孟令東

摘要： 本文結(jié)合實際工程，對多平衡頂管機大直徑長距離頂進施工技術(shù)進行研究，并重點論述頂管施工方式的確定、頂管機和配套輔助設(shè)備的選擇方法。

Abstract： Combining with practical engineering， to study long distance and large diameter jacking construction technology of the multi-balance pipe jacking machine， and to focus on the determination of the pipe jacking construction mode and the selection method of pipe jacking machine and other auxiliary equipment.

關(guān)鍵詞： 多平衡；綜合式；頂管；長距離

Key words： multi-balance；comprehensive；pipe jacking；long distance

中圖分類號：TU992.05 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）10-0140-04

0 引言

在五愛變進線電纜隧道（五愛變電所-渾河南岸）工程中，根據(jù)實際施工地質(zhì)情況，專門定制一臺集土壓平衡、泥水壓平衡、氣壓平衡于一身的多平衡綜合式頂管機，針對不同地質(zhì)情況綜合使用。土壓平衡模式主要針對不透水地段及覆土超過15m時使用，泥水平衡模式主要針對無隔水層透水地段、地質(zhì)情況不佳、土體改良效果不明顯及覆土低于15m時使用，氣壓平衡模式主要用于河底換刀、遇障礙物處理等特殊情況使用。

1 工程簡介

頂管3#工作井-4#工作井區(qū)間在五里河公園內(nèi)布置3號工作井，再穿越渾河，過渾河南防汛堤后止于濱堤南側(cè)的4號工作井，區(qū)間全長836.504m。采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴止水帷幕對頂管部分工作井進行有效圍護，采用明挖順法施作主體結(jié)構(gòu)。采用鋼筋混凝土管節(jié)拼制頂管，要求管節(jié)長度2500mm，內(nèi)徑Φ3500mm，管厚320mm。本次設(shè)備選型適用于頂管3號工作井至4號工作井區(qū)間頂管隧道施工，隧道區(qū)間全長836.504m。

2 頂管機選型

2.1 施工工藝選擇

采用高效二次破碎功能，克服以往粗大顆粒較多難以排除的難題，該次設(shè)計針對該頂管區(qū)域土質(zhì)的特定情況具備該頂管機最大破碎粒徑300mm～400mm，二次破碎后最大進入泥水倉顆粒不大于40mm，設(shè)備組裝完畢，可在制造地進行動載破碎試驗確定是否滿足破碎要求。

2.2 傳動方式選擇

傳動方式為周邊傳動，平面主軸承在滿足安裝空間的情況下盡量取上限值暫定直徑2.5m，傳動部分采用259：1意大利進口30kW減速機10臺作為主動力。

2.3 胸板形式

該次泥水平衡頂管機中隔板為箱式結(jié)構(gòu)，利用平面軸承箱體，二次破碎裝置綜合組成厚度不小于500mm箱體，大大增加了整臺機器的抗壓強變。

2.4 刀具的綜合考慮

通過初次頂進累積的經(jīng)驗和周邊區(qū)域質(zhì)構(gòu)掘進的具體情況。刀具處理也是該工程成敗的主要因素，刀具除考慮耐磨外，刀盤制造上還要考慮可調(diào)換的方式，刀具選用上采用多元化，充分考慮該區(qū)域的不利因素。

2.5 設(shè)置全氣壓氣壓倉（人閘系統(tǒng)）

設(shè)計考慮刀具替換但現(xiàn)場由于環(huán)境的制約，仍無法進入泥水倉更換刀具?，F(xiàn)考慮在頂管機的中心部位安裝氣壓倉，（改為周邊傳動后中心位置有安裝空間）等刀具磨損到一定程度后，采用注漿方式形成泥膜（漿液采用水泥+膨潤土，根據(jù)試驗確定配比），使透水透氣的通道減至最小，等有一定強度后采用全氣壓施工工藝進入泥水倉，進行刀具更換作業(yè)確保作業(yè)施工安全。

