頂管機的施工風險與控制研究

◎ 閆浩鵬 中交二航局第五工程有限公司

頂管機最早始于1896年美國的北太平洋鐵路鋪設工程的施工中使用。1948年日本第一次采用頂管施工方法，在尼崎市的鐵路下進行了一根內(nèi)徑為600mm的鑄鐵管，頂進距離只有6m。國內(nèi)1953年北京第一次進行頂管施工，1956年上海也進行了頂管試驗。1978年上海開發(fā)了適用于軟粘土和淤泥質(zhì)粘土的擠壓法頂管。1984年國內(nèi)開始引進國外的機械頂管設備，隨之也引進了頂管理論、頂管施工方法；1988年上海研制成功我國第一臺土壓平衡掘進機。

1.頂管機的概述

1.1 頂管機的組成

以湯遜湖項目HRC-4000A4S巖石泥水平衡掘進機為例，主要零部件如表1所示。

表1 頂管機的零部件

整機設備外觀，如圖1所示。分為三個部分：刀盤、前筒、后筒。

圖1 巖石頂管機整機外觀圖

前視刀盤、后視筒體內(nèi)部，如圖2所示。由于頂管機管徑不同，工作面結構類型不同，刀盤結構和刀具分布也不同。由于頂管機管徑不同，所需動力大小不同，因此動力結構形式也不同。圖中表示的是某種類型的頂管機，不代表全部。

圖2 刀盤正視圖和筒體后視圖

1.2 頂管機的工作原理

巖石頂管機采用的是泥水平衡法原理。頂管機正面刀盤合理布置滾刀、刮刀、保徑刀等刀具，依靠滾刀刀刃接觸巖石，千斤頂頂推加壓使?jié)L刀刀刃擠壓巖石龜裂，巖石受壓產(chǎn)生裂縫，形成分層破碎，然后刮刀進行切削巖層，同時通過送水管路將水壓送到刀盤與巖石面之間，將切削下來的巖石塊在刀盤機械轉(zhuǎn)動下帶進二次破碎倉，破碎倉由動錐扭腿和定錐體構成，動錐扭腿旋轉(zhuǎn)與定錐體產(chǎn)生剪切，達到二次破碎效果[1]。當二次破碎的石塊粒徑小于定錐體上的進渣孔時，便由進渣孔進入泥艙，混合工作泥漿后被排泥管排出機外。接著由排泥管路排至地面的石水分離后，水被再度送進頂管機內(nèi)循環(huán)使用。頂管機用后方的頂進裝置作為前進的動力，在工作井中推進管材，再由管材將推力傳至頂管機向前頂進。

2.頂管機的安裝

2.1 筒體安裝

在后筒筒體的密封溝槽安裝Y型雙道密封圈后，在前后筒密封連接的位置均勻飽滿的涂抹潤滑脂，然后將后筒豎起，安裝密封圈開口位置朝上，緩緩地吊起前筒，通過后筒密封環(huán)口垂直裝入后筒。前后筒吊裝完成后，再在前后筒的糾偏法蘭座上安裝糾偏油缸，通過銷和緊固件使糾偏油缸牢牢固定在鉸接位置。如圖3所示。

圖3 筒體安裝示意圖

2.2 糾偏系統(tǒng)安裝

糾偏油缸均勻布置在筒體的四周，分為右上組1號油缸、右下組2號油缸、左下組3號油缸、左上組4號油缸。每一組可以是1只油缸，也可以是2只油缸組合，糾偏油缸連接在前后筒之間，布置在筒體的內(nèi)壁上。

2.3 電氣系統(tǒng)安裝

電氣設備之間的連接主要是依靠航空插件或者電纜快速連接器來完成的，通過電氣設備間的連接可傳輸電能和傳送、反饋信號數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)進行相應的操作和處理，保證頂管機的正常工作。

