復雜地質條件下的頂管掘進機研究

蘇皓

中鐵市政環(huán)境建設有限公司 上海 200331

1 引言

1.1 研究目的

在頂管施工中，頂管機操作人員能力、頂進軸線偏差、頂進阻力、土體擾動等因素都影響著頂管施工的成敗，并且頂管工程作為機械化程度較高的工程，其關鍵設備頂管掘進機的選型直接決定了工程是否順利進行，乃至是安全、質量、成本目標實現(xiàn)的關鍵。

為公司建設武漢市繡球山污水泵站及進出水管道工程穿南湖段頂管選擇能夠在16種地質條件下頂進的掘進機。

1.2 研究內容

此段頂管掘進機的選擇主要考慮以下幾個方面：

（1）刀盤及刀具

頂進土層地質復雜，設備需要針對性設計，刀盤開口率，刀具選擇既要考慮軟土刀具，又要考慮硬土的切削。頂進過程中刀具需要更換，刀具固定形式及布置皆需考慮；同時為保證換刀方便，在保證刀盤結構強度的條件下，盡可能滿足換刀空間的需要。

（2）掘進機動力

掘進機動力上要滿足軟土大扭矩的需要，同時綜合考慮頂管機的動力儲備以及主驅動減速機對空間的占用。

如何根據(jù)此次掘進的地質選擇合適的頂管掘進機成為該頂段能否順利成功的關鍵[1]。

（3）掘進機水路

要求設計的刀盤既能滿足軟土切削，又能滿足硬土切削。在掘進過程中，掘進機水路不僅需要保證刀盤能夠高效的切削土層，而且還要保證排渣的效率。所以如何在刀盤板面周圍分布設置水路孔對掘進機掘進的效率起至關重要的作用。

2 工程概況

2.1 土質分析

該工程穿南湖段頂管長度980m，頂管管徑DN3500mm，頂進管道穿越土層為：①粉質黏土（3-1、3-2、3-2a）；②粉質黏土夾碎石、角礫（3-3）；③淤泥質粉質黏土夾碎石、角礫（3-3a）；④碎石、角礫（3-4）；⑤殘積土（4-1）；⑥紅黏土（4-2）；⑦強風化泥質粉砂巖（5-1）；⑧中風化泥質粉砂巖（5-2）；⑨強風化泥質灰?guī)r（6-1-1）；⑩強風化含燧石黏土巖（7-1-1）；強風化硅質巖（7-2-1）；中風化硅質巖（7-2-2）；灰?guī)r（8-1）；強風化泥質砂巖（9-1-1）等16種土質，其土層性質部分參數(shù)如表1所示。

表1 土層性質部分參數(shù)表

此段頂管含巖石頂進長度約298m，占總頂距的30.4%，其中純巖頂進約35m，巖、土混合頂進約263m。

2.2 工程難度

此段頂管為一次性頂進超400m長度的長距離頂管，頂管距離越長，注漿減阻、中繼接力、洞內供電、井內運輸?shù)仁┕ぜ夹g難度越高。

在南湖水下頂進過程中若出現(xiàn)問題，無法在湖心采取“開天窗”的措施處理，要求頂進施工必須萬無一失。同時穿越16種不同地質，含土含巖，土層復雜，頂管掘進機選擇困難。

頂進管道最低埋深7.84m，為管外徑的1.89倍，雖然滿足頂管最低覆土要求（1.5倍管外徑），但是湖底淤泥厚度在2-4m，頂進的有效覆土變淺，而在淺覆土頂進可能出現(xiàn)頂進方向失控、頂進管道中間隆起失穩(wěn)等問題。

3 頂管掘進機選型

3.1 選型方案

穿湖頂管，優(yōu)先選擇泥水平衡掘進機進行頂管，其密閉的作業(yè)空間更為安全，但由于頂進地質中含有大量巖石，故要求頂管掘進機既能在巖石中掘進，又能在純土中掘進。而常規(guī)頂純土的泥水平衡掘進機不適合含巖頂管，故需選擇巖石掘進機，但常規(guī)的巖石掘進機在土層里掘進十分困難，因而需要對巖石掘進機進行適當改造，以便能夠在土層中順利掘進。

此次掘進機除常規(guī)要求外，針對這特殊地質，還需滿足以下要求：

1、掘進機主軸密封須適合在中風化、強風化巖層、粉質粘土、粉質粘土夾角礫及角礫碎石層中使用，要求主軸密封無故障運轉＞3km；護盾強度及密封性滿足地面15m以下使用要求。

