張華芬，牛海杰，郝立釗，魏艷平

1中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

2中國石油管道局工程有限公司第五分公司，河北 任丘

1. 引言

系列化泥水平衡頂管設(shè)備設(shè)計是利用一套頂管主體設(shè)備進行多種口徑頂管施工，如設(shè)計的頂管設(shè)備可進行內(nèi)徑1.2、1.35、1.4 m鋼筋混凝土管的頂管施工，針對當(dāng)前國內(nèi)各種斷面頂管施工需求量的飛速發(fā)展，可減少設(shè)備的投入成本。

2. 參數(shù)分析

2.1. 關(guān)鍵參數(shù)

頂管施工設(shè)備的選型參數(shù)主要有[1]扭矩、動力、超挖間隙、頂力、結(jié)構(gòu)強度、泥漿輸送能力等。實現(xiàn)系列化的前提是保證設(shè)備有足夠的負(fù)載能力，因此必須對相關(guān)參數(shù)進行驗證方可實施。以主型號內(nèi)徑1.35 m的頂管設(shè)備為例進行分析，該設(shè)備電機功率88 kW，軸承承受最大扭矩261 kN?m，最大推力8000 kN，糾偏推力2400 kN，泥漿輸送管徑125 mm，超挖間隙40 mm。

2.2. 扭矩分析

以頂進全風(fēng)化砂巖為例，切削土體扭矩計算公式為：

式中：T1為切削土體所需扭矩，kN?m；D為設(shè)備外徑，m，取1.66 m；v為掘進速度，mm/min，取50 mm/min；n為刀盤轉(zhuǎn)速，r/min，取2.5 r/min；qu為土體單軸抗壓強度，kN/m2，取15 kN/m2。

抗土體磨阻力扭矩為：

式中：T2為抵抗土體磨阻力所需扭矩，kN?m；K為側(cè)壓力系數(shù)，1，取0.3；f為刀盤與土體摩擦系數(shù)，1，取0.3；γ為土體重度，kN/m3，取23 kN/m3；H為土體埋深，m，取20 m；D為刀盤直徑，m，取1.66 m；η為調(diào)節(jié)系數(shù)，1，一般取0.6～0.8。

由式(1)、式(2)可得，該設(shè)備在全風(fēng)化砂巖中的扭矩為143 kN?m，代入內(nèi)徑1.2、1.4 m的頂管設(shè)備參數(shù)，可計算出扭矩分別為110、155 kN?m，均小于設(shè)備最大扭矩261 kN?m，可共用該配置的軸承、減速機、電機等。

2.3. 頂力分析

根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》，管節(jié)阻力與頂進的長度、管徑成正比；設(shè)備的抗阻力與直徑的平方成正比[2]。以頂進100 m計算，內(nèi)徑1.2、1.35、1.4 m設(shè)備的頂力分別為2600、3031、3180 kN。頂力相差不大，均小于管節(jié)允許的頂力及主頂推力；事實上頂力可以通過后配套推進油缸進行調(diào)整。

2.4. 泥漿循環(huán)分析

1.35 m頂管泥漿管徑D為0.15 m，隧道輸送距離取L1= 100 m，地面管道總長20 m，豎井深度h1= 20 m，設(shè)定最低輸送流量設(shè)定為150 m3/h，渣漿泵送渣土密度ρ1= 1.2 t/m3。代入相應(yīng)的流體力學(xué)水頭損失經(jīng)典計算公式，可求出100 m隧道的水關(guān)損失僅3.5 m，而管節(jié)內(nèi)徑的變化對泥漿泵送量影響并不大，因此泥漿循環(huán)可采用同一套系統(tǒng)。

2.5. 殼體強度分析

按1.35 m頂管殼體20 mm厚度計算，鋼材彈性模量E= 210 GPa，泊松比λ= 0.3，密度ρ= 7850 kg/m3，慣性矩Ixy= 751468 mm4，在30 m埋深工況下頂進，通過驗算，結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

3. 頂管系列化范圍

上述計算僅以小斷面頂管為例，由上可得知，1.2、1.35、1.4 m頂管設(shè)備可共用同一套主部件。根據(jù)施工經(jīng)驗及相應(yīng)的計算，系列化設(shè)計的頂管范圍主要有以下：1.8、2.0、2.2 m頂管設(shè)備共用一套主部件；1.5、1.6、1.65 m頂管設(shè)備共用一套主部件；0.9、1、1.1 m頂管設(shè)備共用一套主部件。

4. 系列化頂管配置

通過對頂管參數(shù)的分析表明，在一定內(nèi)徑范圍內(nèi)的頂管設(shè)備可共用同一套主部件，而需要更換的主要部件為刀盤、殼體，其設(shè)計應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的管節(jié)規(guī)格進行調(diào)整。由于殼體變化，以下相應(yīng)部件需要做重新設(shè)計。

1) 排漿管。由于殼體變化，排漿管需要調(diào)整相應(yīng)位置，為便于排漿管調(diào)整，一般排漿管設(shè)計位置應(yīng)以系列化內(nèi)最小斷面的頂管尺寸為基準(zhǔn)考慮，即排漿管的位置應(yīng)布置靠上。在加大設(shè)備直徑后，以增加短節(jié)的形式將排漿口引伸到機頭底部。

2) 噴嘴。噴嘴的主要功能為沖刷刀具軌跡線、出渣孔，在刀盤變化后噴嘴可能無法噴射原軌跡線，因此噴嘴需設(shè)計為活動結(jié)構(gòu)，在改變直徑后調(diào)整噴嘴角度。

3) 尾盾承接環(huán)。尾盾承接環(huán)宜設(shè)計為螺栓固定方便拆裝的結(jié)構(gòu)，在改變殼體后，通過螺栓將新制尾盾承接環(huán)安裝即可實現(xiàn)與首環(huán)管節(jié)的連接。

4) 排漿泵配置。首臺排漿泵一般放置于第二環(huán)管節(jié)位置，因其彎頭具有一定高度而可能影響激光定向路徑，因此泵配置不宜過高，按系列化內(nèi)最小斷面的頂管尺寸為基準(zhǔn)設(shè)計。

5) 糾偏油缸。糾偏油缸位置受設(shè)備直徑影響，一般情況下均布于2點、5點、7點、11點位置，因此在殼體設(shè)計時考慮油缸安裝的位置，以系列化內(nèi)最小斷面頂管尺寸為基準(zhǔn)設(shè)計。

5. 結(jié)語

通過分析比對，一般情況下系列化頂管機均可涵蓋3種規(guī)格的鋼筋混凝土管頂進施工，最大程度地減小設(shè)備投入量，降低工程成本。

[1] 周民強. 頂管施工技術(shù)[J]. 甘肅水利水電技術(shù), 2005, 41(1): 86.

[2] 安關(guān)峰, 殷坤龍, 唐輝明. 頂管頂力計算公式辨析[J]. 巖土力學(xué), 2002, 22(3): 358-361.