龔?fù)⒚瘢?賈連輝， 諶文濤， 鄭永光

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，城市市政管網(wǎng)建設(shè)與改造、地鐵聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械化施工、管幕法大跨度隧道等地下空間開發(fā)工程的需求快速增加[1-2]。在此類工程施工中，頂管法具有自動化程度高、施工工藝簡單、占地面積小、高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用[3]。

20世紀(jì)80年代以來，我國機(jī)械式頂管技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。顧國明等[4]針對上海地區(qū)淤泥質(zhì)地層，設(shè)計(jì)了在口徑范圍φ1 350～1 650 mm內(nèi)可更換殼體的一機(jī)多用泥水平衡頂管； 孫峻[5]設(shè)計(jì)了適用于全斷面砂質(zhì)粉土地層、刀盤驅(qū)動具有前移和回縮滑動功能的泥水平衡頂管； 張振[6]對適用于淤泥質(zhì)黏土層的面板式泥水平衡頂管的刀盤和刀具進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)； 邢婭莉[7]將模糊控制的思想引入頂管泥水平衡控制中，提出了最優(yōu)壓力比的動態(tài)控制理念； 楊東發(fā)[8]對帶有圓錐擠壓二次破碎機(jī)構(gòu)的巖石頂管進(jìn)行了探究，對巖石頂管的設(shè)備選型進(jìn)行了初步總結(jié)。

但是國內(nèi)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的頂管絕大部分還只適用于淤、黏、粉、砂等軟土地層，而能夠適應(yīng)復(fù)合地層的硬巖泥水頂管在最近幾年才開始發(fā)展，雖然已有少數(shù)案例，但整體的設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平不高，耐用性差，自動化水平低，通用性不強(qiáng)[9]，不具備氣墊式泥水平衡、帶壓進(jìn)艙換刀等功能，對復(fù)雜地質(zhì)工況的適應(yīng)能力較差。在國外，德國海瑞克、德國MTS、日本ISEKI等少數(shù)幾個(gè)公司幾乎壟斷了整個(gè)復(fù)合地層硬巖泥水頂管市場。國內(nèi)的重、難項(xiàng)目使用的基本都是這種進(jìn)口設(shè)備，如港珠澳大橋拱北隧道項(xiàng)目[10]、杭州天然氣管道下穿富春江項(xiàng)目[11]等。

本文在國外復(fù)合地層硬巖泥水頂管技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合刀盤小型化設(shè)計(jì)、變位剪切二次破碎、防卡盾、低擾動掘進(jìn)、便捷換刀、防堵管等關(guān)鍵技術(shù)的突破與創(chuàng)新，研制出地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、綜合性能好、功能全面的適用于復(fù)合地層的硬巖泥水平衡頂管，并成功應(yīng)用于南寧市污水管道工程。

1 依托工程概況

1.1 工程概況

南寧市邕寧區(qū)污水管道工程全長約3.5 km，采用鋼筋混凝土管頂進(jìn)施工，管節(jié)內(nèi)徑φ2 800 mm、壁厚280 mm、長2 500 mm，埋深12～17 m，單個(gè)頂進(jìn)區(qū)間長度約240 m。

該工程地質(zhì)條件非常復(fù)雜，褶皺、斷裂比較發(fā)育，第四系殘坡積形成紅黏土③(Qel+dl)與下伏石炭系石灰?guī)r④(C1d)不均勻分布，其中既有全斷面紅黏土，又有全斷面硬巖，還有上軟下硬復(fù)合地層，局部有溶洞。石灰?guī)r飽和單軸抗壓強(qiáng)度最大超過110 MPa，節(jié)理不發(fā)育。紅黏土，硬塑狀，黏性好，干強(qiáng)度高，濕水后滑膩，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核，巨塊狀結(jié)構(gòu)。地下水為孔隙潛水和基巖裂隙水，水量較小。工程地質(zhì)縱剖面示意圖如圖1所示，巖土層主要參數(shù)見表1。

圖1 地質(zhì)縱剖面示意圖

表1 各巖土層主要巖土參數(shù)建議值

1.2 工程重難點(diǎn)分析

本項(xiàng)目主要面臨地質(zhì)條件復(fù)雜、狹小結(jié)構(gòu)空間與多功能需求的匹配設(shè)計(jì)難度大等難題，頂管的設(shè)計(jì)要滿足地質(zhì)適應(yīng)性最大化、微型化、集成化等方面的要求。主要技術(shù)難點(diǎn)有：