2.4 輸送系統(tǒng)安裝

輸送系統(tǒng)的安裝步驟為：將直通球閥、三通球閥與后水管進行螺栓連接。兩個直通球閥一端連接直通球閥連接板，球閥上裝上擺板連接油缸，保證油缸位于收縮狀態(tài)，手動扳球閥使球閥正好在關閉的位置，連接球閥與油缸。一個三通球閥一端連接直通球閥連接板，側(cè)面連接旁通管路，球閥上裝上擺板連接油缸，保證油缸位于收縮狀態(tài)，手動扳球閥使球閥閥芯無孔的一面轉(zhuǎn)動到旁通管路的位置，連接球閥與油缸。右端后供水法蘭接口、前供水法蘭接口、排泥法蘭接口分別接上后供水軟管管路、前供水軟管管路、排泥軟管管路。至此完成泥水系統(tǒng)的安裝。

3.頂管機的施工風險與控制

3.1 洞門鑿除坍塌控制

（1）頂管機出洞始發(fā)洞門采用三軸攪拌端頭加固增加洞門土體的自穩(wěn)性。

（2）在基坑導軌、主頂油缸架、出洞口嚴格控制好設計軸線，保證安裝精度，確保牢固穩(wěn)定。

（3）頂管機調(diào)試完成后，具備空推條件，根據(jù)水平探孔情況，酌情拆除十字型20工字鋼，鑿除外側(cè)磚封堵。

3.2 頂管機單次頂進距離長

頂管單次頂進長度長，頂管機設備性能可靠是施工重點，施工過程中若出現(xiàn)主軸承密封失效、刀盤磨損過大，維修難度大[3]。

（1）設計控制措施。

1）主軸、大齒輪、小齒輪均采用鍛打高強度合金結構鋼，經(jīng)過探傷、調(diào)質(zhì)、精加工、表面淬火、外圓磨等多道工序加工而成，主軸與齒輪間均采用滾動軸承的結構方式。齒輪箱內(nèi)部采用閉式齒輪箱齒輪油潤滑。密封件采用油脂泵單獨自動定時供油潤滑；

2）配置的主軸承為雙列圓柱滾子軸承，推力調(diào)心滾子軸承，有效使用壽命10000小時；

3）刀盤額定扭矩2148KN·m，軸向受力動態(tài)承受載荷為12144KN；徑向受力承受載荷為6500KN；

4）主軸密封：集迷宮密封、沙密封、水密封、油密封等為一體的密封結構。承受額定水壓4bar。

（2）施工過程控制措施。

1）建立完善的設備管理組織機構及科學的組織管理體系。針對頂管機制定詳細、規(guī)范、科學的組織管理體系，實行系統(tǒng)化管理。借鑒以往頂管機施工的管、用、養(yǎng)、修成功經(jīng)驗，結合公司施工中的設備管理方式，對頂管機各系統(tǒng)實行工程師負責制，成立維保班和電工班為主的維護和修理組。

2）制定詳細的頂管機管、用、養(yǎng)、修制度。根據(jù)頂管機施工的特點，制定頂管機綜合管理制度、頂管機使用安全操作規(guī)程、頂管機維修保養(yǎng)制度、頂管機油水管理制度、頂管機狀態(tài)檢測制度和頂管機配件管理制度等；對頂管機的使用及維修保養(yǎng)人員進行培訓，實行定人、定崗、定機，包保管、包使用、包維修保養(yǎng)；建立頂管機履歷簿、運轉(zhuǎn)記錄、狀態(tài)監(jiān)測記錄和維修保養(yǎng)記錄，實行頂管機的表格化管理；對頂管機進行成本管理，詳細記錄和考核油料消耗、配件消耗、電力消耗、設備完好率考核以及設備利用率考核等工作，總結和積累頂管機的使用成本分析[4]。

3.3 頂管機上軟下硬地層掘進施工

頂管機穿越粘土、粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾粉土過程中，因刀具對不同地層的作用效果不同，致使刀盤各區(qū)域受力不均勻、頂管機姿態(tài)產(chǎn)生偏移，易出現(xiàn)刀盤振動大、刀具磨損快及刀具異常磨損、掘進速度緩慢，另一方面頂管機在上軟下硬地層施工的姿態(tài)控制、地面沉降及管節(jié)上浮控制是工程的難點。

