丁守陣

摘 要：文章以實際工程為實例，針對該工程的具體情況進(jìn)行了頂管掘進(jìn)機洞內(nèi)改造可行性分析，從而制定了對應(yīng)的泥水平衡頂管掘進(jìn)機洞內(nèi)組裝實施方案，并對該方案及其組裝施工技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

關(guān)鍵詞：頂管掘進(jìn)機 洞內(nèi)組裝 洞室施工

1.工程概況

頂管隧洞區(qū)間全長492.962m，周邊環(huán)境復(fù)雜，自中心公園內(nèi)SJ4井始發(fā)，沿振興路南側(cè)人行道至SJ4-1豎井接收。其中振興路南側(cè)管線密集、老舊低層建筑較多，管道與振興路南側(cè)建筑物水平距離約2.5～3.8m。頂管機以24.03‰設(shè)計上坡曲線頂進(jìn)，區(qū)間平面最大轉(zhuǎn)彎半徑R=2700m。

原計劃擬采用手掘式頂管掘進(jìn)機施工至SZ1K0+108.6處，再在洞內(nèi)組裝泥水平衡頂管掘進(jìn)機掘進(jìn)剩余區(qū)段，且將既有DN3200泥水平衡頂管掘進(jìn)機和洞內(nèi)原有手掘式頂管掘進(jìn)機改造為DN3500泥水平衡頂管掘進(jìn)機。

2.頂管掘進(jìn)機洞內(nèi)改造可行性分析

2.1頂管掘進(jìn)機選型分析

（1）手掘式頂管掘進(jìn)機：人工或機械開挖，后配套頂進(jìn)。優(yōu)勢：成本低、施工組織簡單、功耗小。缺陷：進(jìn)度慢、安全性差。

（2）泥水平衡頂管掘進(jìn)機：刀盤切削泥土，泥水輸送棄土，利用泥水壓力來平衡地下水壓力和土壓力。優(yōu)勢：①適用地質(zhì)范圍比較廣；②可有效平衡地下水壓和土壓力，控制挖掘面的穩(wěn)定，地面沉降?。虎勰嗨胶忭敼芫蜻M(jìn)機的切削力矩相對其他機種?。虎茏鳂I(yè)環(huán)境好，安全；⑤渣土運輸為連續(xù)作業(yè)，有利于保證推進(jìn)速度，最適宜于長距離頂管；⑥可集中控制，能減少施工人員；⑦非主機等特殊設(shè)計的設(shè)備通用性強。缺陷：①輔助設(shè)備和泥水處理系統(tǒng)數(shù)量多、技術(shù)復(fù)雜、占地大、水電消耗較高。泥水處理過程會產(chǎn)生振動和較大的噪音；②遇到障礙物，處理較困難。

（3）土壓平衡頂管掘進(jìn)機：通過對推進(jìn)速度與螺旋機排土量的控制使所建立的壓力保持穩(wěn)定，進(jìn)而減少對地層的擾動，使地層的隆降值控制在一定的范圍之內(nèi)；渣土不需要進(jìn)行泥水分離等二次處理。優(yōu)勢：①適用在淺覆土的狀態(tài)下工作；②是全土質(zhì)的頂管掘進(jìn)機。③棄土的運輸、處理比較方便，費用較少。缺陷：出渣不暢易導(dǎo)致土倉壓力大于周圍水土壓力，引起的深層變形或位移、地表隆起等；特殊地層需進(jìn)行渣土改良。

結(jié)合本區(qū)間的工程地質(zhì)情況及3種頂管掘進(jìn)機的優(yōu)劣特點對比分析，經(jīng)綜合考慮，本工程選用泥水平衡頂管掘進(jìn)機。

2.2泥水平衡頂管掘進(jìn)機改造可行性分析

本工程擬將既有的DN3200泥水平衡頂管掘進(jìn)機改造為DN3500泥水平衡頂管掘進(jìn)機。

（1）動力系統(tǒng)：現(xiàn)有DN3200泥水平衡頂管掘進(jìn)機動力配置為6臺額定功率為37kW的電機，最大輸出扭矩2460kN.m。剩余頂管機施工段主要位于礫質(zhì)粘性土與全風(fēng)化花崗巖層，頂進(jìn)阻力較小，巖層強度低，含水率大，扭矩值較小。動力系統(tǒng)滿足需求。

