极小半径曲线顶管机设计研究与应用

庄欠伟　彭世宝

摘要：为了对曲线顶管机和其推进装置主要的施工参数及设备性能进行研究，介绍了曲线顶管技术的发展、设计理念、工艺原理及特点；叙述了曲线顶管机在室外工地现场推进施工的应用过程，通过精心试验测量和推进施工，曲线顶管机的设计和应用得到很好的展现，验证曲线顶管技术的创造和应用前景，为今后盾构隧道施工地层中接合、扩宽、分岔、合流、工作井扩宽等施工打下基础。

关键词：非开挖施工；小曲率半径；曲线顶管；现场推进

中图分类号：U455.3文献标志码：B

Abstract： In order to study the main construction parameters and performance of the machine and its propulsion system， the curved pipe jacking machine was introduced in aspects of the development， design philosophy， technical principle and features. The operation of curved pipe jacking machine in construction site was described. Through careful tests and practical use， the curved pipe jacking machine was well demonstrated and verified. The curved pipe jacking technology has shown it capability of construction of jointing， expanding， dividing， merging and widening of working well.

Key words： trenchless construction； small radius of curvature； curved pipe jacking； onsite propulsion

0引言

当前中国城市轨道交通建设正处于迅猛发展时期，但复杂的周边环境制约着城市地下空间的发展。近年来，国外发明了一种新型的非开挖地铁车站建造技术[[15]，这就是曲线顶管技术。之所以称为“曲线顶管”，是因其顶管壳体和管节都是弧形的，而且它的推进装置也是有着同样曲率半径的弧形导轨，可以使曲线顶管和管节沿着既定的曲率半径推进。

可以这样定义这一工法[78]：采用曲线钻孔装置（曲线顶管）敷设直径小于500 mm的钢管，进行冻结工艺和化学注浆等地基加固，然后以非开挖方式进行地下空间构筑和拓宽的技术。该工法施工设备体积小，使用较为灵活，不仅可用于地下车站的建造，还可用于盾构法施工隧道的地下对接、已有地下构筑物的拓展以及连接合并2条隧道区间部等场合。目前中国用于冻结管和暗挖法超前支护的钻孔方式均为直线成孔，即使采用定向钻和普通曲线顶管成孔（外环线隧道注浆/珠海管幕），其曲率半径也会超过100 m，因此研发出功能更加优异的极小半径曲线顶管机很有必要[919]。本文对曲线顶管机和其推进装置主要的施工参数及设备性能进行了三维模型模拟推进试验和室外工地现场推进施工应用试验，验证了极小半径曲线顶管机设计的合理性和优异性。

1极小半径曲线顶管机设计

图1为极小半径曲线顶管机试验推进设备的平面图。其中，顶管机推进支架对整个顶管机进行支撑与固定；推进油缸对机头后部钢管节进行推进，这是顶进的动力来源；平移油缸用于对整个推进油缸组的平移，使推进油缸保持在所推进弧形钢管节的切线方向上；锁紧油缸伸缩带动锁紧夹具卡盘，对推进外管节进行夹紧；顶管机机头后部的管节分为内管节与外管节，在推进完成后，内外管节可进行分离，内管节可整体拉出；固定油缸伸缩带动固定夹具用于整体固定机头和管节；使用Φ300 mm曲线顶管机进行顶进，曲线顶管机机头可回收，并具有纠偏装置；整个顶管机的推进反力由固定于地面的反力底座或者现场钢筋混凝土场地地脚螺栓提供。

图2为极小半径曲线顶管机的顶端挖掘设备，其驱动装置由3个小刀盘、行星齿轮轴、行星架中心轴、密封圈和固定内齿轮等部分组成。小刀盘固定在行星齿轮轴上；行星齿轮轴安装在行星架中心轴前方的3个孔内，行星齿轮轴的外齿轮与固定内齿轮进行内啮合；行星架中心轴转动带动行星齿轮轴进行公转，行星齿轮与固定内齿轮啮合形成行星齿轮轴自转。行星齿轮轴带动3个小刀盘复合运动，附着其上的刀具产生的切削轨迹能够形成完整的圆形断面，从而达到切削出圆形断面的目的。

2现场推进试验概况

2.1Solidworks 三维模拟推进

为了和现场实际推进试验效果做参考对照，事先采用Solidworks 三维软件进行现场模拟推进，如图3所示。收集记录极小半径曲线顶管推进试验的理论推进数据，为实际现场推进试验做指导，使现场试验能够顺利显著的完成推进施工。

推进试验理论参数包括：推进曲率半径（5 m），机头推进深度（3.5 m，最深处），推进路径进出总长（1266 m），机头推进进出角度（145.08° ）。

2.2现场实际推进试验

根据试验要求现场事先进行钢筋混凝土地基浇注，预埋用于固定推进支架的地脚螺栓、进洞沟槽、袜套固定板和出洞沟槽；根据事先三维模拟试验情况逐步进行现场试验推进施工。现场推进试验如图4所示。

试验具体操作步骤如下。

（1）安装定位推进支架装置，固定地脚螺栓。

（2）安装进洞沟槽内推进袜套装置。

（3）安装钢管节吊装结构（悬臂吊），机头安装至推进装置，调节机头至进洞口。

（4）电气、液压和泥浆系统安装连接并调试。

（5）试验推进，并记录推进力、锁紧力、推进速度以及推进行程相关数据。

（6）机头出洞后，测量机头进出洞实际推进情况，处理试验数据并与理论数据做对比查看推进效果。

2.3现场推进试验机头姿态测量

为了能够实时了解顶管机机头位置，在推进管节内设置有用于测量曲线顶管机机头位置的测量装置。

试验测量操作步骤如下。

（1）在顶管机机头处选取1个测量点并做测量标记。

（2）机头连接1#外管节内连接有用于固定测量设备的1#内管节，内管节尾部安装定位测量装置。

（3）随着顶管机推进，1#管节之后逐节增加内外管节，每节内管节均安装1个测量照相机，如图6所示。

（4）推进过程中每增加1个测量装置都要将其连接电脑，測量1组数据。

（5）通过测量数据实时计算，与顶管机推进理论数据实时对比，了解顶管机机头推进位置。

通过对试验推进机头位置进行实时测量，可获得机头在水平方向的偏差和垂直方向的推进深度偏差，如图7所示，机头在水平方向向左偏移48.7 mm；如图8所示，机头实际最大推进深度为3 592.46 mm，较之理论最大推进深度3 500 mm大了92.46 mm。实际推进水平偏差和推进深度偏差均在允许范围内，这一测量数据也反映了曲线顶管机机头和推进装置设计的合理性与有效性。

3结语

通过室内测量试验，获得了极小半径曲线顶管机锁紧装置锁紧油缸油压与临界推进油缸油压的关系，同时也测量了推进油缸推力与底座反力，为现场推进试验取得了关键的施工参数；在室外现场实际推进试验过程中，通过对顶管机机头位置实时测量，顺利完成顶管机的顶出，其机头出洞效果以及机头出洞位置均在有效范围内，现场3次有效的顺利推进试验，充分验证了极小半径曲线顶管机推进设备设计的合理性和有效性。

参考文献：

[1]亀岡美友，粕谷太郎.曲線ボーリング工法（TULIP工法）の開発[J].土木学会誌， 1995（4）：3639.

[2]李太惠.用盾构连续开挖隧道后建筑浅埋地铁车站[J].地铁与轻轨，1994（4）：4546.