TPD2 800型土壓平衡頂管機在回填土地層中的應(yīng)用

袁正中，劉永生，顧文斌，李 軍，王瑞杰

(湖北省地球物理勘察技術(shù)研究院，湖北武漢 430056)

TPD2 800型土壓平衡頂管機在回填土地層中的應(yīng)用

袁正中，劉永生，顧文斌，李 軍，王瑞杰

(湖北省地球物理勘察技術(shù)研究院，湖北武漢 430056)

介紹了TPD2 800型土壓平衡式頂管機的工作原理、構(gòu)造特點和刀盤改進的工藝特點。對改進型頂管機在低覆土厚度下的回填土地層中頂進時的土壓和頂速控制等進行了探討，結(jié)果該工程158 m試驗段DN2 400管道的貫通證明，只要選擇合適的設(shè)備，再加上有效的監(jiān)控措施，在覆土層厚度不低于0.5倍管外徑的前提下，應(yīng)用土壓平衡頂管法是完全可行的。此工程的成功實踐，標志著頂管設(shè)計、施工技術(shù)的重大突破，進一步拓展了頂管施工方法的應(yīng)用范圍。

頂管機;土壓平衡;低覆土厚度;回填土

1 工程概況

1.1 工程簡述

黃岡市東坡大道南段(紅衛(wèi)路—黃岡賓館)擬建B×H=2 500×3 000排水渠道，此是該市環(huán)湖截污疏浚的樞紐，其主要功能是收集排入遺愛湖的污水，集中轉(zhuǎn)輸至污水處理廠。受場地所限，放坡開挖施工不僅會影響交通、污染環(huán)境，而且周邊管線的協(xié)調(diào)與保護難度大，路面恢復(fù)費用高。從經(jīng)濟和環(huán)保考慮，施工單位應(yīng)業(yè)主要求在認真研究勘察資料(見表1)和實地踏勘后，初步?jīng)Q定采用DN2 400土壓平衡頂管方案。為確保施工順利，經(jīng)與設(shè)計、監(jiān)理、造價等單位溝通協(xié)商，達成了選取其中一段作為試驗段，成功后即全部采用頂管方式進行施工的協(xié)議。

1.2 施工難點及主要風險

(1)覆土厚度淺。場地屬堆積平原地貌，地形平坦，地面標高為21.00～21.60 m;而遺愛湖湖底高程為16.0～16.50 m。為保證排水順暢，排放口底標高定為16.20 m，即擬頂進的DN2 400“F”型鋼筋混凝土管道(外徑Ds=2.86 m)的管底距地面4.5 ～5.4 m，管頂距地面1.64～2.54 m(未考慮i=0.001 5的流水坡度)。從理論上講，覆土厚度不滿足≥0.8 D的土壓平衡頂管技術(shù)規(guī)范要求［1］。

(2)頂進層位土質(zhì)差。沿線15個勘探孔資料顯示：地層為人工填土、沖積物。而頂進層位正處于回填土地層，土質(zhì)不均且松散，特別是局部夾雜的塊石和建筑垃圾易導(dǎo)致切削刀盤卡死。

(3)周邊管線保護要求高。經(jīng)管線調(diào)查發(fā)現(xiàn)，擬頂管道兩側(cè)2～5 m范圍內(nèi)平行有自來水、電信、電力、天然氣管道和軍用光纜等，另有一條橫穿東坡大道進湖的污水箱涵。

此外，該工程社會影響力大。據(jù)初步了解：目前，在黃岡地區(qū)采用機械式頂管是第一次;在湖北省采用大口徑頂管施工是第二次(第一次是武漢青山變—廠前變Ⅰ回220 kV電纜線路隧道DN3 000頂管長370 m，覆土厚度15.1 m);在國內(nèi)采用土壓平衡法在雜填的低覆土厚度(0.5～0.6 D)下開展大口徑頂管施工尚屬首次。

2 頂管設(shè)備選型

針對試驗段覆土厚度低(見圖1，H=0.57Ds)，且土質(zhì)松散以及工期緊、周圍管線保護要求高等特點，本院結(jié)合多年的施工經(jīng)驗，選用了揚州廣鑫機械公司生產(chǎn)的TPD2 800型大刀盤土壓平衡頂管機(見圖2)，并對其切削刀盤進行了改進(見圖3)。

2.1 土壓平衡頂管的工藝原理

先由工作井中的主頂油缸推動頂管機前進，同時啟動刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體，切削下的土體進入密封土倉與螺旋輸送機中，并被擠壓形成具有一定土壓的壓縮土體;經(jīng)過螺旋輸送機的旋轉(zhuǎn)，輸送出切削的土體。密封土倉內(nèi)的土壓力值可通過螺旋輸送機的出土量或頂管機的前進速度來控制，使此土壓力與切削面前方的靜止土壓力和地下水壓力保持平衡，從而保證掘削面的穩(wěn)定，防止地面的沉降或隆起［2］。

