軟土地區(qū)復(fù)雜環(huán)境下長距離大直徑頂管掘進(jìn)機(jī)選型研究*

顧 楊 徐冬寶 王 濤

1. 上海市城市排水有限公司 上海 200233；2. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200433；3. 上海城市非開挖建造工程技術(shù)研究中心 上海 200433

不同形式的頂管掘進(jìn)機(jī)具有不同的特點(diǎn)，對各種地質(zhì)情況的適應(yīng)性是有差異的，在頂管實(shí)際施工操作過程中的施工效率與地表變形精度控制等也是各不相同的，因此頂管工程成功與否很大程度上取決于頂管掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的選擇。根據(jù)目前頂管掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)形式較為多樣，要保證依托工程的順利進(jìn)行，頂管掘進(jìn)機(jī)選型必須按其自身特性與工程實(shí)際情況相結(jié)合的原則來進(jìn)行[1-3]。本文結(jié)合工程實(shí)踐，對軟土地區(qū)復(fù)雜環(huán)境下長距離大直徑頂管掘進(jìn)機(jī)選型進(jìn)行研究和探討。

1 工程概況

上海市污水治理白龍港片區(qū)南線輸送干線完善工程，主要建設(shè)內(nèi)容為長約26.21 km的污水輸送干管，全線干管采用頂管法施工，鋪設(shè)方式采用平行雙管，材質(zhì)為鋼筋混凝土，每節(jié)管的長度為2.5 m。管道內(nèi)徑4 000 mm，外徑4 640 mm，為國內(nèi)最大直徑頂管，且單次最大頂進(jìn)長度達(dá)2 039.82 m，為同直徑最長距離頂管。工程分為6 個標(biāo)段，SST2.2標(biāo)段頂管工程為外環(huán)8#井至迎賓3#井之間的輸送干管，西臨申江路立交（外環(huán)8#頂管工作井），東臨唐黃路（迎賓3#接收井），總長7 890.71 m，其中迎賓1#～3#區(qū)間內(nèi)頂管即為超長頂進(jìn)段，雙線皆超過2 000 m（圖1）。

圖1 工程示意

本工程頂管覆土厚度約為6～12 m，覆土淺薄處皆為穿越河浜及溝渠處。頂管主要位于③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和④層淤泥質(zhì)黏土，僅于局部頂管遇及②3砂質(zhì)粉土。③層、④層為軟黏性土層，厚度較厚，其強(qiáng)度低、滲透性差、含水量高、壓縮性高、靈敏度高，具觸變性和流變性，施工易受擾動，容易導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)。場地地下水埋藏較淺，地下水對頂管施工影響很大。淺層潛水由于頂管開挖出土產(chǎn)生水頭差而滲流，導(dǎo)致粉性土產(chǎn)生流砂，對頂管施工不利。

2 頂管掘進(jìn)機(jī)分類

維持開挖面穩(wěn)定是頂管掘進(jìn)機(jī)所應(yīng)具備的一項重要性能，故目前頂管掘進(jìn)機(jī)最常用的分類都是以其維持開挖面穩(wěn)定的性能作為分類原則的。依此原則可將頂管機(jī)劃分為兩大類：敞開式頂管機(jī)，該頂管機(jī)工作面上及其后沒有壓力封閉區(qū)，施工人員可方便地進(jìn)出工作面，有利于采用機(jī)械作業(yè)；平衡式頂管機(jī)，該機(jī)通過在工作面與后續(xù)盾尾之間設(shè)置1 道封閉的壓力墻來建立頂管頂進(jìn)施工的壓力平衡機(jī)制。同時，根據(jù)所采用的不同壓力平衡介質(zhì)，還可將平衡式頂管機(jī)劃分為3 種：土壓平衡式頂管機(jī)、泥水平衡式頂管機(jī)和氣壓平衡式頂管機(jī)。