（2）刀盤擴徑分析：既有DN3200頂管掘進(jìn)機刀盤直徑3880mm，根據(jù)設(shè)計隧洞的直徑，刀盤直徑需擴徑至4180mm。在原有的刀盤刀具配置的基礎(chǔ)上，在刀盤外部0.8m的范圍（含擴徑部位）增設(shè)10把撕裂刀，總計配置76把撕裂刀（軟巖刀具、撕裂巖層）、50把刮刀（切削土體）、24把貝殼刀（效果同刮刀）。刀盤擴徑后刀具運行軌距滿足切削4.18m直徑范圍內(nèi)土體，擴徑后刀盤滿足需求。

2.3組裝洞室施工可行性分析

為保證洞內(nèi)組裝時刀盤能自由翻轉(zhuǎn)且預(yù)留足夠的操作空間，采用礦山法工藝施工組裝洞室。由于SZ1K0+108.6～ SZ1K0+166.74段隧道底部下伏中風(fēng)化花崗巖，先采用人工開挖洞室，然后頂管掘進(jìn)機再空推通過。組裝洞室設(shè)置于SZ1K0+166.74～SZ1K0+172.54段。刀盤直徑4180mm，左右兩側(cè)預(yù)留85cm空間；保證后續(xù)吊運桁架與吊運平臺搭設(shè)，頂部預(yù)留85cm、底部預(yù)留30cm空間。斷面尺寸為：寬5.8m、高5.3m、長5.8m。

3.泥水平衡頂管掘進(jìn)機洞內(nèi)組裝實施方案

3.1洞內(nèi)組裝工藝流程

洞內(nèi)組裝工藝流程具體如下：組裝洞室施工→驗收（若不合格則進(jìn)行洞外改造，包括刀盤改造和中隔板制作）→刀盤洞內(nèi)拼接→泥水倉改造→中隔板安裝→基座安裝→中軸與行星減速器安裝→刀盤安裝→輔助設(shè)備安裝→設(shè)備調(diào)試。

3.2組裝洞室施工

原隧道開挖直徑為4140mm，采用漸變段形式進(jìn)行礦山法隧道施工，漸變段采用3榀漸變拱架支護。漸變段完成后按標(biāo)準(zhǔn)尺寸施工擴挖洞室。支護形式：拱架間距50cm，錨網(wǎng)噴支護。

3.3拆解泥水頂管機

3.3.1現(xiàn)有DN3200頂管機構(gòu)造

分別由開挖系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、糾偏裝置及渣土處理系統(tǒng)5大部分組成。

（1）刀盤包含：刀尖、刀具、刀盤體等。

（2）動力系統(tǒng)包含：齒輪箱、行星減速機、驅(qū)動電機等。

（3）電氣系統(tǒng)包含：供配電、照明、控制、人機交互、數(shù)據(jù)采集等等。

（4）糾偏系統(tǒng)包含：糾偏泵站，糾偏千斤頂，油管等。

（5）泥水循環(huán)系統(tǒng)包含：泥水倉、泥水旁通，進(jìn)排漿管、中繼泵、清水池、調(diào)漿池、泥水分離機等。

3.3.2洞內(nèi)手掘式頂管掘進(jìn)機概況

洞內(nèi)手掘式頂管掘進(jìn)機示意圖如圖1所示。

3.4泥水平衡頂管掘進(jìn)機刀具配置與刀盤拆解

（1）刀盤擴徑

原DN3200泥水平衡頂管掘進(jìn)機直徑3880mm，刀盤在工廠內(nèi)改造擴徑為4180mm。

（2）刀具配置

刀具配備情況：根據(jù)地質(zhì)情況與刀具運行軌跡要求，現(xiàn)有的配刀基礎(chǔ)上，在刀盤外部0.8m的范圍新增設(shè)10把撕裂刀，合計配置76把撕裂刀、50把刮刀、24把貝型刀。

