泥水平衡顶管机推力扭矩计算及钢顶管失稳分析

潘振学　艾慧　叶贺　何源福　吴亚华

摘要：在福建省平潭及闽江口水资源配置工程的隧道掘进中，为了研究泥水平衡顶管机设计的合理性以及施工过程中钢顶管的稳定性，结合泥水平衡顶管机的特点以及施工地层条件，提出了考虑滚刀和刮刀实际贯入阻力的刀具载荷计算修正模型。对现有泥水平衡顶管机掘进的推力计算模型进行了分析，引入刀具破岩阻力和切削力矩，修正了顶管机的推进力计算模型和扭矩计算模型。对仅轴向推力作用下，仅土体围压作用下和推力、围压共同作用下的钢顶管稳定性进行分析，推导出了其失稳临界值，验证了顶管机在类似工程地层下施工的可靠性。

关键词：泥水平衡顶管机; 刀具载荷; 顶管推力; 刀盘扭矩; 钢顶管失稳

中图法分类号： TU43

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.021

0引 言

泥水平衡顶管施工是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术，具有施工工艺安全、施工速度快、地层适应性好、对周围环境影响小等优点，目前已在中国得到迅速发展[1-2]。泥水平衡顶管机在复合地层下掘进过程中，会受到各种来自土体的载荷作用，容易出现偏心负载的情况，从而导致管道在掘进过程中因结构强度不足而发生损坏。例如福建省平潭及闽江口水资源配置工程的超长距离曲线顶管，顶管机需承受刀盘刀具切削土体产生的载荷扭矩以及管道和土体之间摩擦剪切产生的阻力，这对泥水平衡顶管机的结构设计提出了更高的要求。推力和扭矩的計算是顶管机设计和施工的依据，决定着最大顶推长度，直接关系到工程造价，具有重要的工程意义。

目前针对顶管机的推力与扭矩，国内外众多学者进行了大量的研究。王双等[3]在管道悬浮条件下，采用流体力学平行平板模型计算管浆摩阻力;雷晗等[4]通过数值模拟对内径4 m的大直径钢筋混凝土顶管管道的受力特性进行了分析，研究了施工过程中管土接触压力的变化及顶管覆土厚度对管道外土压力的影响。叶艺超等[5]基于泥浆的触变性，采用管土“固-液”接触方式，推导出一种适用于黏性土和砂性土地层的顶管顶推力理论计算公式。张鹏等[6-7]在Persson接触压力模型的基础上，分别考虑了土层管土接触和岩层管土接触2种情况下的压力分布规律，分别计算出顶管底部的管土接触摩阻力和顶部的管浆接触摩阻力，最终推导出顶管顶进过程中的总顶推力公式。陈孝湘[8]、周舒威[9]等依托实际工程，分别从开挖面主动土压力、顶程、顶进曲率及管土摩阻力系数等多个方面对顶管顶推力进行估算及验证。然而，这些计算模型在对刀盘载荷与扭矩进行计算时，均忽略了刀盘刀具受载对其影响。而福建省平潭及闽江口水资源配置

工程穿越的地层跨度较大，从弱风化凝灰熔岩到淤泥地层，刀具受载对顶管机推力和扭矩的影响较大，不能忽略，所以需对原有模型进行进一步的优化。

本文针对隧道工程的地质情况以及泥水平衡顶管机刀盘的特点，在前人研究的基础上，考虑了滚刀和刮刀的实际贯入阻力对刀具切削土体的影响，修正了刀具载荷计算模型;引入刀具破岩阻力和切削力矩，修正了顶管机的推进力计算模型和扭矩计算模型。根据计算模型推导出顶管机实际施工过程中的推力和刀盘扭矩，研究在轴向推力、土体围压作用下的钢顶管失稳临界力，验证顶管机在该工程地层下的可靠性。

1工程地质条件

福建省平潭及闽江口水资源配置工程隧道穿越地层以淤泥层、中砂层、弱-强风化凝灰熔岩等地层为主。输水管道线路总长4.611 km，包括了穿越江底部分约4.012 km，其中，顶管机须从弱-强风化岩层穿越至中砂、淤泥层，穿越强度超过100 MPa的硬岩层距离达到541 m，属于超长距离曲线硬岩顶管，技术难度堪称全国首例。

2顶管机受力性能分析

顶管机的掘进过程主要包括了刀盘的回转运动和轴向的顶进运动。在掘进过程中，顶管机主要受到了来自前方水土压力带来的推进阻力、管道和周围土体之间的摩擦阻力、刀盘旋转时与周围土体产生的摩擦扭矩以及各刀具切削土体产生的阻力。

2.1刀具载荷计算模型

顶管机工程的穿越地层主要为砂层，土体的剪切破坏属于流水型切削。泥水平衡顶管机的破岩方式与泥水平衡盾构机相似，可参考黄志高等[10]所研究的盾构刮刀载荷计算模型，在此基础上根据实际工程情况进行模型修正，如图1所示。

顶管机刀盘直径为2 120 mm，刀盘的4个电机总功率为88 kW，可进行变频调速，转速可达到1.2～2.0～2.8 r/min，设计的最大扭矩为440 kN，主顶安装总顶力1 200 t。刀盘上各刀具的分布位置及数量如图4所示。其中，双刃滚刀6把、单刃滚刀6把，边缘刮刀8把，正面刮刀10把。

