◎ 閆浩鵬 中交二航局第五工程有限公司

頂管機(jī)最早始于1896年美國的北太平洋鐵路鋪設(shè)工程的施工中使用。1948年日本第一次采用頂管施工方法，在尼崎市的鐵路下進(jìn)行了一根內(nèi)徑為600mm的鑄鐵管，頂進(jìn)距離只有6m。國內(nèi)1953年北京第一次進(jìn)行頂管施工，1956年上海也進(jìn)行了頂管試驗。1978年上海開發(fā)了適用于軟粘土和淤泥質(zhì)粘土的擠壓法頂管。1984年國內(nèi)開始引進(jìn)國外的機(jī)械頂管設(shè)備，隨之也引進(jìn)了頂管理論、頂管施工方法；1988年上海研制成功我國第一臺土壓平衡掘進(jìn)機(jī)。

1.頂管機(jī)的概述

1.1 頂管機(jī)的組成

以湯遜湖項目HRC-4000A4S巖石泥水平衡掘進(jìn)機(jī)為例，主要零部件如表1所示。

表1 頂管機(jī)的零部件

整機(jī)設(shè)備外觀，如圖1所示。分為三個部分：刀盤、前筒、后筒。

圖1 巖石頂管機(jī)整機(jī)外觀圖

前視刀盤、后視筒體內(nèi)部，如圖2所示。由于頂管機(jī)管徑不同，工作面結(jié)構(gòu)類型不同，刀盤結(jié)構(gòu)和刀具分布也不同。由于頂管機(jī)管徑不同，所需動力大小不同，因此動力結(jié)構(gòu)形式也不同。圖中表示的是某種類型的頂管機(jī)，不代表全部。

圖2 刀盤正視圖和筒體后視圖

1.2 頂管機(jī)的工作原理

巖石頂管機(jī)采用的是泥水平衡法原理。頂管機(jī)正面刀盤合理布置滾刀、刮刀、保徑刀等刀具，依靠滾刀刀刃接觸巖石，千斤頂頂推加壓使?jié)L刀刀刃擠壓巖石龜裂，巖石受壓產(chǎn)生裂縫，形成分層破碎，然后刮刀進(jìn)行切削巖層，同時通過送水管路將水壓送到刀盤與巖石面之間，將切削下來的巖石塊在刀盤機(jī)械轉(zhuǎn)動下帶進(jìn)二次破碎倉，破碎倉由動錐扭腿和定錐體構(gòu)成，動錐扭腿旋轉(zhuǎn)與定錐體產(chǎn)生剪切，達(dá)到二次破碎效果[1]。當(dāng)二次破碎的石塊粒徑小于定錐體上的進(jìn)渣孔時，便由進(jìn)渣孔進(jìn)入泥艙，混合工作泥漿后被排泥管排出機(jī)外。接著由排泥管路排至地面的石水分離后，水被再度送進(jìn)頂管機(jī)內(nèi)循環(huán)使用。頂管機(jī)用后方的頂進(jìn)裝置作為前進(jìn)的動力，在工作井中推進(jìn)管材，再由管材將推力傳至頂管機(jī)向前頂進(jìn)。

2.頂管機(jī)的安裝

2.1 筒體安裝

在后筒筒體的密封溝槽安裝Y型雙道密封圈后，在前后筒密封連接的位置均勻飽滿的涂抹潤滑脂，然后將后筒豎起，安裝密封圈開口位置朝上，緩緩地吊起前筒，通過后筒密封環(huán)口垂直裝入后筒。前后筒吊裝完成后，再在前后筒的糾偏法蘭座上安裝糾偏油缸，通過銷和緊固件使糾偏油缸牢牢固定在鉸接位置。如圖3所示。

圖3 筒體安裝示意圖

2.2 糾偏系統(tǒng)安裝

糾偏油缸均勻布置在筒體的四周，分為右上組1號油缸、右下組2號油缸、左下組3號油缸、左上組4號油缸。每一組可以是1只油缸，也可以是2只油缸組合，糾偏油缸連接在前后筒之間，布置在筒體的內(nèi)壁上。

2.3 電氣系統(tǒng)安裝

電氣設(shè)備之間的連接主要是依靠航空插件或者電纜快速連接器來完成的，通過電氣設(shè)備間的連接可傳輸電能和傳送、反饋信號數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的操作和處理，保證頂管機(jī)的正常工作。

2.4 輸送系統(tǒng)安裝

輸送系統(tǒng)的安裝步驟為：將直通球閥、三通球閥與后水管進(jìn)行螺栓連接。兩個直通球閥一端連接直通球閥連接板，球閥上裝上擺板連接油缸，保證油缸位于收縮狀態(tài)，手動扳球閥使球閥正好在關(guān)閉的位置，連接球閥與油缸。一個三通球閥一端連接直通球閥連接板，側(cè)面連接旁通管路，球閥上裝上擺板連接油缸，保證油缸位于收縮狀態(tài)，手動扳球閥使球閥閥芯無孔的一面轉(zhuǎn)動到旁通管路的位置，連接球閥與油缸。右端后供水法蘭接口、前供水法蘭接口、排泥法蘭接口分別接上后供水軟管管路、前供水軟管管路、排泥軟管管路。至此完成泥水系統(tǒng)的安裝。

