頂管機在含有鋼筋等柔性雜物復雜地層中的改進及應用

呂慶洲，唐夕明

(1.淮南聯(lián)合大學，安徽 淮南 232038；2.安徽唐興機械裝備有限公司，安徽 淮南 232009)

0 引言

通過回填方式形成的沿海陸地，地質(zhì)條件復雜，施工時經(jīng)常遇到含有鋼筋的混凝土、編織袋、帆布等建筑垃圾和拋石、碎石組成的復雜回填土層。在這些地段實施頂管施工時，鋼筋類柔性雜物往往會引起頂管機刀盤纏繞、破碎不完全、進渣孔和排渣管道或閥門堵塞、磨損等不良現(xiàn)象，引起頂管機負載增加、頂力增大、排渣困難、管道或閥門破壞等問題，嚴重時造成工程失敗。

含有建筑混凝土、拋石、碎石的復雜回填土層屬于土石混合體，其性質(zhì)隨著成分、含水率不同，具有明顯的非均勻性、離散性和各向異性。王凱[1]、宋上明[2]分析得出，在土石混合體地層進行頂管穿越施工時，土石混合體地層嚴重影響著隧道的穩(wěn)定性，常引起塌方、冒頂、隆起等整體失穩(wěn)，并研究了穩(wěn)定性影響因素和失穩(wěn)防治措施。在復雜的回填土地層條件下采用盾構和頂管施工的案例在國內(nèi)屢見不鮮，許多國內(nèi)同行在該領域進行了大量研究。劉述林[3]研究了隧道穿越回填土層的施工技術；袁正中等[4]研究了土壓平衡頂管機在回填土地層中的應用；何曉勇等[5]、潘國富[6]研究了泥水平衡機械頂管施工工藝的應用及對比；劉麗花[7]研究了回填土層施工受阻處理技術。這些研究和應用為回填土層進行頂管施工提供了豐富的參考經(jīng)驗，但針對含有大量鋼筋等柔性雜物和混凝土、石塊在內(nèi)的復雜回填土層下的頂管施工方面的研究甚少。

為有效解決鋼筋等柔性雜物引起的頂管施工難題，通過分析鋼筋的破碎特性和復雜回填土地層的特點，對頂管機結(jié)構進行改進和創(chuàng)新性結(jié)構設計，并對渣土排放設備進行改造設計。該創(chuàng)新技術在深圳海斯比頂管工程中得到成功應用，成功穿越了含有大量鋼筋等柔性雜物的建筑垃圾回填土層，以期為含有特殊柔性雜物地層的頂管技術研究提供借鑒。

1 復雜回填土層和鋼筋破碎特性分析

1.1 工程地質(zhì)情況

深圳南山區(qū)南海玫瑰園至海斯比污水排放頂管工程(簡稱海斯比頂管工程)采用DN1 350頂管，長400.7 m，穿越以建筑垃圾為主的特殊雜填土地層。經(jīng)地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)，填土層含有大量的混凝土塊、拋石、碎石，混凝土塊中含有大量的建筑鋼筋，其中還伴有大量的麻布、紡織袋、麻繩等柔性雜物，如圖1所示。

(a) 磚石、碎石 (b) 拋石

(c) 編制袋、麻繩 (d) 含有鋼筋混凝土圖1 回填土復雜地層Fig.1 Complex backfill strata

以建筑垃圾為主的雜填土地層土質(zhì)較松散，地層滲透系數(shù)大，施工時土層的擾動較大，加之地下水含量大，容易引起地表沉降甚至塌方。另外，由于地處填海區(qū)，海水與頂管施工的掌子面、注漿通道連通，海水會破壞注漿漿液的成分，改變漿液性能，嚴重影響注漿性能和效果，并對頂管施工設備造成嚴重腐蝕和破壞。

1.2 鋼筋破碎分析

混凝土中常見的鋼筋一般為HPB235和HRB335，但也會出現(xiàn)部分高強度鋼筋，其屈服強度可達400～500 MPa，延伸率可達25%左右,屬于韌性好、強度大的金屬材料。鋼筋混凝土的破碎與巖石破碎機制大不一樣，巖石型頂管機的刀盤布置有破巖滾刀，破巖滾刀以滾壓原理碎裂巖石[8]，也可破碎混凝土，但不易破碎鋼筋。滾刀擠壓鋼筋，能使之彎曲、變形，但很難使之斷、碎，因為滾刀在鋼筋上滾動只有滾動摩擦，其摩擦力很小，因此破碎鋼筋必須采用其他刀具切削和磨削的方法。盾構切削鋼筋混凝土選擇的最佳刀具為貝殼刀[9-10]。貝殼刀形狀類似貝殼，刀身寬，且由多片硬質(zhì)合金組成，切削刃角小(見圖2)，因此抗沖擊能力強，磨削能力強，既能破碎混凝土、石塊，又能切削、磨削混凝土中的鋼筋。