當(dāng)在地下水位以上的穩(wěn)定土中進(jìn)行頂管施工時，其開挖面基本是穩(wěn)定的。頂管機(jī)的工具管端一般是敞開的，采用人工或機(jī)械挖掘方式出泥，故穩(wěn)定土中的頂管機(jī)被劃分為敞開式頂管機(jī)。

當(dāng)在地下水位以下進(jìn)行頂管施工時，所穿越的土層多數(shù)為不穩(wěn)定土，頂管掘進(jìn)機(jī)正面壓力必須與開挖面的水土壓力相平衡，才能維持開挖面的穩(wěn)定，故不穩(wěn)定土中的頂管機(jī)被劃分為平衡式頂管機(jī)。

目前敞開式頂管機(jī)應(yīng)用已較少，絕大多數(shù)的頂管工程都是使用的的平衡式頂管機(jī)。

3 頂管掘進(jìn)機(jī)選型分析

頂管機(jī)頭設(shè)備在頂管實(shí)際施工操作過程中，對地質(zhì)情況的適應(yīng)、施工效率與地表變形精度控制是各不相同的，因此正確選擇頂管機(jī)是頂管施工的首要任務(wù)。目前頂管掘進(jìn)機(jī)的形式樣式眾多，其所具有的性能也各有千秋，如選擇失當(dāng)，會造成不良的后果。其選型的依據(jù)主要有工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、區(qū)間頂管線路條件、混凝土管節(jié)結(jié)構(gòu)、管邊曲率半徑及造價、工期、安全及環(huán)境保護(hù)等，并參照國內(nèi)外工程實(shí)例及相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，按照通用性、可靠性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一的原則，進(jìn)行頂管機(jī)合理的設(shè)計選型。

課題背景工程相對于國內(nèi)已施工的頂管工程有一些自己獨(dú)特的難特點(diǎn)：管道內(nèi)徑4 000 mm，外徑4 640 mm，為國內(nèi)最大直徑頂管；內(nèi)徑4 000 mm管道總長計52 km；單次頂進(jìn)長度達(dá)2 039.82 m，為同直徑最長距離頂管；工程全線皆為雙線并行曲線頂進(jìn)，最小曲率半徑為800 m，管外壁最小間距僅為4.42 m；覆土較深，管頂覆土約8～11 m；管道需承受8～20 m的內(nèi)水壓力，即使考慮地下水平衡部分壓力，也有最大約12 m的水頭內(nèi)壓。

頂管掘進(jìn)機(jī)作為頂管施工的最關(guān)鍵設(shè)備，其功能性必須能夠適應(yīng)頂管施工過程中遇到的各類問題。針對背景工程地質(zhì)特點(diǎn)和工程條件，對本工程頂管機(jī)有如下要求：最小平面曲率半徑800 m，設(shè)計選型中要考慮頂管的靈敏度；在合適的組段能夠達(dá)到較高的掘進(jìn)速度；在地質(zhì)復(fù)雜區(qū)段中，有必要手段能夠?qū)η胺降貙舆M(jìn)行超前探測，以便采取相應(yīng)的施工技術(shù)措施；頂管機(jī)必須具備較強(qiáng)的穩(wěn)定開挖面的能力，確保開挖面穩(wěn)定性，最低限度減少地層損失；要防止開挖面坍塌的襲擊，防止刀盤土倉輸入口大量水滲透，防止流沙的滲透；頂管機(jī)有良好的密封性能，要求頂管機(jī)要有較高的防止?jié)B水的能力，同時具有抗拒氣體泄漏的能力；具有渣土改良系統(tǒng)，將各種土質(zhì)改良成頂管機(jī)工作所需的塑流體；頂管機(jī)頭在不同地質(zhì)和環(huán)境條件下均具有足夠的可靠性及良好的可控性和糾偏性。

土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)以其高度可靠的平衡性能，在地面沉降嚴(yán)格的管道施工中經(jīng)常采用，且由于土壓平衡頂管機(jī)采用干出泥，無需進(jìn)行泥水處理，對環(huán)境污染最小，但其適用土層有限，僅為淤泥和流塑性的黏性土。雖然其適用土層不多，但這些土層正是沿海城市淺埋管道常遇到的一些土層，故土壓平衡頂管機(jī)的應(yīng)用范圍仍然是很廣的。

