復(fù)雜地質(zhì)條件下的頂管掘進(jìn)機(jī)研究

蘇皓

中鐵市政環(huán)境建設(shè)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(jī)操作人員能力、頂進(jìn)軸線偏差、頂進(jìn)阻力、土體擾動(dòng)等因素都影響著頂管施工的成敗，并且頂管工程作為機(jī)械化程度較高的工程，其關(guān)鍵設(shè)備頂管掘進(jìn)機(jī)的選型直接決定了工程是否順利進(jìn)行，乃至是安全、質(zhì)量、成本目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

為公司建設(shè)武漢市繡球山污水泵站及進(jìn)出水管道工程穿南湖段頂管選擇能夠在16種地質(zhì)條件下頂進(jìn)的掘進(jìn)機(jī)。

1.2 研究內(nèi)容

此段頂管掘進(jìn)機(jī)的選擇主要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）刀盤及刀具

頂進(jìn)土層地質(zhì)復(fù)雜，設(shè)備需要針對性設(shè)計(jì)，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(jìn)過程中刀具需要更換，刀具固定形式及布置皆需考慮；同時(shí)為保證換刀方便，在保證刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下，盡可能滿足換刀空間的需要。

（2）掘進(jìn)機(jī)動(dòng)力

掘進(jìn)機(jī)動(dòng)力上要滿足軟土大扭矩的需要，同時(shí)綜合考慮頂管機(jī)的動(dòng)力儲備以及主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)對空間的占用。

如何根據(jù)此次掘進(jìn)的地質(zhì)選擇合適的頂管掘進(jìn)機(jī)成為該頂段能否順利成功的關(guān)鍵[1]。

（3）掘進(jìn)機(jī)水路

要求設(shè)計(jì)的刀盤既能滿足軟土切削，又能滿足硬土切削。在掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)機(jī)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(shè)置水路孔對掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的效率起至關(guān)重要的作用。

2 工程概況

2.1 土質(zhì)分析

該工程穿南湖段頂管長度980m，頂管管徑DN3500mm，頂進(jìn)管道穿越土層為：①粉質(zhì)黏土（3-1、3-2、3-2a）；②粉質(zhì)黏土夾碎石、角礫（3-3）；③淤泥質(zhì)粉質(zhì)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(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（5-1）；⑧中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（5-2）；⑨強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r（6-1-1）；⑩強(qiáng)風(fēng)化含燧石黏土巖（7-1-1）；強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖（7-2-1）；中風(fēng)化硅質(zhì)巖（7-2-2）；灰?guī)r（8-1）；強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（9-1-1）等16種土質(zhì)，其土層性質(zhì)部分參數(shù)如表1所示。

表1 土層性質(zhì)部分參數(shù)表

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

2.2 工程難度

此段頂管為一次性頂進(jìn)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(nèi)供電、井內(nèi)運(yùn)輸?shù)仁┕ぜ夹g(shù)難度越高。

在南湖水下頂進(jìn)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(jìn)施工必須萬無一失。同時(shí)穿越16種不同地質(zhì)，含土含巖，土層復(fù)雜，頂管掘進(jìn)機(jī)選擇困難。

頂進(jìn)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(jìn)的有效覆土變淺，而在淺覆土頂進(jìn)可能出現(xiàn)頂進(jìn)方向失控、頂進(jìn)管道中間隆起失穩(wěn)等問題。

