黃智剛，阮仁酉，潘振學(xué)

（1.福州水務(wù)平潭引水開發(fā)有限公司, 350001，福州； 2.核工業(yè)井巷建設(shè)集團有限公司，313000，湖州）

頂管技術(shù)作為一種非開挖的管道施工技術(shù)，在施工過程中對城市建筑物以及交通影響小，在穩(wěn)定土層的同時也減少了對環(huán)境的破壞，因而在地下管道工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但頂管機結(jié)構(gòu)形式較為多樣，在工程展開之前，應(yīng)依據(jù)不同施工環(huán)境與地質(zhì)條件的特點，針對實際情況選擇適合的頂管掘進機。 本文結(jié)合福建省平潭及閩江口水資源配置工程實踐，對適用于復(fù)雜土質(zhì)條件與長距離施工的頂管掘進機選型及設(shè)計進行探討與分析。

一、工程概況

1.工程簡介

福建省平潭及閩江口水資源配置工程由“一閘三線”組成，其中，大樟溪福州、長樂輸水工程城門支線作為“三線”中的重要部分，如圖1 所示， 該頂管路線配備有工作井3 座、接收井2 座。 根據(jù)該段地質(zhì)條件，工程前2.689 km 段（即工作井4 至接收井1 段） 為直線頂管， 采用DN 1600鋼管，后1.145 km 段（即工作井5 至接收井4 段） 為曲線頂管， 采用DN 2000 鋼管。本文將針對工作井5 至接收井4 工程段的頂管機設(shè)計及頂管技術(shù)進行研究，頂進長度為1.145 km，輸水管道區(qū)域地表多為積層淤泥與中砂層覆蓋，地下水類型主要為孔隙潛水，河道水深5～15 m。

2.地質(zhì)條件分析

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，城門輸水支線頂管段擬建場地自上而下各土層工程地質(zhì)特征為人工填土、淤泥、中砂、粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化凝灰?guī)r、中風(fēng)化凝灰?guī)r、弱風(fēng)化凝灰?guī)r。 埋管段管道大部分位于淤泥或細砂層、殘積土層上，土層主要有淤泥、弱～強風(fēng)化熔巖、 砂質(zhì)黏土與全風(fēng)化基巖，在淤泥和中砂層中的頂管施工較為容易， 而在弱～強風(fēng)化熔巖中頂管施工難度較大。

3.工程難點

該頂管施工難點在于：一是施工距離長，頂管線路全長1 145 m；二是軸線多變， 頂管段分為3 個直線段與2 個曲線段；三是穿越淤泥、中砂、強～弱風(fēng)化熔巖，地層復(fù)雜；四是施工環(huán)境位于烏龍江底，地下水豐富，管道位于水面30 m 以下，施工全程處于高水壓下，對設(shè)備密封性能要求非常高。

復(fù)雜的土質(zhì)條件與超長的施工距離對于頂管機的適應(yīng)性選型提出了極大的考驗，同時針對工程特點所需配備的關(guān)鍵技術(shù)也為頂管機的設(shè)計提高了難度。

二、頂管機選型設(shè)計

1.頂管機設(shè)計要求

該頂管機設(shè)計主要把握的原則為：一是與土質(zhì)相適應(yīng)，二是與施工條件相適應(yīng)， 三是確保施工安全、可靠，四是施工經(jīng)濟性。 針對工程實際情況，頂管機功能需滿足：

①頂進方向的監(jiān)測與糾偏。 工程中頂進路徑存在較多曲線段，曲率半徑為6 000 m，由于鋼管剛度大，曲率半徑太小造成施工難度巨大，為保證頂進方向的精確控制，該頂管機需能嚴密監(jiān)測頂進姿態(tài)，并能完成糾偏。

②刀盤與刀具的特殊性。 針對特殊的土層條件，頂管機刀盤與刀具的選擇需與之相適應(yīng)，工程段土質(zhì)屬于以凝灰熔巖層為主的復(fù)合地層，因此刀具的配置需能完成在不同土質(zhì)中的切割，另考慮到長距離施工中刀具的磨損情況，內(nèi)部刀具更換功能也需進行相應(yīng)設(shè)計。

③障礙物的處理。 頂管機掘進過程中會穿越風(fēng)化巖體層，遇到礫石等硬度較高的大塊障礙物，因此設(shè)計過程中， 頂管機對于障礙物的破碎，以及破碎后碎石的處理也極為重要。

④頂力的控制。 頂管段長度為1 145 m，長距離施工中頂力的控制極為重要， 針對工程段的復(fù)合地層，需對頂力進行合理分配以達到理想的掘進效果。

⑤安全性與經(jīng)濟性。 滿足頂管機所需配備性能的同時，對于頂管施工過程中的安全性也需進行考慮，頂管機零部件選用要符合國家的相關(guān)標準，經(jīng)濟方面也力求其性價比在合理的范圍之內(nèi)。

2.頂管機類型的確定

在頂管機的設(shè)計過程中，首先需對頂管機類型進行確定，針對土質(zhì)條件選用合適的頂管機機型，對于頂管施工起著關(guān)鍵作用，也為后續(xù)設(shè)計進行鋪墊。 該工程將頂管機類型選定為適應(yīng)大多數(shù)不同地質(zhì)、 破碎能力強、施工精度高、防水性好的泥水平衡式頂管機。

圖1 城門水廠輸水管道頂管線路

表1 頂管機參數(shù)