圖2 貝殼刀具Fig.2 Shell cutter

1.3 貝殼刀切削、破碎機制

貝殼刀刀身寬、剛度大、耐磨性強，刀身前后對稱，可滿足正反方向切削。在盾構上經(jīng)常應用貝殼刀具破碎鋼筋混凝土樁，其切口為V形，刀具上鑲嵌合金的強度遠遠大于鋼筋和混凝土的強度[11]。盾構和頂管刀盤采用刀具合金一般為鎢鈷類(YG)和鎢鈷鈦類(YT)，其硬度為HRA89～91.5，抗彎強度為880～2 060 MPa；而鋼筋的最大屈服強度只有500 MPa左右，剪切屈服強度只有400 MPa左右。

刀具的切削鋼筋過程近似銑刀銑削鋼筋過程，切削功率

P=42.4×10-5D-0.3BS0.75t1.1Zn0.8。[12]

(1)

式中：D為刀盤直徑；B為銑削寬度，即貝殼刀刀具寬度；S為走刀量；t為切削深度，由頂進缸控制；Z為齒數(shù)，即一周的刀具數(shù)；n為刀盤轉(zhuǎn)速。

因此，當遇到鋼筋切削時，需要降低頂進速度，減少進給量，有利于鋼筋切斷。對應的銑削力

F=CP·D-0.86·B·S0.72·t0.83·Z。[13]

(2)

式中CP為銑削力切削系數(shù)，當銑削鋼筋時，CP=214。

例如DN1 350頂管機，其刀盤布置貝殼刀合金材料為YG6，硬度為HRA89.5，抗彎強度為1 450 MPa，屈服強度為640 MPa。刀具布置直徑以最小直徑計算，取相關數(shù)據(jù)為D=700 mm，t=10 mm，B=60 mm，Z=2，S=20 mm，n=4 r/min，計算最小切削環(huán)所需功率P=1.3 kW，所需切削力F=5 kN?？紤]整個刀盤布置5～7組直徑由小到大切削的同心切削環(huán)，估算整個貝殼刀所需動力小于10 kW，切削力小于40 kN。由于貝殼刀在刀面上的高度高于滾刀和其他刀具10～15 mm，因此在切削深度為10 mm的情況下，貝殼刀消耗動力為主要部分，而整臺頂管機動力為88 kW，因此切削鋼筋所需動力只占約11.4%，所需切削力也只占約20%。說明頂管機動力足夠，貝殼刀用于切削鋼筋的動力充足。

2 頂管機破碎結(jié)構的改進與創(chuàng)新設計

2.1 刀盤結(jié)構改進設計

含有石塊和混凝土等硬塊的回填土層的頂管施工，一般選用復合式巖石類頂管機進行施工[13]。但深圳海斯比工程雜填土地層屬于特殊復雜的回填土地層，含有大量高強度的鋼筋等柔性雜物，頂管施工中必須解決鋼筋的切斷、破碎和排放問題。因此，頂管機的刀盤采用了特殊結(jié)構和刀具配置的復合式巖石刀盤，其刀盤盤面結(jié)構如圖3所示。

圖3 復合式巖石刀盤盤面結(jié)構Fig.3 Compound rock cutterhead

盤面配置滾刀、貝殼刀、切刀和刮刀，釆用貝殼刀和切刀作為先行刀，先行刀與刮刀高低配置。選配滾刀，主要為了破碎拋石和混凝土塊；選配貝殼刀，主要為了破碎混凝土和鋼筋。貝殼刀不僅刀身剛度大、耐磨性強，且刀身前后對稱,可滿足刀盤正反轉(zhuǎn)需求。合金刀刃布置在同一高度和同一條線上，可以連續(xù)切削鋼筋[11，14-15]；布置多組貝殼刀，可以將鋼筋切斷，方便進入泥艙；配置稍低位置的切刀，可以對殘余鋼筋及混凝土實現(xiàn)全斷面切割和剝離。

為了減少鋼筋等柔性雜物在刀盤面上的纏繞，以便于未完全破碎的鋼筋順利進入泥艙，刀盤開口率比正常刀盤開口率增大20%左右，且刀盤開口呈現(xiàn)由里向外逐漸擴大。