3.頂管機(jī)的施工風(fēng)險與控制

3.1 洞門鑿除坍塌控制

（1）頂管機(jī)出洞始發(fā)洞門采用三軸攪拌端頭加固增加洞門土體的自穩(wěn)性。

（2）在基坑導(dǎo)軌、主頂油缸架、出洞口嚴(yán)格控制好設(shè)計軸線，保證安裝精度，確保牢固穩(wěn)定。

（3）頂管機(jī)調(diào)試完成后，具備空推條件，根據(jù)水平探孔情況，酌情拆除十字型20工字鋼，鑿除外側(cè)磚封堵。

3.2 頂管機(jī)單次頂進(jìn)距離長

頂管單次頂進(jìn)長度長，頂管機(jī)設(shè)備性能可靠是施工重點(diǎn)，施工過程中若出現(xiàn)主軸承密封失效、刀盤磨損過大，維修難度大[3]。

（1）設(shè)計控制措施。

1）主軸、大齒輪、小齒輪均采用鍛打高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)過探傷、調(diào)質(zhì)、精加工、表面淬火、外圓磨等多道工序加工而成，主軸與齒輪間均采用滾動軸承的結(jié)構(gòu)方式。齒輪箱內(nèi)部采用閉式齒輪箱齒輪油潤滑。密封件采用油脂泵單獨(dú)自動定時供油潤滑；

2）配置的主軸承為雙列圓柱滾子軸承，推力調(diào)心滾子軸承，有效使用壽命10000小時；

3）刀盤額定扭矩2148KN·m，軸向受力動態(tài)承受載荷為12144KN；徑向受力承受載荷為6500KN；

4）主軸密封：集迷宮密封、沙密封、水密封、油密封等為一體的密封結(jié)構(gòu)。承受額定水壓4bar。

（2）施工過程控制措施。

1）建立完善的設(shè)備管理組織機(jī)構(gòu)及科學(xué)的組織管理體系。針對頂管機(jī)制定詳細(xì)、規(guī)范、科學(xué)的組織管理體系，實行系統(tǒng)化管理。借鑒以往頂管機(jī)施工的管、用、養(yǎng)、修成功經(jīng)驗，結(jié)合公司施工中的設(shè)備管理方式，對頂管機(jī)各系統(tǒng)實行工程師負(fù)責(zé)制，成立維保班和電工班為主的維護(hù)和修理組。

2）制定詳細(xì)的頂管機(jī)管、用、養(yǎng)、修制度。根據(jù)頂管機(jī)施工的特點(diǎn)，制定頂管機(jī)綜合管理制度、頂管機(jī)使用安全操作規(guī)程、頂管機(jī)維修保養(yǎng)制度、頂管機(jī)油水管理制度、頂管機(jī)狀態(tài)檢測制度和頂管機(jī)配件管理制度等；對頂管機(jī)的使用及維修保養(yǎng)人員進(jìn)行培訓(xùn)，實行定人、定崗、定機(jī)，包保管、包使用、包維修保養(yǎng)；建立頂管機(jī)履歷簿、運(yùn)轉(zhuǎn)記錄、狀態(tài)監(jiān)測記錄和維修保養(yǎng)記錄，實行頂管機(jī)的表格化管理；對頂管機(jī)進(jìn)行成本管理，詳細(xì)記錄和考核油料消耗、配件消耗、電力消耗、設(shè)備完好率考核以及設(shè)備利用率考核等工作，總結(jié)和積累頂管機(jī)的使用成本分析[4]。

3.3 頂管機(jī)上軟下硬地層掘進(jìn)施工

頂管機(jī)穿越粘土、粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾粉土過程中，因刀具對不同地層的作用效果不同，致使刀盤各區(qū)域受力不均勻、頂管機(jī)姿態(tài)產(chǎn)生偏移，易出現(xiàn)刀盤振動大、刀具磨損快及刀具異常磨損、掘進(jìn)速度緩慢，另一方面頂管機(jī)在上軟下硬地層施工的姿態(tài)控制、地面沉降及管節(jié)上浮控制是工程的難點(diǎn)。