1)刀盤既要能夠具備較強(qiáng)的破巖能力，又要保證在黏土等軟土地層中高效開挖。刀盤開挖直徑僅為3.43 m，黏土層的大開口需求與滾刀的布置空間產(chǎn)生了巨大矛盾。另外，在上軟下硬地層中掘進(jìn)時(shí)，刀盤容易受到偏載作用，結(jié)構(gòu)受力條件差[12]。

2)在有土有巖的復(fù)合地層中，刀盤設(shè)計(jì)有一定的開口，同時(shí)滾刀的刀間距又無法設(shè)計(jì)得太小，經(jīng)滾刀一次破碎后仍會存在較大尺寸的巖塊進(jìn)入泥水艙，不便于泥水輸送，需要進(jìn)行二次破碎[8]； 而受到空間的限制，常規(guī)顎式破碎機(jī)構(gòu)沒有足夠的安裝空間，新型的二次破碎機(jī)構(gòu)成為亟需解決的技術(shù)難題。

3)在巖層中掘進(jìn)，邊滾刀易磨損，容易出現(xiàn)卡刀盤的現(xiàn)象，同時(shí)由于巖層的收斂和破巖石粉的堆積，極易造成盾體和管節(jié)被抱死的風(fēng)險(xiǎn)。

4)泥水艙體積小，進(jìn)、排漿流量與掘進(jìn)速度的微小變化會造成泥水艙壓力的較大波動，泥水艙壓力平衡控制難度大，沉降控制困難。

5)受到布置空間的限制，滾刀尺寸小，數(shù)量少，巖石強(qiáng)度高，刀具易磨損，同時(shí)該項(xiàng)目地層軟硬不均，存在刀具異常損壞的風(fēng)險(xiǎn)，而頂管空間狹小，如何實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)過程中快速、安全換刀也是一個(gè)重要的技術(shù)難題。

6)硬塑紅黏土遇水變黏、膨脹，受擠壓后非常容易糊刀盤、結(jié)泥餅、堵塞泥水管路。

2 頂管關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 多適應(yīng)性復(fù)合刀盤小型化設(shè)計(jì)技術(shù)

為了在硬巖、復(fù)合地層等各種地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)高效開挖，從刀盤結(jié)構(gòu)形式、刀具布置與安裝等方面進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，并通過仿真分析對其強(qiáng)度、剛度進(jìn)行校核優(yōu)化，使刀盤地質(zhì)適應(yīng)性實(shí)現(xiàn)最大化。

1)采用“輻條+小面板”復(fù)合式刀盤結(jié)構(gòu)，在保證可安裝刀具數(shù)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)24%的開口率，滿足了在巖層中有效避免大石塊進(jìn)入泥水艙、在砂層中有效保持掌子面穩(wěn)定、在黏土等軟土地層中防止結(jié)泥餅等功能需求。針對風(fēng)化巖地層加劇刀盤磨損的特點(diǎn)，在刀盤前面板、大圓環(huán)外表面、刮刀保護(hù)塊、扭腿表面堆焊耐磨層，保證整體耐磨性能[13]。刀盤結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 刀盤結(jié)構(gòu)示意圖

2)刀具采用滾刀、刮刀組合式設(shè)計(jì)，保證既有充分的破巖能力，又能實(shí)現(xiàn)刮碴與軟土的高效切削；通過刀具轉(zhuǎn)換座的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)滾刀和撕裂刀的互換，并具備背后換刀的功能。刮刀采用插拔式安裝方式，節(jié)省刀梁空間，如圖3所示。滾刀采用緊湊型單楔塊安裝方式，可實(shí)現(xiàn)快速更換。滾刀刀座直接在刀盤本體上加工，可節(jié)省10%的滾刀安裝空間，如圖4所示。

圖3 刮刀安裝示意圖

圖4 滾刀刀座

3)刀盤通過6個(gè)扭腿與驅(qū)動盤連接，主面板采用200 mm厚鋼板拼焊。對刀盤進(jìn)行靜力學(xué)分析[14]： 刀盤面板主要承受前方傳遞的水土壓力，根據(jù)地質(zhì)條件，取0.35 MPa，對刀盤前面板施加均布載荷；刀盤驅(qū)動設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)矩為1 200 kN·m； 約束刀盤法蘭盤，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。刀盤的最大等效應(yīng)力為195.53 MPa，小于刀盤所用材料Q345的應(yīng)力極限295 MPa； 刀盤最大變形量為2.99 mm，位于刀盤的邊緣； 刀盤剛度滿足要求。

