土中自行走式掘进机急转弯及其与土体间关系的研究

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近年来,随着城市化进程的加快,广泛合理地利用地下空间成为21世纪城市发展的主题之一。盾构法和顶管法作为两种主要的非开挖技术,在地下工程施工中已经发挥出越来越重要的作用,但这两种技术的缺点与不足也日益明显,其前进均依赖管片或后背座等人工构造物为其提供前行反力,常难以满足急转弯地下工程的要求,因此急需一种能急转弯、自行走的掘进机。本文主要利用土中自行走式掘进机改进型的工程化试验,对掘进机现场急转弯试验进行相关研究。  论文首先介绍了目前国内外非开挖技术中的土中盾构施工技术和顶管施工技术的研究历史及现状,进而提出了自行走式隧道施工技术的研究诞生过程和研究现状。也介绍了不同类型掘进机急转弯实现方式,分析了盾构机和顶管机的力学关系和施工措施。引出自行走式掘进机急转弯工作原理和几何特征,又对掘进机荷载和摩阻力进行了分析研究,推导出顶推力公式,并对增阻块与土体的受力进行了分析。同时提出了符合自行走式掘进机急转弯的施工措施(收缩千斤项法和垫块法)和急转弯超挖量控制措施。最后根据场地条件,并对掘进机行走过程中的土压力进行了测试和分析。  分别对改进型自行走式掘进机的直线和曲线两个试验部分过程的土压力数据进行了采集和分析,得到不同过程中掘进机行走时对周围土体的力学关系。  研究得到以下结论:  (1)土中自行走式掘进机顶推力分为两种:第一种是行进时能够提供给掘进机的顶推力。第二种是掘进机行进时需要的最大顶推力。  (2)土中自行走式掘进机最大转弯角度是4度。如果每两节之间转角均是4度时,掘进机的最小转弯半径可以达到20.6m。  (3)通过理论分析与现场施工,得出符合土中自行走式掘进机本身的急转弯施工措施,收缩千斤顶法和垫块法。并总结出垫块与转弯角度之间的关系。  (4)通过现场施工试验,总结出符合土中自行走式掘进机本身的急转弯超挖量控制措施。进而得出“宁欠挖,不超挖”的原则。  (5)土体在掘进机挤压时扰动变化最大,且离管道轴心距离越近,土体受到的扰动就越剧烈,土压力变化越大;土压力盒位于掘进机不同位置时,最大压力值不同,且位于第三节时压力值最大,表明增阻块环数越多,撑起高度越高,土体扰动越大。  (6)自行走式掘进机竖曲线行走时对周围土体影响沿轴线两侧基本对称。  (7)在同一个监测断面上的土压力,距顶管轴线越近,所受到的影响越大。而且位于同一点上水平和竖直放置的压力盒,其土压力基本相同。  (8)掘进机影响范围,在沿轴线方向,主要集中在机身4m范围内,机器前、后部分均对土体扰动较少。  (9)直线段与竖曲线段土压力值对比,竖曲线段试验数据总体偏小。说明离管道轴心距离越远,土体受到的扰动就越小,土压力变化越小。
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