3 頂管掘進(jìn)機(jī)選型

3.1 選型方案

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

此次掘進(jìn)機(jī)除常規(guī)要求外，針對這特殊地質(zhì)，還需滿足以下要求：

1、掘進(jìn)機(jī)主軸密封須適合在中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖層、粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾角礫及角礫碎石層中使用，要求主軸密封無故障運(yùn)轉(zhuǎn)＞3km；護(hù)盾強(qiáng)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(zhì)巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、粉質(zhì)黏土、殘積土、粉質(zhì)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(shè)計(jì)，滿足施工要求；切削刀盤安裝牢固，能滿足刀盤正反轉(zhuǎn)及全斷面切削的要求，最外緣刀具的安裝應(yīng)符合刀盤切削直徑的要求，刀具設(shè)計(jì)及選材需充分考慮本工程地質(zhì)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(jié)合自身刀盤設(shè)計(jì)情況自行確定扭矩，近期需滿足16種不同地質(zhì)條件的刀盤，遠(yuǎn)期可便捷換切削巖石單軸抗壓強(qiáng)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(jī)內(nèi)，泥水管接口前設(shè)置失電關(guān)閉裝置；配備前沖洗、中沖洗、外沖洗系統(tǒng)。

5、要求機(jī)內(nèi)、機(jī)外雙控，機(jī)外控制為主，機(jī)內(nèi)有合理的操作人員操作空間；控制系統(tǒng)要求采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，選擇可靠性、兼容性、可擴(kuò)展性、系統(tǒng)規(guī)模、運(yùn)算速度、執(zhí)行效能高的PLC、工控機(jī)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(yīng)靈敏。采用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)有利于減少系統(tǒng)配線、機(jī)內(nèi)線路布置合理等條件，可通過現(xiàn)場總線等網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)（如canbus總線）提高頂管機(jī)轉(zhuǎn)井過程的效率并簡化系統(tǒng)配線。設(shè)置一定的保護(hù)電器設(shè)施，如過載、斷相、欠壓、過流、短路保護(hù)、監(jiān)測指示燈和互鎖裝置；機(jī)械、電氣互鎖機(jī)構(gòu)（防止誤操作）等功能[2]。

6、動(dòng)力參數(shù)確定：綜合考慮頂管機(jī)的動(dòng)力儲備、以及主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)對空間的占用，選用的電機(jī)配置為8*45kW=360kW；頂管機(jī)刀盤扭矩經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式：T=αD；α——扭矩系數(shù)，34～40，根據(jù)刀盤直徑，土質(zhì)條件選擇；D——掘進(jìn)機(jī)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(jī)的配合選型，確定選用齒輪箱減速比為83/19，減速機(jī)的減速比258，滿足要求，刀盤的額定轉(zhuǎn)速為1.28r/min.；T=9550* P /1000n；n——轉(zhuǎn)速，1.28r/min;P——額定功率，360kW;經(jīng)計(jì)算，T=2686 kN·m，在刀盤合理扭矩范圍之內(nèi)。

3.2 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

刀盤及其刀具要適用于硅質(zhì)巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、粉質(zhì)黏土、殘積土、粉質(zhì)黏土夾角礫、角礫及碎石等16種地層的切削，經(jīng)過業(yè)內(nèi)頂管專家研討。

(1) 刀盤開口度，由制作廠家根據(jù)本工程設(shè)計(jì)，開口率29%，既要滿足出巖石渣土不堵口，又要滿足出粘土?xí)r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(zhuǎn)及全斷面切削的要求，最外緣刀具的安裝應(yīng)符合刀盤切削直徑的要求。

(3) 刀盤要穿越中風(fēng)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(fù)合刀盤設(shè)計(jì)滾刀20把，同時(shí)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(jìn)時(shí)，所有刀具能夠有效的切割土層，保證掘進(jìn)機(jī)在純土中能夠正常頂進(jìn)。

(4) 考慮要頂管還需穿越其它復(fù)雜地層，設(shè)計(jì)邊刮刀8把，切刀44把，超挖刀8把。

考慮到巖石掘進(jìn)機(jī)與純土中頂進(jìn)的掘進(jìn)機(jī)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(jī)的水路進(jìn)行了設(shè)計(jì)要求，在掘進(jìn)機(jī)里面共設(shè)計(jì)了12條水路。