基于上述的考慮，由于工程條件復(fù)雜且要求較高，根據(jù)本工程的特點(diǎn)，且為確保該工程順利進(jìn)行，經(jīng)過比較，土壓平衡頂管機(jī)更適宜于本工程頂管施工，故選用Φ4 640 mm土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)及相關(guān)設(shè)備來完成該標(biāo)段的頂管施工任務(wù)（圖2）。

圖2 頂管機(jī)剖面示意

所選擇的頂管機(jī)設(shè)備總質(zhì)量約為180 t，主機(jī)部分質(zhì)量140 t，長度8 090 mm，機(jī)頭至1#臺車為3×2.5 個混凝土節(jié)，總長度約為41 m。頂管機(jī)分主機(jī)和后配套設(shè)備兩大部分，后配套設(shè)備分別安裝在4 節(jié)后續(xù)臺車上。

頂管機(jī)前部是旋轉(zhuǎn)切削刀盤，工作時在主推油缸的作用下可以對開挖面雙向正反轉(zhuǎn)切削，通過安裝在切削刀盤上的先行刀、切削刀、周邊刀將開挖面上的土體切削下來送入土倉，然后與注入土倉中的添加材料攪拌后以流塑性土體的形式通過螺旋機(jī)排土。

主機(jī)由前段殼體、中段殼體、后段殼體用鋼板焊接而成，圓形筒體局部配有筋板、環(huán)板等一些加強(qiáng)筋，具有耐水、耐土壓、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。

本工程所選擇的Φ4 640 mm超大直徑土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)具有如下一些技術(shù)特點(diǎn)：

（a）頂管機(jī)采用9 臺減速機(jī)，液壓馬達(dá)驅(qū)動，扭矩較大且具有無級變速功能，能滿足許多不同地層中的掘進(jìn)需要。適合黏土、砂質(zhì)、泥沙、粉質(zhì)黏土層、中粗砂、圓礫卵石等地質(zhì)條件，并能滿足4.5～25 m埋深環(huán)境和地下水情況下使用。

（b）頂管機(jī)為能滿足從砂層到軟土層的加泥式土壓平衡頂管機(jī)，在土倉內(nèi)上下左右配置了4 個土壓力傳感器，通過自動土壓控制系統(tǒng)中的PLC能將土倉中的土壓傳送到操作臺上的觸摸顯示屏顯示，并且能自動地與設(shè)定土壓進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速，土壓過高過低都會在操作臺上報警直至停機(jī)，因此能很好地控制土壓平衡，減少地面沉降。

（c）刀盤結(jié)構(gòu)為幅條型，刀盤結(jié)構(gòu)比較簡單、結(jié)構(gòu)堅固、強(qiáng)度高、剛度大，由于刀盤開口率大（66％），故耐磨程度高，刀盤的設(shè)計及刀具的配置選擇及布局合理，具有足夠的壽命。

（d）設(shè)有可控制的設(shè)備和管路以方便膨潤土及添加劑注入，刀盤上開有4 個注入口能對開挖面的土體進(jìn)行充分改良，并且在土艙胸板處設(shè)置4 個膨潤土及添加劑的注入口，螺旋機(jī)上設(shè)置2 個膨潤土及添加劑的注入口，從而達(dá)到改善渣土性質(zhì)，改良渣土流動性的目的。

（e）糾偏油缸布置在45°方向上，4 組油缸具備良好的糾偏性能，保證能適應(yīng)不均勻地層中的管道軸線控制。糾偏油缸每組3 個油缸的油路串聯(lián)在一起，每次糾偏時任意二組（2×3 只）組合控制上、下、左、右糾偏。操作時控制三位四通電磁閥，可以二組同伸、另二組同縮，或二組同伸皆可達(dá)到糾偏效果。