2、刀盤及其刀具適用于硅質巖、強風化泥質砂巖、粉質黏土、殘積土、粉質黏土夾角礫、角礫及碎石等16種地層的切削，刀盤開口度廠家根據(jù)本工程自行設計，滿足施工要求；切削刀盤安裝牢固，能滿足刀盤正反轉及全斷面切削的要求，最外緣刀具的安裝應符合刀盤切削直徑的要求，刀具設計及選材需充分考慮本工程地質情況和特殊施工環(huán)境。

3、刀盤扭矩系數(shù)34～40，根據(jù)刀盤扭矩系數(shù)結合自身刀盤設計情況自行確定扭矩，近期需滿足16種不同地質條件的刀盤，遠期可便捷換切削巖石單軸抗壓強度60-200MPa的破巖刀具。

4、配備150mm泥水管路，泥水系統(tǒng)能夠順利排出粒徑50mm以下渣土。為防止在失電狀態(tài)下，泥水倒灌入頂管機內，泥水管接口前設置失電關閉裝置；配備前沖洗、中沖洗、外沖洗系統(tǒng)。

5、要求機內、機外雙控，機外控制為主，機內有合理的操作人員操作空間；控制系統(tǒng)要求采用自動化控制系統(tǒng)，選擇可靠性、兼容性、可擴展性、系統(tǒng)規(guī)模、運算速度、執(zhí)行效能高的PLC、工控機等控制器，控制系統(tǒng)要求能滿足工作環(huán)境，輸入、輸出響應靈敏。采用的網(wǎng)絡系統(tǒng)應有利于減少系統(tǒng)配線、機內線路布置合理等條件，可通過現(xiàn)場總線等網(wǎng)絡通訊技術（如canbus總線）提高頂管機轉井過程的效率并簡化系統(tǒng)配線。設置一定的保護電器設施，如過載、斷相、欠壓、過流、短路保護、監(jiān)測指示燈和互鎖裝置；機械、電氣互鎖機構（防止誤操作）等功能[2]。

6、動力參數(shù)確定：綜合考慮頂管機的動力儲備、以及主驅動減速機對空間的占用，選用的電機配置為8*45kW=360kW；頂管機刀盤扭矩經(jīng)驗設計公式：T=αD；α——扭矩系數(shù)，34～40，根據(jù)刀盤直徑，土質條件選擇；D——掘進機切削直徑，4.240m；T——扭矩，kN·m；刀盤扭矩的取值范圍為：2592～3049 kN·m。

經(jīng)過齒輪箱和減速機的配合選型，確定選用齒輪箱減速比為83/19，減速機的減速比258，滿足要求，刀盤的額定轉速為1.28r/min.；T=9550* P /1000n；n——轉速，1.28r/min;P——額定功率，360kW;經(jīng)計算，T=2686 kN·m，在刀盤合理扭矩范圍之內。

3.2 掘進機結構介紹

刀盤及其刀具要適用于硅質巖、強風化泥質砂巖、粉質黏土、殘積土、粉質黏土夾角礫、角礫及碎石等16種地層的切削，經(jīng)過業(yè)內頂管專家研討。

(1) 刀盤開口度，由制作廠家根據(jù)本工程設計，開口率29%，既要滿足出巖石渣土不堵口，又要滿足出粘土時不粘刀盤的施工要求。

(2) 切削刀盤安裝牢固，能滿足刀盤正反轉及全斷面切削的要求，最外緣刀具的安裝應符合刀盤切削直徑的要求。

(3) 刀盤要穿越中風化巖石層，滾刀是破巖的利器，滾刀布置必須按全斷面無布置。本復合刀盤設計滾刀20把，同時要求安裝滾刀位置的刀具能夠全部更換為刮刀。以便在純土層中頂進時，所有刀具能夠有效的切割土層，保證掘進機在純土中能夠正常頂進。

(4) 考慮要頂管還需穿越其它復雜地層，設計邊刮刀8把，切刀44把，超挖刀8把。

考慮到巖石掘進機與純土中頂進的掘進機不一致，為保證刀盤刀具的有效切割和有效排泥，我們對該巖石機的水路進行了設計要求，在掘進機里面共設計了12條水路。

4 成果與展望

4.1 應用成果

從初夏到晚秋，穿軟土，啃巖石，穿越16種復雜土質，克服重重困難，歷時172天，980m穿湖段頂管順利貫通。在有復合頂管機之前，至少要采用2套頂管機，一臺巖石頂管機，一臺泥水平衡頂管機，同時在湖里增加頂管工作井一座，相較傳統(tǒng)采用泥水、巖石頂管工法分別頂進方案，復合頂管減少費用500萬元，節(jié)約工期90天，取得了顯著的經(jīng)濟社會效益。公司技術實力得到武漢業(yè)主的認可，贏得了武漢地下空間施工市場[3]。