載荷單位為MPa, 轉(zhuǎn)矩單位為kN·m。

(a) 載荷、轉(zhuǎn)矩施加

(b) 變形云圖(單位： mm)

(c) 應(yīng)力云圖(單位： MPa)

2.2 變位剪切二次破碎機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

鑒于泥水盾構(gòu)常用的顎式破碎結(jié)構(gòu)占用空間大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，本文綜合剪切破碎、磨碎、沖擊破碎、擠壓破碎等常用破碎形式的特點(diǎn)[15]，設(shè)計(jì)出一種變位剪切破碎機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)構(gòu)成如圖6所示。在前盾隔板前部沿切口環(huán)布置1周錐形環(huán)板(以下簡稱錐板)，錐板之間間隔布置有被動破碎板，下部的錐板上設(shè)計(jì)有漏碴孔，錐板、被動破碎板的傾角與刀盤扭腿以及焊接在扭腿上的主動破碎板的傾角保持一致。

圖6 容積變化變位剪切破碎機(jī)構(gòu)

Fig. 6 Volume changing and variable position shear crushing mechanism

當(dāng)?shù)侗P扭腿旋轉(zhuǎn)時(shí)，主動破碎板與錐板及被動破碎板之間會形成容積變化的破碎空間。刀盤一次破碎后的巖塊進(jìn)入泥水艙后，在泥水沖刷的作用下會懸浮在泥漿中，但受到排漿口負(fù)壓和重力的作用，大部分巖塊會在下部區(qū)域浮動； 粒徑小于80 mm的巖塊將通過漏碴孔被排出，粒徑大于80 mm和未來得及排出的小粒徑巖塊進(jìn)入相應(yīng)的破碎空間后會被二次或多次破碎，而后排出。

該破碎機(jī)構(gòu)主要有4種破碎形式，如圖7所示。

1)巖塊在隨主動破碎板旋轉(zhuǎn)時(shí)被被動破碎板卡住，進(jìn)而受到以剪切為主的力而被破碎，如圖7(a)所示。

2)部分巖塊進(jìn)入主動破碎板與被動破碎板及錐板之間形成的平行間隙中被磨碎，如圖7(b)所示。

3)少數(shù)大粒徑巖塊受到扭腿與被動破碎板的擠壓和剪切，進(jìn)而被破碎，如圖7(c)所示； 如果出現(xiàn)超大粒徑巖塊，被動破碎板已無法起到限位作用，巖塊會跟隨扭腿在整個(gè)破碎空間內(nèi)滾動，通過持續(xù)性的撞擊、研磨逐步將其破碎，如圖7(d)所示。

4)主動破碎板旋轉(zhuǎn)的軌跡與每一塊錐板平面之間會形成變?nèi)莘e破碎空間，破碎空間的容積有由大變小和由小變大2個(gè)區(qū)域，落在由大變小區(qū)域的一定粒徑范圍內(nèi)的巖塊會受到擠壓而破碎，如圖7(e)所示。

(a) 剪切破碎示意圖

(b) 磨削破碎示意圖

(c) 大粒徑破碎示意圖

(d) 超大粒徑破碎示意圖

(e) 變?nèi)莘e擠壓破碎示意圖

圖7中標(biāo)注的A、B、C、D以及漏碴孔的尺寸大小為該變位剪切二次破碎機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，其具體數(shù)值是由刀盤一次破碎的巖塊粒度分布與目標(biāo)二次破碎粒度分布共同決定。其中，通過不同扭腿上主動破碎板厚度的變化實(shí)現(xiàn)主動破碎板與錐板之間的垂直間隙B的交替變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對不同粒徑大小的巖塊分批次逐級破碎，從而有效降低功耗，提高破碎效率。

2.3 防卡盾、卡管設(shè)計(jì)技術(shù)

為了解決在巖層中刀盤、盾體、管節(jié)容易被卡的問題，進(jìn)行了3方面的針對性設(shè)計(jì)。

2.3.1 刀盤超挖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為應(yīng)對卡盾問題，常規(guī)盾構(gòu)一般采用超挖刀等間距超挖，但中心驅(qū)動結(jié)構(gòu)形式很難設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)接頭，無法為超挖刀提供動力，所以等間距超挖不可行,見圖8(a)； TBM一般采用擴(kuò)挖刀偏心設(shè)計(jì)或抬升設(shè)計(jì)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間大，見圖8(b)[16]。