（f）螺旋機(jī)采用軸帶式，后部、尾部中心排土，具有2 道閘門，配備緊急自動關(guān)閉裝置，能有效防止土倉前端沙土與泥水管涌，螺旋機(jī)葉片及前筒體堆有耐磨材料，抗磨性能優(yōu)越。

（g）機(jī)頭胸板上有人孔門，在氣壓下能進(jìn)行排障功能。

（h）機(jī)頭主機(jī)密封裝置能承受0.5 MPa以上的水土壓力。

（i）電氣和液壓元件質(zhì)量可靠，響應(yīng)迅捷，防水性能好，適應(yīng)管道內(nèi)高溫，高濕工作環(huán)境。

4 頂管掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

本工程所選用的Φ4 640 mm土壓平衡工具管全套設(shè)備包括工具管前段、中段以及后段，為國內(nèi)最大直徑頂管工具管。工具管管頂最大埋深12 m，承受著較高的水土圍壓、頂進(jìn)壓力及土倉壓力。對工具管自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等安全性分析，只有工具管自身結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度要求才能使用到實(shí)際的工程中[4]。

按照設(shè)計圖紙建立三維有限計算模型，為盡可能使工具管自身結(jié)構(gòu)偏于安全，建模計算時先不考慮工具管中外箱體、傳力環(huán)和內(nèi)箱體的強(qiáng)度剛度增強(qiáng)作用，盾尾放置油缸糾扭底板處各少2 塊筋板，前段加強(qiáng)圈滿布整個圓環(huán)。前段、中段之間考慮鉸接，中段、后端之間為剛接。計算結(jié)果見圖3、圖4。

從上述計算結(jié)果可知工具管在承受既定的水土圍壓和頂進(jìn)力的情況變形偏大，且應(yīng)力也已經(jīng)超過其許用應(yīng)力，因此對工具管結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部修改。把外箱體、傳力環(huán)和內(nèi)箱體放進(jìn)去，盾尾放置油缸糾扭底板處各增加2 塊筋板，前段加強(qiáng)圈進(jìn)行一定的優(yōu)化，沒有滿布整個圓環(huán)，只在糾偏千斤頂區(qū)域布置加強(qiáng)圈，此外土倉前面板厚度由第1次的40 mm變?yōu)?0 mm，再次建模計算。其結(jié)果見圖5、圖6。

圖3 變形圖（最大值13.7 mm）

圖4 應(yīng)力圖（最大值454 MPa）

圖5 變形圖（最大值0.5 mm）

圖6 應(yīng)力圖（最大值75 MPa）

對比前后2 次的計算結(jié)果，頂管掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)變形由最大13.7 mm變?yōu)樽畲?.5 mm，頂管掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力由最大454 MPa變?yōu)樽畲?5 MPa。在頂管掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部優(yōu)化修改并加上外箱體、傳力環(huán)、內(nèi)箱體后，其強(qiáng)度、剛度有明顯的改觀，經(jīng)過局部優(yōu)化修改后的頂管掘進(jìn)機(jī)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度能滿足實(shí)際施工工況的要求。

5 結(jié)語

本文對頂管掘進(jìn)機(jī)選型的重要性和頂管機(jī)的分類進(jìn)行了闡述，并以目前國內(nèi)最大直徑且同直徑最長距離頂管工程——上海市污水治理白龍港片區(qū)南線輸送干線完善工程2.2標(biāo)為研究背景，對Φ4 640 mm土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)的適應(yīng)性、技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)及頂管機(jī)組成結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了研究和闡述，并用數(shù)值模擬的辦法驗(yàn)證了所選擇的頂管掘進(jìn)機(jī)力學(xué)設(shè)計方面的合理性。并根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行了局部優(yōu)化修改，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度都有明顯的改觀，滿足實(shí)際工況的受力要求，為該標(biāo)段工程頂管施工順利實(shí)施提供了設(shè)備保障，并能為今后類似工程提供借鑒。