（3）刀盤拆解分析

①改造后刀盤直徑4180mm，已成型頂管隧道內(nèi)徑為3500mm。為保證刀盤通過成型管道運輸至擴挖洞室，并保證洞內(nèi)組裝質(zhì)量，分解塊數(shù)不宜過多。

②分解成2塊或4塊均會通過刀盤中心，后續(xù)拼裝質(zhì)量不能得到有效保證。

③考慮刀盤整體性，從副刀梁位置拆解刀盤。

3.5頂管機部件運輸及洞內(nèi)起吊裝置、刀盤安裝

（1）刀盤和齒輪箱在管內(nèi)搬運較為困難，其他設(shè)備配件的搬運較為容易。將刀盤兩側(cè)局部暫時割除，運至前面洞室內(nèi)再進(jìn)行焊接拼裝。

（2）隧道內(nèi)起吊設(shè)備的安裝：在擴挖隧道內(nèi)，先行搭設(shè)安裝簡易起吊平臺及起吊支架。頂管掘進(jìn)機主機內(nèi)殼內(nèi)起吊裝置的安裝：在頂管掘進(jìn)機內(nèi)殼上焊接起吊點，利用手拉葫蘆做起吊裝置。

（3）洞內(nèi)拼裝、焊接：①刀盤在隧道內(nèi)翻轉(zhuǎn)，并臨時吊放；②刀盤在隧道內(nèi)拼接成形；③刀盤在隧道內(nèi)拼裝、焊接、檢驗。

3.6泥水平衡頂管掘進(jìn)機泥水倉改造

原手掘式頂管掘進(jìn)機的長度、體積均不能滿足泥水平衡頂管掘進(jìn)機的泥水倉要求，故需要進(jìn)行改造。

錐體加長及中隔板焊接：前盾前方錐體段加長475mm（外殼厚30mm、斜錐厚25mm），增加前端密封中隔板（40mm厚鋼板），中隔板上方開600×500mm人孔保證封閉倉施工完成后進(jìn)入前端安裝刀盤與輔助設(shè)備拆除。

3.7泥水平衡頂管掘進(jìn)機組裝后試運轉(zhuǎn)

（1）連接進(jìn)回水管、壓漿管道后打開工作井內(nèi)的進(jìn)回水閥、壓漿閥；

（2）連接電纜：將動力、通訊、視頻信號、機頭控制等各類型電纜分別根據(jù)線路布置圖進(jìn)行連接。各電纜接頭連接必須正確并牢靠，洞口預(yù)留電纜必須超過管節(jié)長度的1.5～1.7倍；

（3）機頭送電：關(guān)閉電閘，通過向機頭供電，檢查機頭和操作室之間的指令和信號傳輸是否正常；

（4）啟動進(jìn)、回水泵：檢查回水管出水是否正常，機頭內(nèi)回水壓力表是否平穩(wěn)；

（5）打開截止閥、關(guān)閉旁通閥：打通回路以后，檢查泥水倉壓力是否正常，傳感器是否敏感性失效；

（6）啟動刀盤：根據(jù)主機的轉(zhuǎn)角確定機頭正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)；且在啟動過程中，注意刀盤電流和主機轉(zhuǎn)角變化速度。

4.結(jié)束語

綜上所述，頂管掘進(jìn)機在空推過程中易造成預(yù)制管節(jié)變形、甚至承插環(huán)變形、脫落導(dǎo)致管節(jié)破損滲漏水；如果進(jìn)行空推后再在洞內(nèi)進(jìn)行頂管掘進(jìn)機的組裝，需要提前預(yù)埋導(dǎo)向軌道，再用豆礫石回填預(yù)制管節(jié)與初支之間空隙，且需保證回填密實；組裝洞室需在頂管掘進(jìn)機組裝完成后將盾殼與初支之間的空隙用豆礫石回填，方可再次始發(fā)。

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