表1 沿線勘察成果表(15個勘探孔)Table 1 Investigation achievements of lineside areas

圖1 試驗段3#工作井～2#接收井頂管斷面圖Fig.1 Section of pipe jacking in 3#working well and 2#receiving well

2.2 TPD2 800型土壓平衡頂管機的技術(shù)性能與特點

2.2.1 TPD2 800型土壓平衡頂管機結(jié)構(gòu)

主要由切削刀盤、刀盤驅(qū)動裝置、前后殼體、止轉(zhuǎn)裝置、聯(lián)接兩殼體的糾偏油缸組和鉸接密封裝置、出土螺旋輸送機、糾偏油缸液壓動力站和液壓管路、潤滑油脂泵和油脂輸送管路、加泥(水)裝置、驅(qū)動電機電器柜及頂管操縱臺等組成。

2.2.2 TPD2 800型土壓平衡頂管機的技術(shù)性能與特點

(1)適用土質(zhì)范圍廣，具有對土體進行改良的功能。通過加泥可把原來不具有塑性、流動性和透水性土體變成具有較好塑性、流動性和不透水性的土體。

(2)它既適用于N值為0的淤泥，也適用于N為50的砂礫和卵石層。

(3)施工后地面沉降小、棄土的處理簡單，可在外徑0.8倍以上的淺覆土層中施工。由于開口率＞50%，因此土倉內(nèi)顯示的土壓力更貼切。

2.3 TPD2 800型土壓平衡式頂管機刀盤切削功能的改進

2.3.1 刀盤改造后的主要參數(shù)

設(shè)計改造后，刀盤上各刀頭的高度分別為：1、2、3環(huán)處刀頭的高度為5 cm，4環(huán)處刀頭高度為6.5 cm，5環(huán)處刀頭的高度為8 cm，6環(huán)處刀頭的高度為9 cm，7環(huán)處刀頭的高度為10 cm。從刀盤截面看，它由各個刀頭組成了一個外截面圓大、內(nèi)截面圓小的錐形，兩圓切線的夾角為158°。

2.3.2 刀盤改造的主要目的

(1)刀盤上的刀頭組成錐形后，越靠近刀盤外圈處，刀頭向掘進面突出越長，且刀頭上的刃腳向中心傾斜。當?shù)侗P轉(zhuǎn)動時，最外側(cè)依次在7、6、5、4環(huán)處最先切削掘進面上的土層，從而使掘進面中間無壓力或者壓力較小，最終達到在頂進過程中減小掘進面上土壓力的目的。

(2)改造后的刀盤相對改造之前，將刀盤進泥口中間位置改變了一個角度(約158°)，且刀頭刃腳向中心傾斜。此目的是：在機頭掘進過程中，靠近刀盤最外圈的刀頭先將土層切削下來，由于刀盤進泥口中間位置改變了一個角度且刀頭的刃腳也向中心傾斜，將使作用在切削下來的土體上的轉(zhuǎn)動力矩方向改變，從而將土體的運動方向改變，在頂進力的作用下使土體緩緩的被轉(zhuǎn)動到泥土倉，最終達到增加泥土倉進泥量的目的。

此次改造后的刀盤，對土質(zhì)較硬的黃粘土效果最為明顯。

圖2 TPD2 800型土壓平衡頂管機刀盤Fig.2 Cutter disk of TPD2 800 Type of EPB pipe jacking machine

圖3 改造后的TPD2 800型土壓平衡頂管機刀盤Fig.3 Cutter disk of TPD2 800 Type of EPB pipe jacking machine after transformation

3 控制要點

針對試驗段覆土厚度低(上部土“壓力”不足)且土質(zhì)松散及工期緊、周圍管線保護要求高等特點，我們經(jīng)過認真分析認為“低速頂進，壓住機頭，克服上翹，防止地面隆起”是實現(xiàn)安全頂進的關(guān)鍵。對此，在做好軸線和高程控制的同時，重點加強了以下施工環(huán)節(jié)的控制：

(1)注漿減阻，改良土質(zhì)，降低頂力。減阻泥漿的運用是減小頂進阻力的主要措施;頂進時通過管節(jié)上的壓漿孔，向管道外壁注入一定量的減阻泥漿，在管道外圍形成一個泥漿環(huán)套，減小管節(jié)外壁和土層間的摩擦力，從而減小頂進時的頂力。事實說明：泥漿套的好壞，直接關(guān)系到減阻的效果。對此，我們不僅按1∶2布設(shè)注漿管節(jié)，同時在360°圓周上按“十”字型布設(shè)四個注漿孔，起到了良好的注漿與減阻效果［3］。158 m的試驗段頂管，全程最大頂力沒有超過5 000kN，只為理論計算頂力值的75%。