2.2 二次破碎結(jié)構創(chuàng)新設計

進入泥艙的石塊、混凝土塊和細長的鋼筋條很難直接通過排泥孔道輸出，需進一步破碎成碎塊或碎片才能有利于排放。為了充分將硬塊和鋼筋等徹底破碎，對頂管機的二次破碎結(jié)構進行了創(chuàng)新設計。針對特殊柔性雜物鋼筋需要采用切、撕、磨等方法才能破碎的問題，在頂管機的二次破碎結(jié)構中采用了旋轉(zhuǎn)錐形扭腿破碎結(jié)構[16]，如圖4所示。所謂“扭腿”是指連接刀盤和動力輸入軸之間的部分，在此連接部分之間設有泥艙，為了減少阻力，增強泥艙的攪拌能力，在動力軸與刀盤之間建立類似支撐腿式的連接結(jié)構，故也稱為“支撐扭腿”。這個支撐扭腿非常強壯，能夠輸出強大的轉(zhuǎn)矩用于克服刀盤上由于切削巖土帶來的阻力矩。

圖4 旋轉(zhuǎn)錐形扭腿破碎結(jié)構Fig.4 Rotating tapered twisted leg crushing structure

多根刀盤支撐扭腿在空間形成一個錐體，與泥艙內(nèi)錐筒體形成一定間隙。在刀盤支撐扭腿相對內(nèi)錐筒面設置硬質(zhì)破碎刀條，在固定內(nèi)筒錐體設置固定刀條，兩者之間構成破碎間隙或破碎空間。當?shù)侗P旋轉(zhuǎn)時，進入破碎空間的石塊、鋼筋或其他雜物將被扭腿上的旋轉(zhuǎn)刀體剪切、沖擊、擠壓、摩擦破碎；破碎后較小的碎塊通過內(nèi)筒錐體上布置的排渣孔，通過渣漿泵排出艙內(nèi)，向外排放。為了增強扭腿旋轉(zhuǎn)時切斷、撕裂鋼筋等韌性雜物的能力，進一步將刀口設計成折線狀，如圖5所示。

圖5 扭腿式二次破碎刀口折線結(jié)構圖Fig.5 Twist leg type secondary crushing knife edge polyline structure crusher

3 頂管機其他系統(tǒng)的創(chuàng)新設計

3.1 排渣系統(tǒng)增加高壓水沖洗裝置和雜物收集箱設備

石塊、混凝土和柔性雜物的碎塊、碎片在通過排渣系統(tǒng)時，經(jīng)常引起管道的堵塞、滯排以及通過閥門、泵口的纏繞。為了防止鋼筋等柔性雜物堵塞排泥口，首先，設置了排泥管道逆流沖洗裝置，解決柔性雜物堵塞或滯留在排泥口的問題；其次，在排泥口增設了高壓水沖洗結(jié)構[17]，發(fā)現(xiàn)輕微的堵塞或滯排現(xiàn)象時，可用高壓水流沖散排泥口堵塞或滯留雜物，同時不影響泥水排放；再次，在排泥閥門后設置了雜物收集箱，可以定時開箱手工清理較大的石塊、混凝土塊以及鋼筋、紡織品、麻繩等柔性雜物，解決管道堵塞問題；最后，為防止破碎后的鋼筋堵塞和磨損管道，在收集箱底安裝了磁鐵，收集破碎的鋼筋。雜物收集箱如圖6所示。

圖6 雜物收集箱Fig.6 Sundry collection box

3.2 泥艙人工處理進艙結(jié)構設計

柔性雜物纏繞刀盤會造成刀盤旋轉(zhuǎn)阻力、負載轉(zhuǎn)矩增大，甚至導致刀盤不能旋轉(zhuǎn)；泥艙內(nèi)排泥孔堵塞無法疏通，會造成無法排放、頂進；刀具磨損嚴重不能破碎、切削，需要及時更換刀具?？紤]到極端情況下，為了保證人能夠進入泥艙清理柔性雜物堵塞、纏繞或更換刀具，解決施工中可能出現(xiàn)的難題，需在頂管機內(nèi)開設人孔艙門。深圳海斯比工程中，由于頂管管徑(DN1 350)較小，可利用空間較少，因此頂管機采用回轉(zhuǎn)支承齒圈式動力傳動結(jié)構設計，替代傳統(tǒng)的中心傳動方式，如圖7所示。即將動力部件布置在頂管機筒體四周，充分利用筒體的中心空間開設人孔。這種回轉(zhuǎn)支承方式不僅可增大頂管機可用空間，在頂管機中心開設進艙人孔，還能增強刀盤支撐錐體二次破碎結(jié)構剛度和穩(wěn)定性，提高刀盤的承載、驅(qū)動和抗沖擊能力。

圖7 回轉(zhuǎn)支撐式結(jié)構Fig.7 Rotary support structure

為了保證進入泥艙清障或換刀人員的生命安全和工作面的穩(wěn)定，頂管機均設置了快開式常壓密閉艙結(jié)構。在前艙和后艙分別設置快開式密封艙門，在人員進入泥艙進行換刀、清理雜物作業(yè)時，利用密封艙氣壓維持頂管機工作面的穩(wěn)定，保持艙內(nèi)壓力，保障維修人員的生命安全。

