超大断面矩形顶管机装机技术分析

石玉经

(中铁隧道集团一处有限公司，浙江 绍兴 312050)

0 引言

在城市交通施工项目中，要在全面分析地质条件、施工环境的基础上落实更加合理的技术方案。针对超大断面施工区域要完善顶进长度分析等细节，从而发挥技术的应用优势，实现社会效益和经济效益的双赢。

1 顶管机装机施工概述

1.1 原理

顶管机装机施工技术在操作中，要在工作井内完成始发台座、顶推油缸、支架等相关设备的安装工作，然后紧跟管节元件，逐渐向土层完成推进，在推进中产生的渣土则借助渣土泵设备或是螺旋输送机设备以不同形态送出施工区域。在完成一节操作后，收回顶推油缸，向施工区域吊入另外一节管节，依照基本流程继续顶进，一直到顶管机满足接收井的预设位置，确保管节完全铺设，拆除顶管机吊回地面位置[1]。

1.2 优势

顶管法施工处理技术隧道设计多为圆形，但是圆形顶管隧道存在空间利用率较低的问题，那么在有效空间参数相同的状态下，匹配矩形断面能更好地完成地下空间的处理如图1所示，相较于圆形断面节省了45% 的地下空间，相较于双圆隧道，实现35% 空间优化。除此之外，还能减少隧道底部埋深，提升覆土厚度。基于此，超大断面区域配合使用矩形顶管技术，能更好地提升工程项目综合质量优化空间利用率[2]。

图1 圆形断面和双圆隧道处理方式

2 超大断面矩形顶管机装机技术应用方案

2.1 工程概况

本文以嘉兴市市区快速路环线工程（一期）土建工程项目为例，主线范围为K5+260～K7+339，长2079m；地面辅道范围为K5+260～K7+339，长2079m。标段线路位置如图2所示，具体工程量见表1。

表1 工程项目顶管施工工程量

图2 嘉兴环线土建3 标线路走向

2.2 具体方案

依据工程项目的实际情况，选取的是中铁装备设计、制造的多刀盘辐条式土压平衡顶管机，顶管机断面尺寸14820mm×9446mm，刀盘驱动功率30kW×59，刀 盘 扭 矩2005kN·m（1 组）+2548kN·m（1 组）+1238kN·m（4 组）+657kN·m（2 组）+486kN·m（4组）+77kN·m（2 组），6 前8 后多刀盘设置，开挖率达到90%，搅拌率达到70%[3]。

2.2.1 顶管机组装施工前准备工作

在顶管机组装工作开始前，要对整机布置工作予以落实，整个设备包括前盾、中盾、尾盾、出渣螺机、顶推油缸及支架、后靠、供配电系统、泡沫系统、减摩注浆、纠偏系统、控制系统等，为此，要依据实际标准落实布置方案，确保相应元件都能在规定位置发挥其实际作用[4]。

另外，在完成吊装作业前还要对吊装作业区的地基情况有所了解，其中始发井场地基础是混凝土硬化基础，铺设钢筋网，配合C30 混凝土，能符合起重机起吊的基本需求。而对应的接收井是混凝土硬化基础，在铺设钢筋网的同时配合C25 混凝土，利用履带吊场地基础力学验算分析相应参数是否满足标准。

2.2.2 顶管机吊装下井

第一，中盾安装。要在始发井的固定位置完成合体拼装操作，依据规范利用连接螺栓完成相应工作，并配合门式起重机主吊，然后集中安装焊接吊耳，在水平吊起操作结束后，要不断对主副钩钢丝绳的间距予以调控，有效实现盾体的自由翻转。与此同时，中盾立直完成后，要借助门式起重机单独将其吊运到其他始发台（图3）。只有保证中盾就位，且前法兰和始发台之间相互垂直，才能开展后续的操作。

图3 中盾整体下井示意图

第二，安装前盾。在安装临时吊耳后，利用连接螺栓实现紧固处理，主要借助100t 门式起重机实现平吊和翻身处理，完成吊运安装工作。首先，水平吊起，利用上部主钩完成钩升操作，调控钢丝绳间距，以保证盾体自由翻转，在中块立直后去掉下部吊钩和临时吊耳，连接中盾，然后拆除左侧斜撑结构（图4）。

图4 前盾左块下井拼装

第三，要拆除前盾结构和中盾结构连接螺栓，并且对前盾予以支撑处理，借助200t 门式起重机完成起吊分离，在分离间距满足1m 的距离后，配合实际应用要求完成前盾和中盾螺栓的连接操作，依据规范实现紧固。

第四，安装刀盘，在刀盘挂装的过程中，要借助门式起重机完成立吊刀盘的处理，在缓慢旋转刀盘后，利用手拉葫芦辅助刀盘实现有效靠拢，从而保证简体键槽位置和主驱动花键位置匹配，完成定位处理就能直接穿入连接螺栓。需要注意的是，为了提升刀盘安装的规范性，要践行“从下往上、从后到前”的顺序完成相应的安装处理。