(2)嚴格控制土壓與頂進速度，防止地面變形。從理論上講：當P＜P主時，地面就會產(chǎn)生沉降;當P＞P被時，地面就會產(chǎn)生隆起［4］。所以，一般是通過調(diào)節(jié)推進速度和調(diào)節(jié)螺旋輸送機排土量來控制土壓力P(要求做到P主＜P＜P被)實現(xiàn)安全頂進。從實際操作來看，用調(diào)節(jié)推進速度來控制土壓，其特性較硬，變化較快。但是，在長距離頂進中，調(diào)節(jié)推進速度并不方便，調(diào)節(jié)要求需要從頂管機傳遞到后方主頂，推進速度變化后，需要較長時間才能通過數(shù)百米管道傳遞頂管機，這時土壓主要通過調(diào)節(jié)螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速來控制。

結(jié)合本試驗段的具體情況，按照“0”壓力值設(shè)置頂進土壓的初定參數(shù)，變“頂進—切削”為“切削—頂進”;并在頂進過程中，根據(jù)土層變化、覆土深度變化、地表沉降監(jiān)測等情況隨時調(diào)整土壓力。全程頂進速度控制在10 ～20 mm/min，土壓控制在 0.01 ～0.04 MPa范圍內(nèi)，始終控制土壓力不高于理論計算的最大值。

(3)及時排查設(shè)備故障和清除地下障礙物。為確保試驗段頂管的成功，本院選用了經(jīng)驗豐富的操作人員進行操作，技術(shù)人員24 h現(xiàn)場全程跟蹤，發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和頂進異常時及時進行排查;同時，在頂進中發(fā)現(xiàn)有障礙物時做到及時清除。

4 工程進度及質(zhì)量評價

本試驗段從2010年4月28日機頭開始出洞到5月18日機頭進洞，歷時20 d，頂程158 m，平均頂速7.9 m/d。由于操作人員認真負責，對頂速和土倉壓力控制較好，加之技術(shù)監(jiān)控措施和各項管理工作比較到位，除距3#工作井10～15 m處地面略有隆起外(自試驗段開始頂進至第四節(jié)管道時，操作人員為提高頂進速度，導(dǎo)致距3#工作井10～15 m處的大理石人行道出現(xiàn)0.1 m隆起)，其余部分均未出現(xiàn)地面變形，達到了設(shè)計規(guī)范要求。試驗段的施工速度和頂管質(zhì)量得到了業(yè)主和設(shè)計、監(jiān)理等單位的好評。

5 結(jié)論

土壓平衡頂管法在中國已有近20年的應(yīng)用與發(fā)展史，但是據(jù)初步了解，本工程應(yīng)用土壓平衡法在雜填的低覆土厚度下開展大口徑頂管施工，目前在國內(nèi)尚屬首次。

(1)該工程158 m試驗段DN2 400管道的貫通證明：只要選擇合適的設(shè)備，再加上有效的監(jiān)控措施，在覆土層厚度不低于0.5倍管外徑的前提下，應(yīng)用土壓平衡頂管法是完全可行的。此工程的成功實踐，標志著頂管設(shè)計、施工技術(shù)的重大突破，進一步拓展了頂管施工方法的應(yīng)用范圍。

(2)土壓平衡法在黃岡遺愛湖截污疏浚DN2 400管道頂管中的成功應(yīng)用以及TPD2 800型土壓平衡式頂管機刀盤的改進工藝與施工控制措施等，有助于推動土壓平衡式頂管技術(shù)的革新與進步，對今后類似工程具有一定的指導(dǎo)作用和借鑒意義。

(3)隨著城市化進程的加快和市政設(shè)施服務(wù)功能的進一步提升以及頂管設(shè)備制造工藝的日臻完善，土壓平衡頂管法以其適用土質(zhì)范圍廣和綜合成本低、施工周期短、環(huán)境影響小、不影響交通、施工安全性高等優(yōu)點，必將會有更加廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景。

［1］CECS246：2008，給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］馬保松.非開挖工程學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［3］鐘俊彬，王作民，曹玉萍.汕頭第二過海水管工程頂管穿越障礙物技術(shù)［J］.巖土工程技術(shù)，2009，23(6)：321 －323.

［4］馬保松，D.Stein，蔣國盛，等.頂管和微型隧道技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2004.

Application of TPD2800 Type of EPB Pipe Jacking Machine in Backfill Soil Sequence

YUAN Zhengzhong，LIU Yongsheng，GU Wenbin，LI Jun，WANG Ruijie
(Hubei Institute of Geophysical Prospecting Technology，Wuhan，Hubei430056)

The article introduces working principles＆ construction features of EPB(TPD2800)pipe jacking machine and process improvement of cutter disk.It discusses the improved pipe jacking machine of the soil pressure and jacking speed control in the shallow soil and backfill soil.

pipe jacking machine;EPB;shallow soil;backfill soil

TU992

A

1671－1211(2011)03－0265－04

2010－07－05

袁正中 (1964－)，男，高級工程師，物探專業(yè)，從事地質(zhì)工程 (物探)和市政非開挖技術(shù)的應(yīng)用研究與管理工作。E－mail：111YZZ111@163.com

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