3 頂管機刀盤和道具選擇

3.1 刀盤選擇

刀盤主要有復(fù)合式、面板式、輻條式三種類型。面板式刀盤具有擋土功能，能夠維持開挖面土體穩(wěn)定，但扭矩偏大；輻條式扭矩雖小，但無法維持開挖面穩(wěn)定，且其地表沉降較面板式更嚴重，根據(jù)本工程實際情況頂管3#-4#穿河頂管區(qū)間采用輻條式刀盤，開口率擬定為36%。

頂管機刀盤在砂卵土層作業(yè)時，可通過安裝網(wǎng)狀硬質(zhì)合金堆焊來減小磨耗，正面耐壓達35t，使用開閉式進泥口，面板后安裝攪拌翼，通過平衡土壓避免頂進時涌進土砂。

3.2 刀具的選擇

刀具的耐磨問題是穿河頂管工序中最值得關(guān)注的問題。砂卵地層會對刀具造成嚴重的磨損，若不使用硬度高耐磨的刀具，就不要在頂進中不斷換刀，會耗費工時。

本工程是在具有較高透水性的砂礫層和高水頭環(huán)境中作業(yè)，最長頂進距離836.504m，在刀盤設(shè)計時考慮到砂卵地層對刀具磨損較大，刀具設(shè)計為可拆卸式，如頂進過程中刀具磨損嚴重影響后續(xù)施工，將采取中途換刀措施。為避免中途換刀，刀頭的正面、側(cè)面都配有超硬質(zhì)合金PR30。同時，為了進一步提高刀具的抗折斷性，還摻入了稀有金屬鈷。用銀焊接刀頭與母體連接處部位，其強度大于銅熔接，母體表面采用雙層熔接，熔接硬度與HF-800K相當，厚度至少為3mm。

刀具包括切削類和滾動類兩種類型。本工程采用刀具中心切削刀、保徑刀、刮刀、先行刀、菠蘿釘和菠蘿刀，分別安裝在刀盤中心、進泥口、刀盤面、刀盤外周，并使用超出頂管機外徑5～10mm的超刀。

3.2.1 先行刀（貝殼刀）

貝型刀是一種超前刀，在（大粒徑）砂卵石地層中頂進時，若使用滾刀型刀具，松散土體屑受到滾刀的擠壓會出現(xiàn)幅度較大的變形，反而會嚴重影響滾刀的切削作業(yè)，甚至使刀具失去切削頂進能力。所以貝型刀適合裝配在刀盤盤圈前端面，專門用來切削砂卵石。

3.2.2 刮刀

安裝在刀盤開口槽兩側(cè)的刮刀屬于軟土刀具。這種刀的工作原理是：隨著盾構(gòu)機的向前推進，切刀隨刀盤旋轉(zhuǎn)，對開挖面土體產(chǎn)生沿隧道前進方向的軸向剪切力以及刀盤旋轉(zhuǎn)切線方向的徑向切削力，在旋轉(zhuǎn)頂進過程中，刀頭、刀刃深入地層，對開挖面土體不斷進行切削。這種刀適用于粒徑小于400mm的沙礫松散地層。

3.2.3 中心切削刀

切刀不能設(shè)置在刀盤中心，為了提高對中心土體的切削和攪拌能力，可將一把大尺寸魚尾刀安裝在中心位置（魚尾刀的超前距離通常為600mm）。該刀型的設(shè)計及設(shè)置原理：第一，頂管機分兩步進行切削作業(yè)，通過魚尾刀對中心小圓斷面土體進行切削，之后逐漸擴大到對整個斷面土體的切削作業(yè)。魚尾刀不與其他刀具布置在同一平面內(nèi)，而是將魚尾刀作為超前刀使用，使其最先接觸土體。第二，采用根部為錐形的魚尾刀，以確保被切削下來的土在切向、徑向運動的過程中又多加入進行一項翻轉(zhuǎn)運動，一來能提高對中心土體的切削和攪拌能力，二來能有效提高頂管機整體掘進效率。

