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作者：魏林春&&发布：&&浏览：
单位：上海隧道工程股份有限公司
要：目前盾构隧道联络通道主要采用土体加固暗挖法进行施工，但在复杂工况环境下仍存在极大施工风险。文章通过采用专门研制的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，对顶管刀具选型及布置、行星刀盘顶管切削性能等进行了研究，可为今后采用顶管法直接切削混凝土复合管片的盾构隧道联络通道的施工提供相应的技术储备，避免移除管片暴露加固土体，以大大降低盾构隧道联络通道施工风险。
在隧道规划设计中，由于逃生、通风、检修等方面的要求,上行与下行隧道间每间隔一段距离需要设置联络通道，以起到集、排水及疏散人员的作用。目前常用的加固方法主要有管棚法、注浆法及冻结法等。由于隧道线路所面临的环境和地质条件越来越复杂，施工难度及风险也越来越大，在联络通道施工过程中塌方时有发生。顶管法以环境影响小、机械化程度高等特点，成为隧道联络通道极有前途的施工技术发展方向。网格式顶管法已多次成功地应用于地铁区间隧道联络通道施工。但在顶管始发前需移除部分管节，会造成加固土体暴露的风险。在大埋深、高水压的环境下，若加固土体失效，极易造成土体坍塌和涌水，从而造成严重工程事故。
为了适应目前隧道联络通道施工所面临的复杂环境和地质条件，解决原有顶管法隧道联络通道施工存在的问题，提出一种顶管直接切削混凝土复合管片的施工方法。本文通过采用专门研制的行星刀盘全断面切削顶管对不同强度等级石灰石粗骨料混凝土试块的切削试验，研究顶管刀具选型及布置、行星刀盘顶管切削性能等，以便为今后采用顶管法直接切削混凝土复合管片的隧道联络通道的施工积累一些经验。
2 &行星刀盘顶管试验机
目前，国内矩形顶管主要有多刀盘组合型、偏心多轴式仿形刀盘型，以及大刀盘与偏心多轴式仿形刀盘组合型三种。前者由多个圆形刀盘组合而成，但刀盘切削存在盲区；后两者虽然为全断面切削，但偏心多轴式仿形刀盘体作平动对高强度混凝土构件的切削性能较差。为实现顶管全断面无盲区切削混凝土，专门研制了一种新型行星刀盘全断面切削顶管，并可以通过不同小刀盘组合实现不同切削断面形式。
2.1顶管全断面切削轨迹的实现
根据实际盾构隧道联络通道断面需求情况，拟采用行星刀盘实现顶管的方形全断面切削，并通过不同小刀盘组合形式达到断面要求。
以正方形的中心为圆心设置一个内齿圈，再设置一个与内齿圈有一个偏心量e且与内齿圈相啮合的外齿轮(行星轮)，内齿圈与外齿轮的齿数比为4∶3；正方形底边到外齿轮中心为一个刀排的长度，然后按120°均布设置另外2根刀排；以正方形顶边到外齿轮中心的距离R为半径作一个圆，再分别从三根刀排的顶点向该圆作六条切线，剪去多余的圆弧后就构成了如图1所示的刀盘轮廓线。
图1 &刀盘轮廓线
一对齿轮的啮合传动可以看成是两个相切圆相互作纯滚动，也称行星齿轮，它不仅沿着内齿圈公转，同时也做自转。电机旋转时，偏心轴带动行星齿轮进而驱动刀盘在公转的同时也作自转，从而使切削刀具做正方形轨迹运动，如图2所示。
图2 &刀盘切削轨迹
2.2试验顶管性能参数
为了了解行星刀盘全断面切削顶管切削混凝土的性能，专门研制一台0.5m×0.5m行星刀盘全断面切削的顶管试验机。试验样机如下图3所示，顶管试验机性能参数详见表1。
3 &顶管切削试验概述
顶管试验机切削试验在专用试验平台上进行，通过对不同强度等级混凝土试块进行切削，确认试验顶管的切削效果及切削能力。
图3 &顶管试验机
表1 &试验机主要参数
3.1试验平台
顶管切削试验在专用的试验平台上进行，平台包括三部分，由左至右分别为混凝土试块安放装置A、顶管放置装置B和推进驱动装置C。整个试验平台长2236mm。试验机的驱动装置为油缸行程300mm的液压千斤顶。顶管切削试验平台如图4所示。
图4 &试验平台结构示意
试验中配置了顶进参数监测记录装置，由拉线式位移传感器、油压传感器、电流传感器及显示记录器等组成，可以显示并记录刀盘驱动电机的工作电流、油缸顶进时的油压、试验机顶进速度与位移。通过编制程序，由电脑自动采集试验数据。切削试验现场照片见图5。
3.2试块制作
图5 &试验照片
普通混凝土中的粗骨料以硬质的青石、麻石和花岗岩为主，其骨料强度高、破碎难、体积含量高，是制约混凝土可切削性能的关键因素。综合多种因素最终选定石灰石作为混凝土配比中粗骨料，即可有效提高刀盘的切削性能。
为了确保顶管刀盘的切削效果，本次切削试验采用前期研究成果，制作了3组不同强度等级的石灰石粗骨料混凝土试块；另1组采用青石粗骨料（强度等级为C60）普通混凝土试块作为参考。根据试验平台的尺寸，制作了不同强度等级及不同切削角的4组尺寸为610mm×660mm×195mm的（长×宽×厚）混凝土试块，用于切削试验研究。试块的相关参数如表2所示。
表2 &试块参数
3.3顶管试验机刀具选型及优化