（1）設(shè)計控制措施。

1）刀盤設(shè)計。①輻條采用拼板式結(jié)構(gòu)，刀盤中心區(qū)域后部加撐筋結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能穩(wěn)定可靠。②刀盤整體開口率為33%，其中刀盤外周部采用適當(dāng)小開口結(jié)構(gòu)，在水土易流失的地層中施工，可有效避免在開挖過程中因土體坍塌而出現(xiàn)地面沉降；為了防止刀盤結(jié)泥餅，開口采用中心大進(jìn)渣口，并在中心部位配備多路刀盤沖刷口，提高渣土流塑性。③刀盤耐磨設(shè)計：為了減少長距離刀盤本體的磨損，刀盤外環(huán)采用導(dǎo)流槽耐磨結(jié)構(gòu)設(shè)計，整個刀盤采用密集耐磨焊：30x30密集耐磨網(wǎng)格。④刀具布置設(shè)計：為增強(qiáng)滾刀破巖能力，減少滾刀磨損，增加滾刀壽命，刀盤外圈弧形區(qū)域采用鑲齒滾刀布置，刀間距按照線性、梯度減小。

2）為了防止?jié)L刀在粘土地層不轉(zhuǎn)偏磨，采用15寸重型楔形鑲齒滾刀，適當(dāng)調(diào)低滾刀啟動扭矩以此應(yīng)對滾刀在軟地層中偏磨不轉(zhuǎn)等異常損害。同時該滾刀應(yīng)對后面的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖也能保證破巖能力和效率。貝殼刀設(shè)置在刀盤外圈，起到保徑減少磨損的作用，同時貝殼刀和撕裂刀可以應(yīng)對卵礫石。撕裂刀起到先行的作用，可以對掌子面土層進(jìn)行剝離破碎，改善刀盤前方渣土流動性，同時降低刮刀的切削扭矩，提高刮刀的切削效率，減少刮刀磨損，滾刀高出盤面125mm，撕裂刀高出盤面105mm，刮刀高出盤面85mm。

（2）過程控制措施。

上軟下硬地層容易造成頂管機(jī)出現(xiàn)抬頭現(xiàn)象，軟硬交接面刀具容易受到瞬時沖擊，易崩壞。因此采取合理的施工方法可以減少此項危害：掘進(jìn)過程中嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，采用低貫入度，慢轉(zhuǎn)速，觀察參數(shù)變化，根據(jù)刀盤電流和推力波動情況以及出渣量，控制掘進(jìn)速度在10mm/min以下。對于參數(shù)突變，應(yīng)立即停機(jī)分析，不可盲目推進(jìn)。對于頂管機(jī)姿態(tài)向上抬情況，勤糾、少量糾的方法對機(jī)頭進(jìn)行軸線調(diào)整；避免猛糾偏對刀具造成損傷。

3.4 頂管機(jī)刀盤刀具結(jié)泥餅控制

頂管機(jī)穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粘土、粉質(zhì)粘土夾粉土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，該地層黏性顆粒含量較高，容易產(chǎn)生刀盤結(jié)“泥餅”現(xiàn)象，導(dǎo)致參數(shù)惡化，造成掘進(jìn)困難。

（1）設(shè)計控制措施。

1）泥水環(huán)流系統(tǒng)設(shè)計。前供水：當(dāng)設(shè)備在粘性土壤中掘進(jìn)時，需要啟動錐形破碎板前部的進(jìn)漿噴嘴。可有效地防止粘泥質(zhì)地層掘進(jìn)刀盤結(jié)泥餅、糊刀盤等問題。

2）刀盤高壓沖水。為了防止刀盤結(jié)泥餅，開口采用中心大進(jìn)渣口，并在刀盤表面配置5路沖刷口，提高渣土流塑性。

（2）過程控制措施。

1）利用粘土分散劑進(jìn)行粘土改良，粘土分解形成流動性泥土，降低刀具土體摩擦力，減少扭矩，改善土體流動性，同時也減少刀具偏磨和磨損。所以合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計+粘土分散劑是針對復(fù)合頂管機(jī)粘土掘進(jìn)的主流辦法。同時頂管頂進(jìn)過程中，施工方法采?。焊咿D(zhuǎn)速、慢推進(jìn)、強(qiáng)沖刷、大循環(huán)十二字方針進(jìn)行施工，尋求掘進(jìn)速度和循環(huán)系統(tǒng)相對平衡的關(guān)系。

2）嚴(yán)格控制渣溫，當(dāng)渣溫超過40°時，采取停機(jī)泡倉的措施降低溫度。

3）利用開倉換刀的時機(jī)，對刀盤及土倉進(jìn)行泥餅清理。

4.結(jié)束語

降低頂管機(jī)施工的風(fēng)險，保障施工人員的安全一直是我們關(guān)注的重點(diǎn)，本文以湯遜湖項目H RC-4000A4S巖石泥水平衡掘進(jìn)機(jī)為例，介紹其主要的組成部分以及工作的原理，分析了施工風(fēng)險的重點(diǎn)，從設(shè)計控制以及過程控制兩個方面提出了風(fēng)險防控的措施。