4 成果與展望

4.1 應(yīng)用成果

從初夏到晚秋，穿軟土，啃巖石，穿越16種復(fù)雜土質(zhì)，克服重重困難，歷時(shí)172天，980m穿湖段頂管順利貫通。在有復(fù)合頂管機(jī)之前，至少要采用2套頂管機(jī)，一臺巖石頂管機(jī)，一臺泥水平衡頂管機(jī)，同時(shí)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(jìn)方案，復(fù)合頂管減少費(fèi)用500萬元，節(jié)約工期90天，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)社會效益。公司技術(shù)實(shí)力得到武漢業(yè)主的認(rèn)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(jìn)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(yán)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(jìn)有效覆土較淺，同時(shí)頂管機(jī)刀盤泥倉水壓過大，導(dǎo)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(shè)備，在干化設(shè)備安裝期間，采用泥罐車外運(yùn)泥漿池內(nèi)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(jìn)洞口處將進(jìn)水管和排泥管進(jìn)行互換，將排泥管臨時(shí)變?yōu)檫M(jìn)水管，由此來疏通管道，但每次更換都比較麻煩，需要將進(jìn)水管和排泥管拆掉再安裝，受掘進(jìn)機(jī)換向閥改變水流方向的啟發(fā)，在進(jìn)水管和排泥管之間增加一個(gè)換流機(jī)構(gòu)，通過這個(gè)機(jī)構(gòu)直接改變水流方向，則不需要再將管道反復(fù)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(jī)構(gòu)雖然臨時(shí)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(jìn)機(jī)泥倉里面的水路問題，于是再新增了一條進(jìn)水管給泥倉內(nèi)供水，由于掘進(jìn)機(jī)本身結(jié)構(gòu)，新增的水路只能通過掘進(jìn)機(jī)頂部的人孔進(jìn)入泥倉。

增加第二條水路后，頂進(jìn)速度由原先的5m/d，變?yōu)榱?m/d，頂進(jìn)效率明顯提高，迎面阻力也明顯下降，同時(shí)發(fā)生管道堵塞的情況也明顯下降；但掘進(jìn)機(jī)泥倉內(nèi)的壓力明顯變大，泥倉壓力變大則對頂進(jìn)覆土要求就有所提高，壓力過大則容易造成覆土被擊穿，進(jìn)水流失，無法進(jìn)行泥水循環(huán)，導(dǎo)致頂進(jìn)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(jìn)水量十分關(guān)鍵。

針對問題(2) ，采取的解決措施是：停機(jī)更換刀盤刀具；同時(shí)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(jìn)行拋砂加載處理，管內(nèi)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(fù)雜地質(zhì)條件下的頂管工程也逐漸變多，不同地質(zhì)條件下的頂管，選用合適的掘進(jìn)機(jī)是頂管成功的首要條件，這不僅關(guān)系到頂管施工的成敗，同時(shí)也關(guān)系到成本的投入，合適的掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)效率相對較高，工程所耗時(shí)間短，投入成本相對減少。所以開發(fā)、設(shè)計(jì)及完善適用于復(fù)合地質(zhì)條件下的頂管掘進(jìn)機(jī)具有比傳統(tǒng)單一地質(zhì)適應(yīng)性頂管機(jī)更好的開發(fā)使用前景。

5 結(jié)束語

俗話說工欲善其事，必先利其器，在進(jìn)行頂管施工前，首先需要對頂進(jìn)的地質(zhì)進(jìn)行綜合分析，選取最合適的頂管掘進(jìn)機(jī)，若需要對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行改造的，則在掘進(jìn)機(jī)出廠前改造完成，盡可能不要在施工現(xiàn)場進(jìn)行改造。當(dāng)然，在頂管施工中，除了頂管掘進(jìn)機(jī)外，其他頂進(jìn)設(shè)備的選擇也同樣重要，選擇合適的設(shè)備都會有效的提升頂進(jìn)效率。針對設(shè)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(jìn)施工前應(yīng)備充足，避免因無更換件而停工。

針對本項(xiàng)目復(fù)雜地質(zhì)條件下，選擇合適的頂管掘進(jìn)機(jī)基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的施工效果，為工程的順利完成提供了保障，也為復(fù)雜地質(zhì)條件下的頂管施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。