复杂地质条件下的顶管掘进机研究

苏皓

中铁市政环境建设有限公司 上海 200331

1 引言

1.1 研究目的

在顶管施工中，顶管机操作人员能力、顶进轴线偏差、顶进阻力、土体扰动等因素都影响着顶管施工的成败，并且顶管工程作为机械化程度较高的工程，其关键设备顶管掘进机的选型直接决定了工程是否顺利进行，乃至是安全、质量、成本目标实现的关键。

为公司建设武汉市绣球山污水泵站及进出水管道工程穿南湖段顶管选择能够在16种地质条件下顶进的掘进机。

1.2 研究内容

此段顶管掘进机的选择主要考虑以下几个方面：

（1）刀盘及刀具

顶进土层地质复杂，设备需要针对性设计，刀盘开口率，刀具选择既要考虑软土刀具，又要考虑硬土的切削。顶进过程中刀具需要更换，刀具固定形式及布置皆需考虑；同时为保证换刀方便，在保证刀盘结构强度的条件下，尽可能满足换刀空间的需要。

（2）掘进机动力

掘进机动力上要满足软土大扭矩的需要，同时综合考虑顶管机的动力储备以及主驱动减速机对空间的占用。

如何根据此次掘进的地质选择合适的顶管掘进机成为该顶段能否顺利成功的关键[1]。

（3）掘进机水路

要求设计的刀盘既能满足软土切削，又能满足硬土切削。在掘进过程中，掘进机水路不仅需要保证刀盘能够高效的切削土层，而且还要保证排渣的效率。所以如何在刀盘板面周围分布设置水路孔对掘进机掘进的效率起至关重要的作用。

2 工程概况

2.1 土质分析

该工程穿南湖段顶管长度980m，顶管管径DN3500mm，顶进管道穿越土层为：①粉质黏土（3-1、3-2、3-2a）；②粉质黏土夹碎石、角砾（3-3）；③淤泥质粉质黏土夹碎石、角砾（3-3a）；④碎石、角砾（3-4）；⑤残积土（4-1）；⑥红黏土（4-2）；⑦强风化泥质粉砂岩（5-1）；⑧中风化泥质粉砂岩（5-2）；⑨强风化泥质灰岩（6-1-1）；⑩强风化含燧石黏土岩（7-1-1）；强风化硅质岩（7-2-1）；中风化硅质岩（7-2-2）；灰岩（8-1）；强风化泥质砂岩（9-1-1）等16种土质，其土层性质部分参数如表1所示。

表1 土层性质部分参数表

此段顶管含岩石顶进长度约298m，占总顶距的30.4%，其中纯岩顶进约35m，岩、土混合顶进约263m。

2.2 工程难度

此段顶管为一次性顶进超400m长度的长距离顶管，顶管距离越长，注浆减阻、中继接力、洞内供电、井内运输等施工技术难度越高。

在南湖水下顶进过程中若出现问题，无法在湖心采取“开天窗”的措施处理，要求顶进施工必须万无一失。同时穿越16种不同地质，含土含岩，土层复杂，顶管掘进机选择困难。

顶进管道最低埋深7.84m，为管外径的1.89倍，虽然满足顶管最低覆土要求（1.5倍管外径），但是湖底淤泥厚度在2-4m，顶进的有效覆土变浅，而在浅覆土顶进可能出现顶进方向失控、顶进管道中间隆起失稳等问题。

3 顶管掘进机选型

3.1 选型方案

穿湖顶管，优先选择泥水平衡掘进机进行顶管，其密闭的作业空间更为安全，但由于顶进地质中含有大量岩石，故要求顶管掘进机既能在岩石中掘进，又能在纯土中掘进。而常规顶纯土的泥水平衡掘进机不适合含岩顶管，故需选择岩石掘进机，但常规的岩石掘进机在土层里掘进十分困难，因而需要对岩石掘进机进行适当改造，以便能够在土层中顺利掘进。

此次掘进机除常规要求外，针对这特殊地质，还需满足以下要求：

1、掘进机主轴密封须适合在中风化、强风化岩层、粉质粘土、粉质粘土夹角砾及角砾碎石层中使用，要求主轴密封无故障运转＞3km；护盾强度及密封性满足地面15m以下使用要求。