3.3 刀具配置設(shè)計考慮因素

①在作業(yè)過程中遇到構(gòu)造復(fù)雜的地層，而施工隊只掌握了部分地質(zhì)資料，無法全面反應(yīng)地層情況，在這種工況下配置刀具時，首先應(yīng)該結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造對刀具配置留有一定余量。

②風(fēng)化巖及軟硬不均地層需要配置切削刀和先行刀；砂卵石地層不僅要配置切刀，還要配置先行刀；切削型刀具適合軟土地層；復(fù)合地層則要各類刀具相互輪換使用?？傊趯嶋H施工中應(yīng)根據(jù)不同工況合理選擇刀具。

③刀具必須對稱布置，且覆蓋整個開挖斷面，以確保刀盤均勻受力，并平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)；每個軌跡須按正反方向安裝2把切刀；切刀排列方式主要有牙型交錯排列和整體連續(xù)排列，要根據(jù)實際工況合理選擇排列方式；在周邊刀的配合下拓寬直徑；根據(jù)作業(yè)面對滾刀安裝角度進行適當調(diào)整，可在其周邊多安裝幾把滾刀，以保證滾刀純滾動。

④安裝刀具時用擴栓固定，或者設(shè)計轉(zhuǎn)接箱，以便于后期拆卸和維修。

⑤根據(jù)實際工況選擇耐磨且硬度較高的材料，并配合使用合金鑲嵌技術(shù)；使用具有耐磨特性的刀盤和開口槽；結(jié)合具體工況科學(xué)地加泥、加泡沫，在切削過程中盡量避免刀具磨損或受到?jīng)_擊，以延長刀具使用壽命。

⑥根據(jù)實際工況合理選擇不同尺寸、型號的刀具，并對刀具的超前量及相互高差進行適當調(diào)整，在切削作業(yè)中盡量確保不擾動周邊土體，刀具磨損應(yīng)該是均勻的，以確保刀具的切削性能得到充分發(fā)揮。

⑦裝配超聲波探測式、液壓式、電磁式專用于刀具磨損監(jiān)測及預(yù)警的裝置。

4 砂（卵）土層頂管機二次破碎技術(shù)

根據(jù)以往施工經(jīng)驗，直徑大于30cm卵石含量達10%，土體受到不同程度擾動，頂管機必須采用二次破碎裝置，緊靠一次破碎達到能輸送的粒徑，大大縮短刀具使用壽命，不利于節(jié)約工期。

擬采用頂管機選用先進的刮刀、先行刀、保徑刀，可實現(xiàn)前方砂土的切削脫落，即一次破碎功能，通過一次破碎將礫石破碎成二破能接受的程度，然后由二次破碎將礫石破碎成能被輸送的粒徑。

擬采用多平衡綜合式頂管機，選用獨特圓形剪切破碎裝置作為二次破碎，能夠有效破碎，且因礫石是被機頭本體的破碎倉破碎，故破碎作業(yè)中應(yīng)防止頂管機引起機身旋轉(zhuǎn)，而破碎時振動幅度小，恰恰有助于控制頂管姿態(tài)。

5 頂管工藝流程

6 井內(nèi)布置

6.1 頂進布置

主頂裝置采用油缸六只，主頂千斤頂合計頂力可達30000kN。六只油缸有其獨立的油路控制系統(tǒng)，可根據(jù)施工需要通過主頂裝置來進行輔助糾偏。頂管所用的導(dǎo)軌為鋼制結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌底座與底板預(yù)埋件焊牢，側(cè)面用槽鋼支撐在沉井井壁上。導(dǎo)軌的中心距L=2200mm，導(dǎo)軌安裝時，應(yīng)盡量靠近井壁，導(dǎo)軌前端安裝在距止水裝置后0.5m。