4 采用特殊控制系統(tǒng)和施工工法

4.1 采用泥艙壓力自動平衡控制系統(tǒng)

為了防止排泥管道堵塞或地下水壓突然變化造成施工失誤或失控，引起大幅度的地表沉降，在頂管機PLC控制系統(tǒng)中增加了泥艙壓力、排泥、進水管道流量實時監(jiān)測系統(tǒng)，同時用檢測獲得的信號控制進水泵輸入流量和排渣泵輸出流量，達到穩(wěn)定泥艙壓力、實現(xiàn)智能控制的目的，出現(xiàn)異常時立即報警。

4.2 配制特殊體積分數(shù)的抗腐蝕泥漿和實施管道、閥門的循環(huán)沖洗

在深圳海斯比頂管工程中，為了防止海水對頂管機部件的腐蝕和穩(wěn)定泥漿的工作性能，施工時有針對性地配置抗海水腐蝕工作泥漿和潤滑泥漿。由于鋼筋、石塊、混凝土密度大，配置體積分數(shù)較大的工作泥漿形成較高壓力，從而浮起重粒，便于輸送。當泥艙排渣孔堵塞時，采用高壓水對排渣孔進行沖洗。經(jīng)常對排渣管道進行逆循環(huán)沖洗，一方面可以減少雜物堵塞，另一方面可以減少海水對進排泥水管道、閥門的浸襲和腐蝕。

4.3 建立頂管施工云服務平臺

頂管施工云服務平臺基礎設置有頂管實時檢測系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)和自動跟蹤系統(tǒng)，如圖8所示。實時檢測系統(tǒng)實時監(jiān)測頂進速度、刀盤轉(zhuǎn)矩、頂進推力和注漿流量等重要參數(shù)，顯示頂管機平衡和排放狀態(tài)；視頻系統(tǒng)實時監(jiān)控流量、壓力和重要部件等工作變化情況；導向系統(tǒng)顯示、跟蹤和自動調(diào)整頂進方向。利用基礎設置建立的實時跟蹤、自動報警、數(shù)據(jù)顯示，有利于操作人員現(xiàn)場操作和分析，同時通過計算機存儲和網(wǎng)絡傳輸，及時將頂管機和施工信息傳輸?shù)绞┕けO(jiān)控單位，進而傳遞到施工設備管理單位，對信息的共享、儲存、分析和安全管控起到了關鍵性的作用。

圖8 云服務信息管理平臺Fig.8 Cloud service information management platform

5 工程進展情況

深圳海斯比頂管工程于2016年10月開始施工，2016年12月底順利貫通，歷時45 d，平均進尺9 m/d。進艙更換滾刀2次；收集箱收集了大量雜物如帆布、鋼筋、編織袋、貝殼、流木等，如圖9所示。由于施工前對施工可能遇到的困難和要求已考慮周全，頂管掘進設備設計具有針對性，施工工藝科學合理，加上預防措施到位，問題處理及時，雖然地層復雜，但工程進展順利，實現(xiàn)完美貫通，是一個穿越含有大量鋼筋等高強度柔性雜物的沿海復雜回填土層的頂管施工成功案例。

(a) 破碎鋼筋 (b) 破碎水泥塊

(c) 帆布 (d) 編織袋圖9 收集箱中收集的雜物Fig.9 Sundries collected

6 結(jié)論與建議

1)采用貝殼刀和錐體式二次破碎結(jié)構可以有效地破碎建筑垃圾回填土層中的大量鋼筋類柔性雜物。針對含有大量鋼筋混凝土、拋石、碎石等的復雜回填土層，選擇配置了由滾刀、貝殼刀、切刀和刮刀等組成的復合式巖石刀盤；為了破碎高強度柔性雜物鋼筋，分組配置貝殼刀組做為先行刀；設計帶有折線的扭腿二次破碎結(jié)構，有效地破碎了高強度、高韌性的鋼筋。

2)采取高壓水、逆沖洗、收集箱以及人工清除等多種方式可以有效地提升頂管機排除雜物、清理雜物的能力。在泥水管道中設置集物箱，及時排除雜物，避免纏繞和堵塞問題；在泥艙中設計沖洗高壓水裝置，有效解決了排泥孔清洗和堵塞問題；設置人工艙門，為特殊情況下進艙清理雜物、刀盤纏繞和換刀開辟了人工通道。

目前針對含有柔性雜物復雜地層的頂管技術還不成熟，還不能保證完全成功穿越，需要進一步研究。另外，針對特殊情況下在含有柔性雜物復雜地層的頂管施工，還需要進一步開發(fā)新設備、新結(jié)構，進一步研究科學的施工工藝。