本文采用刀盤偏心超挖結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小的優(yōu)點(diǎn)，更適合小直徑頂管在硬巖中掘進(jìn)，如圖8(c)所示。刀盤偏心設(shè)計(jì)是將刀盤、主驅(qū)動的中心相對于盾體中心位置向上偏移了一個(gè)距離，來補(bǔ)償巖層的收斂量，刀盤直徑實(shí)現(xiàn)頂部超挖的同時(shí)保證底部外徑仍大于盾體，既能很好地控制掘進(jìn)姿態(tài)，又能有效地解決卡盾問題。

2.3.2 石粉導(dǎo)流槽設(shè)計(jì)

滾刀在破巖過程中往往會產(chǎn)生大量的石粉，石粉會隨著漿液進(jìn)入到盾體和管節(jié)四周的超挖間隙，進(jìn)而“抱”住盾體和管節(jié)，對推力的影響非常大，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致推不動。為了解決該問題，在刀盤外圈的加強(qiáng)環(huán)上特別設(shè)計(jì)了石粉導(dǎo)流槽，如圖9所示。導(dǎo)流槽的主要作用是在泥漿的帶動下引導(dǎo)石粉進(jìn)入排漿通道，降低進(jìn)入超挖間隙的概率。同時(shí)，也可向殼體外注入泥漿或者高壓水將石粉、巖屑帶回到泥水艙[17],如圖10所示。

2.3.3 黏土注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黏土注入系統(tǒng)的功能是將拌制好的黏土注入到盾體和管節(jié)的外側(cè)，其中在前盾和尾盾上各有一圈注入點(diǎn)，系統(tǒng)原理如圖11所示。黏土的注入可以及時(shí)填充開挖間隙，阻斷石粉進(jìn)入通道。同時(shí)，該系統(tǒng)還有以下重要功能： 1)強(qiáng)化泥水艙頂部的泥膜效果； 2)將泥水系統(tǒng)的泥漿與后部管節(jié)上注入的減摩泥漿隔斷，避免相互連通造成對減摩泥漿套的破壞； 3)及時(shí)填充間隙防止沉降； 4)黏土本身是一種非常好的潤滑劑，可以有效降低推進(jìn)力。

(a) 等間距超挖

(b) 擴(kuò)挖刀偏心超挖

(c) 刀盤偏心超挖

圖9 導(dǎo)流槽示意圖

圖10 石粉、巖屑沖刷示意圖

圖11 黏土注入系統(tǒng)原理示意圖

2.4 低擾動掘進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)

針對淺埋復(fù)雜地質(zhì)條件下沉降控制要求高的難題，本文以優(yōu)化配置、精準(zhǔn)測量、精確控制、工藝輔助為主體思路，進(jìn)行以下幾方面的設(shè)計(jì)。

1)在內(nèi)部空間狹小的條件下，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，完成了“泥水艙+氣墊艙”的雙艙設(shè)計(jì)，如圖12所示。在上軟下硬等不穩(wěn)定地層采用氣墊輔助平衡模式，具有壓力響應(yīng)速度快、沉降控制精度高的優(yōu)點(diǎn)[18]；在全硬巖或全黏土等穩(wěn)定地層采用直排式泥水平衡模式，具有出漿簡單、掘進(jìn)效率高的優(yōu)點(diǎn)。既實(shí)現(xiàn)了高精度沉降控制要求，又增大了設(shè)備的適用范圍。

圖12 “泥水艙+氣墊艙”雙艙結(jié)構(gòu)示意圖

Fig. 12 Double chamber structure of "slurry chamber + air cushion chamber"

2)在泥水艙、泥水管路總成設(shè)置有泥水壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測泥水艙、掌子面和泥水管路各個(gè)節(jié)點(diǎn)的泥漿壓力變化情況； 在氣墊艙設(shè)置液位傳感器，輔助氣墊平衡模式的控制，保證獲取沉降控制關(guān)鍵數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性、及時(shí)性、準(zhǔn)確性。

3)由于工程條件復(fù)雜，泥水循環(huán)系統(tǒng)工作的邊界條件隨時(shí)會發(fā)生變化，每一個(gè)條件的變化都可能引起掘進(jìn)操作的調(diào)整，特別是要調(diào)整泥水循環(huán)系統(tǒng)中眾多控制閥門的開閉狀態(tài)。本項(xiàng)目采用模式化操作與控制，實(shí)現(xiàn)了控制閥門動作數(shù)量、動作時(shí)間、動作順序的PLC自動控制，保證了各種模式的高效轉(zhuǎn)換，提高了泥水艙壓力控制的精度和泥水系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