該頂段雖然順利貫通，但在頂進過程中，仍然出現(xiàn)了不少問題，如：(1) 無法有效排泥，迎面阻力增大；(2) 刀盤刀具磨損嚴重，切削土體能力減弱，迎面阻力增大；(3) 部分湖底覆土淤泥層過厚，頂進有效覆土較淺，同時頂管機刀盤泥倉水壓過大，導致湖底被擊穿。

針對問題(1) ，采取的解決措施是：降低循環(huán)泥漿池的泥漿濃度，由于泥漿池尺寸限制，增加污泥干化設備，在干化設備安裝期間，采用泥罐車外運泥漿池內的濃泥漿。取得效果：泥漿池濃度降低后，頂力有所下降，但仍然會出現(xiàn)排泥不暢現(xiàn)象。

針對排泥不暢現(xiàn)象起初的解決辦法是在頂進洞口處將進水管和排泥管進行互換，將排泥管臨時變?yōu)檫M水管，由此來疏通管道，但每次更換都比較麻煩，需要將進水管和排泥管拆掉再安裝，受掘進機換向閥改變水流方向的啟發(fā)，在進水管和排泥管之間增加一個換流機構，通過這個機構直接改變水流方向，則不需要再將管道反復拆除和安裝。

正常通水水流流向：CB-CB-CB-CB，換向通水水流流向：CA-AC-BA-AB。

通過換流機構雖然臨時解決了排泥不暢的問題，但迎面阻力缺并沒有減少多少。經(jīng)分析，還是掘進機泥倉里面的水路問題，于是再新增了一條進水管給泥倉內供水，由于掘進機本身結構，新增的水路只能通過掘進機頂部的人孔進入泥倉。

增加第二條水路后，頂進速度由原先的5m/d，變?yōu)榱?m/d，頂進效率明顯提高，迎面阻力也明顯下降，同時發(fā)生管道堵塞的情況也明顯下降；但掘進機泥倉內的壓力明顯變大，泥倉壓力變大則對頂進覆土要求就有所提高，壓力過大則容易造成覆土被擊穿，進水流失，無法進行泥水循環(huán)，導致頂進失敗。故根據(jù)覆土厚度與泥倉壓力控制好第二條水路的進水量十分關鍵。

針對問題(2) ，采取的解決措施是：停機更換刀盤刀具；同時在換刀期間，間斷注減阻漿液，以防止管道抱死。取得效果：換刀完成后，迎面阻力明顯下降。

針對問題(3) ，采取的解決措施是：對湖底進行拋砂加載處理，管內采取加重處理。取得效果：管道高程平穩(wěn)，未發(fā)生上浮現(xiàn)象。

4.2 展望

地下管網(wǎng)工程日益增多，復雜地質條件下的頂管工程也逐漸變多，不同地質條件下的頂管，選用合適的掘進機是頂管成功的首要條件，這不僅關系到頂管施工的成敗，同時也關系到成本的投入，合適的掘進機頂進效率相對較高，工程所耗時間短，投入成本相對減少。所以開發(fā)、設計及完善適用于復合地質條件下的頂管掘進機具有比傳統(tǒng)單一地質適應性頂管機更好的開發(fā)使用前景。

5 結束語

俗話說工欲善其事，必先利其器，在進行頂管施工前，首先需要對頂進的地質進行綜合分析，選取最合適的頂管掘進機，若需要對掘進機進行改造的，則在掘進機出廠前改造完成，盡可能不要在施工現(xiàn)場進行改造。當然，在頂管施工中，除了頂管掘進機外，其他頂進設備的選擇也同樣重要，選擇合適的設備都會有效的提升頂進效率。針對設備的易損件，如主頂液壓站電磁換向閥的電磁鐵；中繼間液壓站的柱塞泵泵頭；注漿泵的密封墊、軸承、插銷以及螺桿軸；排泥泵的聯(lián)軸器及總成等，在頂進施工前應備充足，避免因無更換件而停工。

針對本項目復雜地質條件下，選擇合適的頂管掘進機基本實現(xiàn)了預期的施工效果，為工程的順利完成提供了保障，也為復雜地質條件下的頂管施工積累了寶貴的經(jīng)驗。