2、刀盘及其刀具适用于硅质岩、强风化泥质砂岩、粉质黏土、残积土、粉质黏土夹角砾、角砾及碎石等16种地层的切削，刀盘开口度厂家根据本工程自行设计，满足施工要求；切削刀盘安装牢固，能满足刀盘正反转及全断面切削的要求，最外缘刀具的安装应符合刀盘切削直径的要求，刀具设计及选材需充分考虑本工程地质情况和特殊施工环境。

3、刀盘扭矩系数34～40，根据刀盘扭矩系数结合自身刀盘设计情况自行确定扭矩，近期需满足16种不同地质条件的刀盘，远期可便捷换切削岩石单轴抗压强度60-200MPa的破岩刀具。

4、配备150mm泥水管路，泥水系统能够顺利排出粒径50mm以下渣土。为防止在失电状态下，泥水倒灌入顶管机内，泥水管接口前设置失电关闭装置；配备前冲洗、中冲洗、外冲洗系统。

5、要求机内、机外双控，机外控制为主，机内有合理的操作人员操作空间；控制系统要求采用自动化控制系统，选择可靠性、兼容性、可扩展性、系统规模、运算速度、执行效能高的PLC、工控机等控制器，控制系统要求能满足工作环境，输入、输出响应灵敏。采用的网络系统应有利于减少系统配线、机内线路布置合理等条件，可通过现场总线等网络通讯技术（如canbus总线）提高顶管机转井过程的效率并简化系统配线。设置一定的保护电器设施，如过载、断相、欠压、过流、短路保护、监测指示灯和互锁装置；机械、电气互锁机构（防止误操作）等功能[2]。

6、动力参数确定：综合考虑顶管机的动力储备、以及主驱动减速机对空间的占用，选用的电机配置为8*45kW=360kW；顶管机刀盘扭矩经验设计公式：T=αD；α——扭矩系数，34～40，根据刀盘直径，土质条件选择；D——掘进机切削直径，4.240m；T——扭矩，kN·m；刀盘扭矩的取值范围为：2592～3049 kN·m。

经过齿轮箱和减速机的配合选型，确定选用齿轮箱减速比为83/19，减速机的减速比258，满足要求，刀盘的额定转速为1.28r/min.；T=9550* P /1000n；n——转速，1.28r/min;P——额定功率，360kW;经计算，T=2686 kN·m，在刀盘合理扭矩范围之内。

3.2 掘进机结构介绍

刀盘及其刀具要适用于硅质岩、强风化泥质砂岩、粉质黏土、残积土、粉质黏土夹角砾、角砾及碎石等16种地层的切削，经过业内顶管专家研讨。

(1) 刀盘开口度，由制作厂家根据本工程设计，开口率29%，既要满足出岩石渣土不堵口，又要满足出粘土时不粘刀盘的施工要求。

(2) 切削刀盘安装牢固，能满足刀盘正反转及全断面切削的要求，最外缘刀具的安装应符合刀盘切削直径的要求。

(3) 刀盘要穿越中风化岩石层，滚刀是破岩的利器，滚刀布置必须按全断面无布置。本复合刀盘设计滚刀20把，同时要求安装滚刀位置的刀具能够全部更换为刮刀。以便在纯土层中顶进时，所有刀具能够有效的切割土层，保证掘进机在纯土中能够正常顶进。

(4) 考虑要顶管还需穿越其它复杂地层，设计边刮刀8把，切刀44把，超挖刀8把。

考虑到岩石掘进机与纯土中顶进的掘进机不一致，为保证刀盘刀具的有效切割和有效排泥，我们对该岩石机的水路进行了设计要求，在掘进机里面共设计了12条水路。

4 成果与展望

4.1 应用成果

从初夏到晚秋，穿软土，啃岩石，穿越16种复杂土质，克服重重困难，历时172天，980m穿湖段顶管顺利贯通。在有复合顶管机之前，至少要采用2套顶管机，一台岩石顶管机，一台泥水平衡顶管机，同时在湖里增加顶管工作井一座，相较传统采用泥水、岩石顶管工法分别顶进方案，复合顶管减少费用500万元，节约工期90天，取得了显著的经济社会效益。公司技术实力得到武汉业主的认可，赢得了武汉地下空间施工市场[3]。