6.2 頂力計算分析

頂管3號工作井至4號工作井區(qū)間Φ3500mm頂管全長836.504m，穿越的土層主要為層圓礫層和砂礫層，對頂管機頭和管節(jié)的頂進阻力進行估算：一是頂管機迎面最大阻力，二是管壁摩阻力，總頂力是二者之和。根據(jù)《ECS246：2008，中國工程協(xié)會標準》及給排水工程頂管技術(shù)規(guī)程中有關(guān)章節(jié)進行計算，施工中設(shè)置100m試驗段，對實際施工參數(shù)進行收集整理，以實際收集數(shù)據(jù)進行修正設(shè)定值，以指導(dǎo)工程后續(xù)施工。

fk—管道外壁與土的平均摩擦力（kN/m2），中粗砂為11-16kN/m2，該工程為圓礫層，按經(jīng)驗數(shù)值取減阻后25kN/m2；

L—管道設(shè)計頂進長度836.504m；

f0—中繼間設(shè)計允許頂力（kN）。

為了克服正面阻力和利用中繼間的輔助糾偏能力，第一只中繼間安裝在工具管前端面向后35m處，后續(xù)每60m安裝一只中繼間，頂進長度為L=35+60×11+141.504=836.504m，共計設(shè)置13個中繼間滿足頂管施工需要。

中繼間滿足以下要求：

①中繼間允許夾角宜大于1.2°；

②中繼間的合力中心可以調(diào)節(jié)；

③頂進土層為粉土和砂性土?xí)r，密封圈壓緊度應(yīng)可調(diào)節(jié)；

④超長距離頂管宜采用密封性能可靠、密封圈壓緊度可調(diào)及可更換的密封裝置；

⑤中繼間頂力富裕量，第一個中繼間不得小于40%，其余不得小于30%；

⑥中繼間在曲線段或軸線偏差段運行時，應(yīng)及時調(diào)整合力中心，確保中繼間轉(zhuǎn)角不擴大；

⑦中繼間拆除后應(yīng)將間體復(fù)原成管道，原中繼間處管道強度和防腐性能應(yīng)滿足管道原設(shè)計功能要求；

⑧鋼管中繼間拆除后，應(yīng)在薄弱處加焊內(nèi)環(huán)。

6.4 工作井后靠頂力計算及管材承載力計算分析

根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計主頂頂力為30000kN。在施工時，安裝的主頂油缸擴散鋼板尺寸為5m×5m，厚20cm，由兩塊28厚鋼板中間澆筑C30砼制作。擴散鋼板離后靠井壁5m用混凝土澆筑密實。本次頂管為直線頂管，后座組合鋼板安裝時其平面應(yīng)垂直于頂管軸線。后座鋼板反力計算如圖2。

如上圖2所示，在設(shè)計后座墻時，將后座鋼板支撐的聯(lián)合作用對土抗力的影響加以考慮，水平頂進力通過后座墻傳遞到圍護樁后的土體上，近似彈性的荷載曲線（為便于計算，曲線簡化為梯形力系），因而能將頂力分散傳遞，擴大支撐面?？赏ㄟ^以下公式進行計算：

7 頂管施工通病及保證措施（見表1）

8 結(jié)束語

在此施工技術(shù)的指導(dǎo)下，平均每天可日頂進9m，施工速度快，采用多平衡綜合式頂管機可針對不同地質(zhì)情況切換適當?shù)钠胶饽Ｊ?，安全性高，施工進度可控，減少大型設(shè)備的投入，節(jié)約成本，各項檢查結(jié)果均滿足規(guī)范及要求，為企業(yè)獲得了良好的經(jīng)濟和社會效益，且摸索出了適用于沖積砂（卵）土層頂管施工寶貴的施工經(jīng)驗，對類似工程具有較大的借鑒意義。

參考文獻：

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