第五，安装后顶靠结构，在始发井西侧场地位置是完成合体拼装处理，在合体拼装操作结束后，结合规范要求配合连接螺栓实现紧固。依旧是应用两台100t 的门式起重机作为整个吊装操作的主吊设备，配合160t 汽车起重机完成副吊，翻身后焊接吊耳。在后顶靠连接操作过程中，要践行规范性量测处理，保证后靠中心位置和隧道中心位置处于重合状态，并且提升混凝土的贴紧度。

第六，安装顶铁元件，在整个操作环节中，环形顶铁和U 形状顶铁在始发井西侧场地进行合体拼装。合体拼装时，按规范要求对连接螺栓进行紧固。

第七，辅助系统安装。首先，安装出渣系统，以保证顶管顶进后渣土能及时传出，要将出渣小车导轨直接焊接在管节预埋钢板结构上。其次，要安装电管线、液管线，在安装地面操作室后，利用顶推的方式完成液压泵站的安装处理，并且始发安装后在顶管机进入10 节管节结束后将隧道设备直接转移到隧道内部。

第八，在完成相应辅助设施后，就要对始发状态予以及时性调控。

2.2.3 矩形顶管机吊装施工

在矩形顶管机吊装施工项目中，要按照渣土改良控制、土压力控制、顶进速度控制、实时监控的要求落实具体工作。

其一，掘进控制。

其二，添加材料并对注入参数予以设定，了解渣土的实际状态，若过软就要减少注入量，若过硬就要增加注入量，确保改良效果满足实际要求。

其三，进行土压设定，了解土仓土压参数，若土压较低，就要尽量减少掘进设备的转速，若土压较高，就要增加掘进转速，配合刀盘掘进状态选取适配的总推力，实时分析和评估周边土压，完成排土量控制。

其四，顶进过程中要严格控制管机的姿态，避免姿态变化过大或过顿，确保纵坡变化在0.2%以下，最大程度减少顶管不平直对整个操作流程产生的影响。与此同时，要对顶进的速度予以实时性监管，保证管节安装操作、顶进施工操作作业时间匹配作业环节的具体设定，实现连续、均衡地施工，避免长时间搁置对整体质量产生的影响。

2.2.4 出土量和渣土运输

在顶管工程施工过程中，不仅要对顶进工序予以集中管理，也要对出土量和渣土运输环节展开质量监督，旋转出土量要保持和顶管机头刀盘削土量相同，从而确保相应的处理工序最优化。若是出土量超出顶管机头刀盘削土量，则会出现地面不同程度的沉降问题，若是出土量小于顶管机头刀盘削土量，则会出现土体扰动问题。

基于此，要建立实时性监管机制，保证出土量控制流程的规范性，避免超挖或者欠挖等问题。值得一提的是，非加固区域的出土量要控制在98%～100%，而对于加固区，相应的出土量要控制在105%左右。

除此之外，在顶进操作结束后，也要进行空间的拓展处理，并且借助竖井处理机制对端头井开挖工序予以支护处理，保证相应支护体系能发挥实时性作用，维持整体工程项目的安全性和规范性。

2.2.5 顶管机接收井吊装施工

首先，顶管机到达接收井后，使用脱离油缸将顶管机与管节脱离，使用铰接油缸将尾盾和中盾分离，切断电源，拆除电、液管线，清洁盾体及刀盘，焊接盾体各吊耳。

其次，取下尾盾铰接密封，拆除尾盾上下块连接螺栓，配合主吊和副吊瓦城尾盾吊出接收井的操作，采用13m 低版本板拖车，装车运至始发井。运输过程中利用支垫的方式处理盾块，采用钢丝绳与手拉葫芦完成对应的绑扎操作工序。

最后，拆解吊装前盾、中盾结构单元，并且在拆除完成后，配套设备管线，做好标识，盘好分类堆码。由16T 随车吊吊运至始发井。需要注意的是，为了保护盾体主要部件的安全性，针对大型异形运输部件的处理工作，主要是利用重型低板拖挂车，用紧固链、钢丝绳、葫芦等工具借助焊接吊耳操作工序、辅助吊耳操作工序等，有效实现八字形绑扎操作目的，并利用部件的吊点，在部件前后对设备纵向和横向进行绑扎加固，钢绳与设备接触面加垫保护层。安排专人配合交管部门，设置隔离阻断标识标牌，对过往车辆合理分流，直至盾体运输车辆顺利通过。

3 结语

总而言之，在超大断面顶管机施工操作中，要综合考量施工环境和施工方案的具体情况，建立健全的分析方案，并配合预制场地分析、运输条件分析完成断面设计等工作，确保能依照标准化流程完成相应工序，提升超大断面矩形顶管施工的综合质量，为施工综合效益的优化奠定坚实基础。