目前，国内已开发应用了适应各类地层的刀具型式，通常可根据不同的地质情况选用不同类型的刀具及刀具组合。常用刀具有切刀、刮刀、齿刀、单（双）刃滚刀、先行刀、仿形刀等，根据开挖方式可将常用刀具归纳为切削式刀具、挠取式刀具、破碎式刀具3种类型。本课题研制的0.5m×0.5m行星刀盘方形全断面顶管切削刀具既要适合切削高强度的混凝土，又要适应软土地层的切削。
3.3.1顶管试验机初始刀具选型
通常切削高强度混凝土用滚刀切削较合适，但研制的试验顶管刀盘为幅条式，3根幅条长约250mm、宽约100mm，结构尺寸小，无法布设滚刀，且滚刀式复合刀盘造价非常高。因此，顶管设计不考虑采用滚刀式复合刀盘，根据切削试验机刀盘的实际情况，刀具只能从切削式刀具中研究选择或改进。图6为试验顶管初始刀具选型及布置形式。
图6 &初始刀具布置形式
图7为采用初始刀具布置切削C30石灰石混凝土试块后的切削轨迹及效果。从试验过程来看，顶管刀具切削效果较差，切削速度极慢，顶管推力及刀盘扭矩很大，顶管切削十分困难。
图7 &初始刀具切削效果
3.3.2顶管试验机刀具的优化
目前国内顶管刀盘上常用的切削式刀具主要是切削诸如粘土、砂土、砂卵石，还未见有专用于切削抗压强度达30MPa的整块混凝土的切削式刀具。为此，在设计切削式刀具的形状时，关键是考虑刀具对高强度混凝土的切削适应性。根据试验顶管刀盘切削轨迹，采用嵌入式切削刀具，在刀体上开槽，使硬质合金刀片嵌入槽内并与刀体焊接。此刀具的特点是安装牢固、不易脱落、强度较高。
混凝土试验研究混凝土构件的抗压强度较高，但属于脆性材料，切削刀具作行星式旋转与前进的复合运动中，混凝土同时受压与受剪，先产生压缩变形，进而从刀刃起沿某平面产生剪切变形，形成裂断型土屑与剪断型土屑。布置刀具时，综合优化刀具的几何角度，使每把刀具运行切削产生的混凝土破坏面相互重叠，无切削盲区；强化切削刃，同时使高强度混凝土构件切削的碎颗粒能从切削区自由流出，从而减小切削力，延长刀具寿命。图8为改进后的顶管刀具布设，图9为改进后切削排出的混凝土碎屑。
图8 &改进后刀具布置形式
图9 &改进后刀具切削效果
4 &顶管切削试验效果
通过对4组不同强度等级的混凝土试块进行切削试验后，发现混凝土粗骨料对混凝土的可切削性影响很大，采用较低强度的石灰石替换混凝土粗骨料可以显著改善混凝土的可切削性；专门研制的行星刀盘全断面切削顶管试验机可切削强度等级为C45以下的石灰石粗骨料混凝土试块。
行星刀盘方形顶管试验机在切削C30石灰石粗骨料混凝土试块1时，切削过程中最大顶力值为79.8kN，最大顶进速度为11mm/min，最小顶进速度为2.9mm/min，平均顶进速度约6.7mm/min（图10）；在切削C45石灰石粗骨料混凝土试块2时，切削过程中最大顶进速度值10mm/min，平均顶进速度约为4mm/min(图11)。
图10 &试验参数记录曲线
图11 &试块2切削效果
切削试块3时，由于试块厚度不一，造成顶管机切削约43mm时，就将试块顶裂而停止切削试验，整个切削试验时间约为45min，最大顶力值为39.3kN。由于刀盘偏心受力，切削时顶管机与机架有较大的振动，造成顶管轴线及姿态的控制困难。在强度等级为C60的普通混凝土试块4进行切削试验时，顶管切削十分困难，几乎无法切削，且刀具磨损严重。图12为C60普通混凝土试块4的切削效果。
图12 &试块4切削效果
本次试验通过采用行星刀盘顶管切削混凝土试块试验，优化了行星式顶管刀具选择及布置形式，检验了行星刀盘顶管的混凝土切削性能，并为今后采用顶管施工的盾构隧道联络通道工程应用提供了相关试验参数和经验积累。试验得到的主要结论如下：
（1）在软土地层中，采用适应于软土地层施工的常规切削刀具可切削以石灰石粗骨料配制的强度等级为C45以下的混凝土复合管片。
（2）研制的专用顶管可以顺利完成强度等级为C45的石灰石混凝土的切削，并具有较大的安全余量。
（3）在今后工程实际应用中可在隧道联络通道处采用特殊的复合管片，即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等措施，可解决目前研制的专用顶管机切削常规C60混凝土的问题。
（4）通常联络通道轴线不是与管片轴线在同一平面上，造成顶管切削混凝土管片时顶管自身轴线及姿态难以控制，在今后工程应用时应针对此问题作进一步研究。
转自：《现代隧道技术》
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张雯静 编译
2016年第 1 期
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/etc/nginx/nginx.conf.如果将一个圆柱切一刀,将其变成两部分,截面可能是什么样子的呢?
小玛wan307
长方形、正方形、梯形、三角形、圆形、椭圆形.
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