2.5 狹小空間快捷換刀設(shè)計(jì)技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜地質(zhì)、狹小空間條件下刀具安全、高效、快捷的更換，針對帶壓換刀和常壓換刀的功能需求，分別從以下幾方面進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。

1)通過壓力控制，氣墊艙能夠作為人艙(單艙)來使用，通過控制進(jìn)、排氣壓力，在實(shí)現(xiàn)帶壓進(jìn)艙的同時(shí)，簡化了結(jié)構(gòu)，降低了成本。

2)預(yù)留人艙擴(kuò)展功能，將標(biāo)準(zhǔn)人艙模塊化設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的工作管節(jié)，如圖13(a)所示，方便與主機(jī)的安裝連接。

3)在地層相對穩(wěn)定的情況下，可從泥水艙隔板上的人孔對刀盤后面板開口進(jìn)行封擋(見圖13(b)，連接孔提前預(yù)留)，進(jìn)行常壓進(jìn)艙換刀。為確保安全，結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了雙重安全門以及安全逃生通道。

(a) 獨(dú)立人艙

(b) 刀盤開口封堵板(紅色部位)

圖13快捷換刀針對性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Fig. 13 Targeted structural design for swift cutter repalcement

2.6 防堵塞泥水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

針對黏土地層容易糊刀盤、結(jié)泥餅、堵塞泥水管路等問題，主要進(jìn)行了以下幾方面的針對性設(shè)計(jì)。

1)在空間緊湊的情況下，實(shí)現(xiàn)了包括旁通、反循環(huán)沖刷在內(nèi)的多種控制模式，有效降低了排漿口前端管路堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

2)采用自沖洗泥水循環(huán)系統(tǒng)，通過進(jìn)漿管路的有效分流與進(jìn)漿口的優(yōu)化布置，結(jié)合自控閥門系統(tǒng)的高效控制，有效利用進(jìn)漿的能量對泥水艙、排漿口等重點(diǎn)部位實(shí)現(xiàn)高效攪拌與沖刷。

3)在排漿口(見圖14)、前盾錐板與前盾隔板(見圖15)均布置了高壓水沖洗裝置，分別對破碎錐板上的漏碴孔和刀盤扭腿與面板進(jìn)行沖刷，有效避免了黏土地層中漏碴孔被堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，防止刀盤泥餅形成，使刀盤地質(zhì)適應(yīng)性實(shí)現(xiàn)了最大化。高壓水為單獨(dú)提供，高壓水系統(tǒng)間斷性短暫開啟，為保證泥水艙壓力平衡，沖刷時(shí)根據(jù)泥水艙壓力變化及時(shí)調(diào)整進(jìn)排漿流量。

圖14 排漿口高壓水沖刷示意圖

圖15 前盾錐板與前盾隔板噴口布置圖

3 工程應(yīng)用情況

目前南寧市污水管道工程已順利完工，設(shè)備及掘進(jìn)過程如圖16和圖17所示。在有土有巖的復(fù)合地層中，推進(jìn)速度為30～60 mm/min，最快日掘進(jìn)20 m；在全斷面巖層中，推進(jìn)速度為10～15 mm/min，最快日掘進(jìn)8 m。在同樣地層的南寧市軌道交通3號線平樂停車場出入場線盾構(gòu)區(qū)間右線施工中，在上軟下硬地層中推進(jìn)速度為15～25 mm/min，在全斷面灰?guī)r地層中推進(jìn)速度為1～6 mm/min[19]。

圖16 復(fù)合地層硬巖泥水平衡頂管

Fig. 16 Sample machine of hard rock slurry balance pipe jacking machine for composite ground

(a)

(b)

圖17設(shè)備掘進(jìn)情況

Fig. 17 Excavation site of equipment

在姿態(tài)控制方面，隧道中心軸線偏差控制在±25 mm以內(nèi)，地層沉降值控制在19.6 mm以內(nèi)，無地表隆起。

刀盤在硬巖、軟土及其復(fù)合地層中均取得了良好的應(yīng)用效果，如圖18所示。平均每個(gè)區(qū)間(240 m)的滾刀更換量為6～10把，主要為全斷面巖層和上軟下硬復(fù)合地層掘進(jìn)過程中的邊滾刀更換，刀具損壞形式主要是多邊偏磨和刀圈崩裂，如圖19所示。