（1）設計控制措施。

1）刀盤設計。①輻條采用拼板式結構，刀盤中心區(qū)域后部加撐筋結構，力學性能穩(wěn)定可靠。②刀盤整體開口率為33%，其中刀盤外周部采用適當小開口結構，在水土易流失的地層中施工，可有效避免在開挖過程中因土體坍塌而出現(xiàn)地面沉降；為了防止刀盤結泥餅，開口采用中心大進渣口，并在中心部位配備多路刀盤沖刷口，提高渣土流塑性。③刀盤耐磨設計：為了減少長距離刀盤本體的磨損，刀盤外環(huán)采用導流槽耐磨結構設計，整個刀盤采用密集耐磨焊：30x30密集耐磨網(wǎng)格。④刀具布置設計：為增強滾刀破巖能力，減少滾刀磨損，增加滾刀壽命，刀盤外圈弧形區(qū)域采用鑲齒滾刀布置，刀間距按照線性、梯度減小。

2）為了防止?jié)L刀在粘土地層不轉(zhuǎn)偏磨，采用15寸重型楔形鑲齒滾刀，適當調(diào)低滾刀啟動扭矩以此應對滾刀在軟地層中偏磨不轉(zhuǎn)等異常損害。同時該滾刀應對后面的中風化泥質(zhì)粉砂巖也能保證破巖能力和效率。貝殼刀設置在刀盤外圈，起到保徑減少磨損的作用，同時貝殼刀和撕裂刀可以應對卵礫石。撕裂刀起到先行的作用，可以對掌子面土層進行剝離破碎，改善刀盤前方渣土流動性，同時降低刮刀的切削扭矩，提高刮刀的切削效率，減少刮刀磨損，滾刀高出盤面125mm，撕裂刀高出盤面105mm，刮刀高出盤面85mm。

（2）過程控制措施。

上軟下硬地層容易造成頂管機出現(xiàn)抬頭現(xiàn)象，軟硬交接面刀具容易受到瞬時沖擊，易崩壞。因此采取合理的施工方法可以減少此項危害：掘進過程中嚴格控制掘進參數(shù)，采用低貫入度，慢轉(zhuǎn)速，觀察參數(shù)變化，根據(jù)刀盤電流和推力波動情況以及出渣量，控制掘進速度在10mm/min以下。對于參數(shù)突變，應立即停機分析，不可盲目推進。對于頂管機姿態(tài)向上抬情況，勤糾、少量糾的方法對機頭進行軸線調(diào)整；避免猛糾偏對刀具造成損傷。

3.4 頂管機刀盤刀具結泥餅控制

頂管機穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粘土、粉質(zhì)粘土夾粉土、強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖，該地層黏性顆粒含量較高，容易產(chǎn)生刀盤結“泥餅”現(xiàn)象，導致參數(shù)惡化，造成掘進困難。

（1）設計控制措施。

1）泥水環(huán)流系統(tǒng)設計。前供水：當設備在粘性土壤中掘進時，需要啟動錐形破碎板前部的進漿噴嘴?？捎行У胤乐拐衬噘|(zhì)地層掘進刀盤結泥餅、糊刀盤等問題。

2）刀盤高壓沖水。為了防止刀盤結泥餅，開口采用中心大進渣口，并在刀盤表面配置5路沖刷口，提高渣土流塑性。

（2）過程控制措施。

1）利用粘土分散劑進行粘土改良，粘土分解形成流動性泥土，降低刀具土體摩擦力，減少扭矩，改善土體流動性，同時也減少刀具偏磨和磨損。所以合理的機械結構設計+粘土分散劑是針對復合頂管機粘土掘進的主流辦法。同時頂管頂進過程中，施工方法采取：高轉(zhuǎn)速、慢推進、強沖刷、大循環(huán)十二字方針進行施工，尋求掘進速度和循環(huán)系統(tǒng)相對平衡的關系。

2）嚴格控制渣溫，當渣溫超過40°時，采取停機泡倉的措施降低溫度。

3）利用開倉換刀的時機，對刀盤及土倉進行泥餅清理。

4.結束語

降低頂管機施工的風險，保障施工人員的安全一直是我們關注的重點，本文以湯遜湖項目H RC-4000A4S巖石泥水平衡掘進機為例，介紹其主要的組成部分以及工作的原理，分析了施工風險的重點，從設計控制以及過程控制兩個方面提出了風險防控的措施。