超高压射流技术在地下综合管廊中的应用探析

李胜光

摘要：地下综合管廊将通讯、排气、电力、给排水、燃气等集中在一起，已成为当代大城市发展现代化、科学化的标准之一。在发达国家，地下综合管廊已经存在了一个多世纪，在系统日趋完善的同时其规模也在向越来越大的方向发展，我国大多的城市地下综合管廊的规划较晚，随着很多城市向着超级大城市的飞速发展，各大城市在改扩建时大多需要在既有道路下进行地下管道铺设，施工难度巨大，而目前的施工方法中最常用的施工方法是明挖现浇法和非开挖施工方法，使用超高压水射流技术是一种非传统的开挖方法，具有传统的方式难以比拟的优点，本文旨在发明一种使用超高压射流技术的进行非开挖施工的方法。

关键词：超高压;地下综合管廊;射流开挖;地下工程;数控平台

引言

改革开放四十年来，中国城市化获得了飞速的进展，现在已步入一个新的发展阶段。但进入21世纪以来，许多城市初期缺乏长远规划的弊端现在已日益凸显，城市地下综合管廊不仅解决了大城市已出现的产权混乱、管线维修等的诸多问题，还对和谐的城市生态环境，文明的城市总体形象有着非常积极意义，如今城市综合管廊的完善程度已是衡量大城市建设现代化水平的标志之一。地下综合管廊对满足民生基本需求和提高城市综合承载力发挥着重要作用，而使用超高压水射流技术更快、更安全、更灵活地施工建设综合管廊则是我们对关键性的施工技术的探索。

1地下综合管廊的技术分析

1.1明挖现浇法

明挖现浇法可以通过合理分割施工段来大面积施工，很好地提高了工作效率，且很好地保障施工的质量，施工成本较低，施工难度不大也是明挖现浇法的特点之一。但明挖现浇法在施工过程中致命的缺点是严重影响了交通、迁改量大，所以在人口不太密集，交通压力不大的场地可优选明挖现浇法，而且在地下水位较高时，还要采用深层井点降水措施。

1.2非开挖法

1.1.1盾构法

盾构法是在掘进的同时随即安装预制好的隧道支撑性管片，而盾构机隧道掘进的专用工程机械，现代先进的盾构掘进机集光、电、机、液、信息、传感等全自动技术于一身，具备挖削岩土、清输碴土、拼装衬砌、自动测量并导向纠偏等功能，不足的是需要按照不同的地质、工况等具体项目进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极为苛刻，对地层的抗扰动力不良的地段，盾构施工时我们时常先使用液压千斤顶将盾构切口压入开挖面土层，然后在盾构的保护壳内进行土体的安全挖运。

按盾构机开挖方法的不同，盾构可分为敞开式、挤压式、网格式和机械切削式等4类。

1.1.2顶管法

施工既能避开地上设 施、穿越地下构筑物等，又能避免开挖面层，是继盾构施工之后发展出来一种新型的地下管道施工方法。常见4种顶管施工技术有刃口推进工法、泥水推进工法、土压式推进工法、泥浓式推进工法。而顶管法中常见的机型又有敞开式掘进机、多刀盘土压平衡式顶管机、单刀盘土压平衡顶管掘进机、刀盘可伸缩式泥水平衡掘进机、偏心破碎泥水平衡掘进机、岩盘顶管机等，根据不同的地形地质情况，这些机型都有其独特的优点，但他们也都有自己共同的缺点，就是受管道轴线附近大的石块、桩基等不明障碍物的影响较大，且一种钻头只能开挖一种固定的尺寸的圆形断面。

2超高压射流技术在盾构施工中的应用

将超高压射流喷射枪代替盾构机的前端旋转刀盘，安装在各种尺寸和需要的形状的刀架上，通过数控系统控制超高压“水刀”在土体中切割土体或岩层，从而集超高压射流开挖、矩形预制涵片拼装支护、吸土机出渣于一体，实现地下综合管廊或隧道的一次成型。

2.1超高压水射流作业参数的选取

超高压水射流作业时有如下几个关键参数：储存压力（MPa）、工作流量（L/min）、整机功率（kW）、射流冲击力和切削距。

超高压水射流掘进钻头系统如图1所示，其主要有以下部分组成。

（1）水供应系统由水泵、电机、水过滤器等组成，作用是把常压水升到5MaP压力，供给增压系统。

（2）超高压增压系统。其在往复压缩式增压器在由液压泵提供的高压油作用下来回运动，把由水泵供给的水压增到350～900MPa。

（3）蓄能器。它可以积存一定的高压水，来吸收由增压器的脉冲水流和工作时断续引起的冲击能，保证施工时获得连续、稳定的超高压射流。

（4）掘进机刀架、喷头及控制系统。在这个系统中喷头把从蓄能器过来的超高压水转变成高压高速的切割流。控制系统在计算机控制下按施工要求控制掘进机刀架进行三维动作，控制喷嘴上下及前后运动，完成对岩土切割过程。

目前超高压射流设备的喷嘴及高压存储的耐久性仍是需要克服的主要问题，希望新材料石墨烯的高强度特性，可应用于高压射流设备的相关部件的研究。

2.2预制矩形涵片设计拼装

预制管廊为预制钢筋混凝土矩形涵管，主体结构材料采用C50及以上防水混凝土，抗渗等级P6。矩形涵片的深化设计，以满足承载力、防水等实际应用的需要;上海建工集團于2015年已成功使用了近似的钢混组合的矩形管片体系与机械化拼装等技术用于上海虹桥临空园区地下连接通道工程。管节安装接口间采用承插式内垫橡胶圈，为保证拼接平整，管节精确定位后需要通过在张拉孔内穿钢绞线的张拉预应力来固定。与现浇段搭接的端头管节预先埋设带钢边的橡胶止水带，通过现浇段混凝土浇筑使之连为整体。

2.3数控系统控制性能向智能化方向发展

超高压水射流掘进机的数控系统的硬件组成有弱电型数控装置、强电型输出驱动及其控制电路组成。控制电路均可根据施工作业的具体要求进行设计，而强电路中的交流伺服电机驱动电路可进行外购解决。数控系统的强电控制器件主要包括交流伺服电机及其驱动器、高压泵驱动电机、水泵电机、温控表、数控执行机构和操作面板，强电控制电路包括电源控制电路和电机控制电路等。

人工智能随着计算机的普及已在各个领域深入渗透和长足发展，可以为数控系统引入模糊系统、自适应控制和神经网络的控制机理。世界上正在进行研究的智能化切削系统的有很多，不但具有前馈控制、三维刀具补偿、模糊控制、工艺参数自动生成、自适应控制、运动参数动态补偿等功能，还可以极方便简单地帮助作业人施工，并具有一定的故障诊断系统使自诊断和故障监控功能趋完善。

4结语

城市地下综合管廊多采用矩形截面，因为矩形断面有内部空间利用率高、保养维修操作便利和空间结构归类分割容易、管线敷设整齐等优点，现在研究的类矩形盾构机使用传统的机械刀头，不能对岩土全面切削，且对地质要求高，钻头尺寸不可变，在多方面施工受到严重制约。而使用超高压射流或辅助机械对岩土切削来代替传统机械，既可以减小施工震动，又能提供效能，增强了盾构机的效能，为钻头的设计开拓了更广阔的的思路，为制造出万能盾构机提出了一个可行方案。

参考文献：

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