以该工程的某一段顶管施工为例，该段施工地层为粉质黏土地层，覆土厚度为12 m。由于刀盘正转或反转时均只有一半的刀具在工作，结合刀盘刀具计算模型、工程地质参数和刀盘刀具结构参数，可以得到各刀具载荷与刀盘扭矩如表2～3所列。

研究钢顶管在土压和推力作用下保持稳定性的最大临界力（见表4），分析该顶管机能否满足工程地质的要求。

经过分析计算可得，顶管机在该地层下施工的总推力需达到10 262.3 kN，所需的刀盘总扭矩为302.4 kN·m。而刀盘的最大设计顶推力为11 760 kN，最大设计扭矩为440 kN·m，满足顶管机推进的基本要求。在遇到更加复杂地层时，顶管机的设计推力可能会小于所需总推力，此时就需要中继间辅助推进。钢顶管周围的土压约为100 kPa，远小于774.1 kPa，满足钢顶管围压的要求;在土压与推力的共同作用下，为保证钢顶管的稳定性，取安全系数为0.7，所以顶管机对钢顶管施加的推力最大可达到24 307.5 kN，满足钢顶管的稳定性要求。

根据现场测得的数据，得到顶管机在掘进过程中的平均推进速度为60 mm/min，转速为1.2～2.0 r/min。工程实际中，该顶管机从弱风化岩层穿越至淤泥层，具有良好的适应性，使用过程中稳定性良好，未出现钢顶管拱起、刀盘卡死等不良状况，证明研究的正确性。

5结论与讨论

（1） 本文考虑了施工过程中滚刀和刮刀的实际贯入阻力对刀具切削土体的影响，修正了刀具载荷计算模型;引入刀具破岩阻力和切削力矩，修正了泥水平衡顶管机的推力计算模型和扭矩计算模型。

（2） 对仅轴向推力作用下，仅土体围压作用下和推力、围压共同作用下的钢顶管稳定性进行分析，推导出其失稳临界值。根据得到的顶管机计算模型，推导出顶管机实际施工过程中的推力和刀盘扭矩，对比钢顶管的失稳临界力，验证了顶管机在该工程地层下施工的可靠性。

（3） 泥水平衡顶管机的载荷扭矩修正模型是结合现有模型和实际工况得到的，具有一定的拟合精度，但并未达到完全精准预测，仍有改进和提高的空间。可在计算刀具载荷时，根据实际情况，进一步细化刀具结构，考虑不同位置刀具对应的倾角、刀高差等，使结果更加准确。

参考文献：

[1]罗景生.泥水平衡顶管顶力突增过程实测及其应对措施分析[J].给水排水，2018，54（9）：117-120.

[2]张琪.顶管技术在管道建设中的应用[J].地质科技情报，2016，35（2）：33-36.

[3]王双，夏才初，葛金科.考虑泥浆套不同形态的顶管管壁摩阻力计算公式[J].岩土力学，2014，35（1）：159-166，174.

[4]雷晗，陈锦剑，王建华，等.大直径砼顶管的管道受力特性分析[J].上海交通大学学报，2011，45（10）：1493-1497.

[5]葉艺超，彭立敏，杨伟超，等.考虑泥浆触变性的顶管顶力计算方法[J].岩土工程学报，2015，37（9）：1653-1659.

[6]张鹏，马保松，曾聪，等.基于管土接触特性的顶进力计算模型分析[J].岩土工程学报，2017，39（2）：244-249.

[7]张鹏，谈力昕，马保松.考虑泥浆触变性和管土接触特性的顶管摩阻力公式[J].岩土工程学报，2017，39（11）：2043-2049.

[8]陈孝湘，张培勇，丁士君，等.大口径三维曲线顶管顶力估算及实测分析[J].岩土力学，2015，36（增1）：547-552.

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[11]杨志勇，程学武，江玉生.泥水平衡盾构刀盘扭矩计算及其影响因素分析[J].铁道工程学报，2016，33（5）：59-63，77.

[12]尤明庆.端部切向载荷作用下的压杆失稳分析及其应用[J].力学季刊，2019，40（1）：160-166.

[13]郑聪，马保松.基于ABAQUS的顶管施工中钢管稳定性分析[J].给水排水，2016，52（4）：99-103.

（编辑：胡旭东）

Abstract：In tunneling project of the water resources allocation project in Pingtan City and Minjiang River estuary，Fujian Province，to study the design rationality of a slurry pipe jacking machine and the stability of steel jacking pipes during construction，combing with the characteristics of slurry pipe jacking machine and the construction stratum conditions，we proposed a revised cutter load calculation model considering the actual penetration resistance of disc-cutters and scrapers.In this paper，the existing jacking load calculation models for slurry pipe jacking machines were analyzed，and the jacking force calculation model and torque calculation model of pipe jacking machine were modified by introducing the rock-breaking resistance and cutting torque of cutters.The stability of jacking pipes under action of jacking load only，soil confining pressure only，and the joint action of jacking load and soil confining pressure were analyzed.And its critical value of instability was deduced，which can verify the reliability of pipe jacking machine under the stratum of similar projects.

Key words：slurry pipe jacking machine;cutter load;pipe jacking load;cutter head torque;steel jacking pipe instability