升的安装方法。这种双曲钢方管单层网壳结构采用整体提升的施工方法在国内还不多见,本工程通过施工前对各提升点及提升构件的受力变形进行认真分析,以及在施工过程中对提升点的安全监控、对提升与卸载过程中有可能产生的变形控制,保证了整体施工的顺利进行。参考文献[1]刘杰.分块安装不规则曲线网壳结构施工技术[J].铁道建筑技术,2016(9):113-115.[2]于春双.钢栈桥检算及其Midas模型分析讨论[J].铁道建筑技术,2016(S1):107-109.[3]刘成.网架同步液压提升技术[J].科学之友,2010(7):21-22.[4]梁桂芬.佛山岭南明珠体育馆穹顶钢结构屋盖整体提升施工技术[J].广州建筑,2007(1):32-36.[5]陆海翠.大跨度穹顶钢结构提升施工技术[J].建筑施工,2014(5):546-547.321铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据
布丁老师
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