(a)

(b)

(a)

(b)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)最大頂推力為25 000 kN,實(shí)際最大頂推力約為22 500 kN，總體上頂推力控制較好，但在頂進(jìn)距離約115 m處，新的一環(huán)開始頂進(jìn)時(shí)，施加全部頂推力后設(shè)備仍無法前進(jìn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上一環(huán)頂推力。分析其原因，有3種可能： 刀盤因邊刀磨損等原因無法繼續(xù)破巖、盾體被卡、后部管節(jié)被卡。由于鉸接油缸前期沒有伸出，刀盤無法后退，不利于進(jìn)艙觀察刀具磨損情況； 同時(shí)，盾體后部與管節(jié)之間沒有安裝測壓設(shè)備，不清楚頂力的分布情況，就不好判斷被卡的位置。所以得出2條經(jīng)驗(yàn)： 1)正常頂進(jìn)時(shí)鉸接油缸要伸出一定距離，方便在刀盤被卡時(shí)能夠及時(shí)后退，方便觀察和檢修刀具，同時(shí)通過鉸接油缸的壓力值可輔助判斷刀盤和前盾是否存在被卡的可能。2)在尾盾與管節(jié)之間最好安裝壓力測量儀器，一旦出現(xiàn)頂不動的現(xiàn)象，可以快速了解頂力的分布情況，有助于問題的分析解決。

施工過程中經(jīng)泥水分離裝置分離出的巖碴情況如圖20所示，通過粒徑篩分得到二次破碎粒徑累計(jì)概率分布圖如圖21所示。破碎后巖塊粒徑小于90 mm的概率接近100%，粒徑在50 mm以下的巖塊占比近92%，完全滿足預(yù)期。但同時(shí)可看出，0～10 mm巖塊占比較大，達(dá)到了17%，小顆粒過多意味著功率損耗過大，同時(shí)降低了破碎效率，所以還需要對破碎機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

(a)

(b)

圖21 二次破碎粒徑分布統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論與討論

本文依托南寧市污水管道工程，在全面分析頂管設(shè)計(jì)面臨的各項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開展多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的針對性研究。研制出的頂管具有功能全面、自動化水平高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，并取得了良好的應(yīng)用效果，推動了我國復(fù)合地層硬巖泥水頂管技術(shù)的發(fā)展，并得出以下結(jié)論:

1)對于小直徑復(fù)合地層硬巖頂管，“輻條+小面板”刀盤結(jié)構(gòu)、背后換刀功能、插拔式刮刀安裝方式、緊湊型單楔塊滾刀安裝方式、滾刀刀座直接在刀盤本體上加工等設(shè)計(jì)是非常必要的，能最大限度地提高刀盤的地質(zhì)適應(yīng)范圍與整體性能，在本文所述的硬巖、黏土及其復(fù)合地層中取得了良好的應(yīng)用效果。

2)相比顎式破碎機(jī)，變位剪切二次破碎機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，更能適應(yīng)小直徑頂管的狹小空間要求，以剪切為主的破碎原理更加匹配巖石剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度的特性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要考慮二次破碎后巖塊的可輸送性，也要考慮破碎效率和功耗，其中不同位置剪切空間大小的交替變化是必要和有效的。

3)刀盤偏心超挖、石粉導(dǎo)流槽和沖刷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、黏土注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)等是解決頂管在巖層施工過程中卡盾、卡管問題的有效方法。同時(shí)，通過本項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，頂力分布測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是必要的，有助于快速、準(zhǔn)確判斷被卡的具體位置。

4)“泥水艙+氣墊艙”的雙艙設(shè)計(jì)以及雙模式的切換功能可有效提高泥水平衡頂管的地質(zhì)適應(yīng)能力，同時(shí)將氣墊艙作為人艙(單艙)來使用，兼顧了功能需求與成本需求，有很好的實(shí)用性。

5)泥水自沖刷系統(tǒng)和高壓水沖刷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)泥水艙、刀盤扭腿、前盾錐板、排漿口等位置的高效攪拌與沖刷，防泥餅效果很好，但是對刀盤開口的沖刷效果欠佳，考慮到泥漿緩沖、阻隔的影響，將高壓水沖刷口布置到刀盤本體上是必要的。

存在的主要問題： 在黏土地層中的沖刷效果還有待進(jìn)一步提高，二次破碎數(shù)學(xué)模型等基礎(chǔ)理論需要進(jìn)一步研究。

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