该顶段虽然顺利贯通，但在顶进过程中，仍然出现了不少问题，如：(1) 无法有效排泥，迎面阻力增大；(2) 刀盘刀具磨损严重，切削土体能力减弱，迎面阻力增大；(3) 部分湖底覆土淤泥层过厚，顶进有效覆土较浅，同时顶管机刀盘泥仓水压过大，导致湖底被击穿。

针对问题(1) ，采取的解决措施是：降低循环泥浆池的泥浆浓度，由于泥浆池尺寸限制，增加污泥干化设备，在干化设备安装期间，采用泥罐车外运泥浆池内的浓泥浆。取得效果：泥浆池浓度降低后，顶力有所下降，但仍然会出现排泥不畅现象。

针对排泥不畅现象起初的解决办法是在顶进洞口处将进水管和排泥管进行互换，将排泥管临时变为进水管，由此来疏通管道，但每次更换都比较麻烦，需要将进水管和排泥管拆掉再安装，受掘进机换向阀改变水流方向的启发，在进水管和排泥管之间增加一个换流机构，通过这个机构直接改变水流方向，则不需要再将管道反复拆除和安装。

正常通水水流流向：CB-CB-CB-CB，换向通水水流流向：CA-AC-BA-AB。

通过换流机构虽然临时解决了排泥不畅的问题，但迎面阻力缺并没有减少多少。经分析，还是掘进机泥仓里面的水路问题，于是再新增了一条进水管给泥仓内供水，由于掘进机本身结构，新增的水路只能通过掘进机顶部的人孔进入泥仓。

增加第二条水路后，顶进速度由原先的5m/d，变为了7m/d，顶进效率明显提高，迎面阻力也明显下降，同时发生管道堵塞的情况也明显下降；但掘进机泥仓内的压力明显变大，泥仓压力变大则对顶进覆土要求就有所提高，压力过大则容易造成覆土被击穿，进水流失，无法进行泥水循环，导致顶进失败。故根据覆土厚度与泥仓压力控制好第二条水路的进水量十分关键。

针对问题(2) ，采取的解决措施是：停机更换刀盘刀具；同时在换刀期间，间断注减阻浆液，以防止管道抱死。取得效果：换刀完成后，迎面阻力明显下降。

针对问题(3) ，采取的解决措施是：对湖底进行抛砂加载处理，管内采取加重处理。取得效果：管道高程平稳，未发生上浮现象。

4.2 展望

地下管网工程日益增多，复杂地质条件下的顶管工程也逐渐变多，不同地质条件下的顶管，选用合适的掘进机是顶管成功的首要条件，这不仅关系到顶管施工的成败，同时也关系到成本的投入，合适的掘进机顶进效率相对较高，工程所耗时间短，投入成本相对减少。所以开发、设计及完善适用于复合地质条件下的顶管掘进机具有比传统单一地质适应性顶管机更好的开发使用前景。

5 结束语

俗话说工欲善其事，必先利其器，在进行顶管施工前，首先需要对顶进的地质进行综合分析，选取最合适的顶管掘进机，若需要对掘进机进行改造的，则在掘进机出厂前改造完成，尽可能不要在施工现场进行改造。当然，在顶管施工中，除了顶管掘进机外，其他顶进设备的选择也同样重要，选择合适的设备都会有效的提升顶进效率。针对设备的易损件，如主顶液压站电磁换向阀的电磁铁；中继间液压站的柱塞泵泵头；注浆泵的密封垫、轴承、插销以及螺杆轴；排泥泵的联轴器及总成等，在顶进施工前应备充足，避免因无更换件而停工。

针对本项目复杂地质条件下，选择合适的顶管掘进机基本实现了预期的施工效果，为工程的顺利完成提供了保障，也为复杂地质条件下的顶管施工积累了宝贵的经验。