3.頂管機機頭刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

頂管機的刀盤結(jié)構(gòu)可分為面板式與輻條式兩種，相較而言，面板式刀盤在施工過程中扭矩較大，更有利于保持刀盤開挖面的穩(wěn)定，另外在該頂管機的頂進過程中，需要滿足在硬巖地層中對障礙物的破碎以及長距離過程中刀具的更換，而這兩點也是輻條式刀盤所缺乏的性能，因此該設(shè)計中選用面板式刀盤以滿足在復(fù)合地層條件下的掘進。

為了保證施工過程中刀盤的密封性，在刀盤與驅(qū)動箱之間設(shè)計了一組特殊的密封裝置以確保機頭工作過程中抵擋住泥土和水，該刀盤的支撐方式選擇為中心支承結(jié)構(gòu)，同時為減少刀盤外周的磨損，在外圈表面堆放耐磨板條。

4.頂管機刀具配置及布置

考慮到該工程的長距離工作，刀頭選用耐磨性能較好的硬質(zhì)合金刀頭，并設(shè)計換刀倉以完成刀具的更換。

刀盤刀具數(shù)量確定為邊緣單刃滾刀6 把，正面雙刃滾刀6 把，邊緣刮刀8 把，正面刮刀13 把，刀具呈放射狀排布在刀盤正面。

三、頂管機關(guān)鍵技術(shù)

1.頂推力控制

為了確保在長距離曲線頂進施工過程中控制頂推力，該工程采用中繼間進行接力頂進，每段頂進過程中所需頂力由中繼間提供，城門輸水線路共設(shè)有15 套中繼間， 第一套布置于機頭后方約50 m 左右， 往后每套中繼間間隔約為80～150 m。

作為頂管機掘進過程中的重要參數(shù)，在頂管機設(shè)計之前，需要對頂管機的頂推力進行預(yù)計算，根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB 50268—2008） 中相應(yīng)的公式計算，得到每套中繼間所需滿足最大頂推力為7 338kN，考慮到特殊情況，每套中繼間將安裝20 只500 kN 雙作用油缸，總推力能達到10 000 kN（頂力有效利用率按70%～80%考慮，本案取75%），因此在施工中將中繼間頂力控制值暫定為7 500 kN， 油泵型號為JB-30 高壓油泵， 最高油壓為31.5 MPa，油缸行程為500 mm。

2.二次破碎技術(shù)

頂管機穿越強弱風(fēng)化巖層時，江底存在的礫石、古樹等大塊障礙物會影響掘進，刀盤結(jié)構(gòu)上雖然采取了滾刀裝置以完成對硬巖的切割，但僅靠切削刀具極難將大塊巖石破碎至能進入輸送管道的碎渣，為了完成巖體的破碎，二次破碎技術(shù)在本工程的應(yīng)用極為重要。

掘進過程中，首先由刀盤上的切削工具完成對障礙物的初次破碎，使得巖石達到二次破碎能夠接受的程度后，碎石進入二次破碎倉內(nèi)完成進一步的破碎，得到的碎渣再通過進泥孔進入泥水倉后由輸送管道排出。

3.測量與糾偏技術(shù)

頂管機刀盤切削土體的扭矩主要是由頂管機殼體與土層之間的摩擦力矩來平衡， 當(dāng)摩擦力矩?zé)o法平衡刀盤切削土體產(chǎn)生的扭矩時，頂管機將產(chǎn)生滾動偏差。 另外由于頂管機表面與地層間的摩擦阻力不均勻以及開挖面上土壓力的差異，也會導(dǎo)致一定程度的方向偏差。 為了保證施工的精確性， 在發(fā)現(xiàn)頂進過程中出現(xiàn)偏差時， 需要立即作出糾偏調(diào)整。

該頂管機的測量系統(tǒng)由兩大部分組成，其一是安裝在前殼體上的測量靶，其二是安裝在前殼體內(nèi)的傾斜儀。 在監(jiān)測頂管機姿態(tài)時，從一固定基準點向測量靶發(fā)射激光束以判斷頂管及掘進方向的偏差，傾斜儀可以判斷頂管及前殼體的水平姿態(tài)、仰俯狀態(tài)以及偏轉(zhuǎn)狀態(tài)。 針對該工程的要求，在施工過程中需實時監(jiān)控，不間斷地分析頂進軌跡， 并預(yù)判軌跡趨勢。 糾偏過程主要依靠糾偏油缸所提供的頂力完成。

四、頂管機應(yīng)用驗證

1.頂管機掘進參數(shù)設(shè)計

根據(jù)頂管機應(yīng)用的地質(zhì)工況和技術(shù)要求， 完成頂管機掘進參數(shù)設(shè)計，如表1 所示。

2.頂管機性能特點

該頂管機配備有硬巖掘進復(fù)合刀盤， 采用低速大扭矩傳動方式，刀盤切削力強， 能夠掘進100MPa 以上的硬巖層， 具備二次破碎巖石的能力。 另配備有氣壓作業(yè)艙，設(shè)有應(yīng)急窗口及人員通道，可用來更換刀具及處理開挖面異常狀況， 維修保養(yǎng)方便。 頂管機各部位防水密封滿足施工需要設(shè)計壓力不應(yīng)小于使用壓力的1.5 倍， 同時采用可靠性非常高的主軸密封裝置，施工精度高，最大糾偏角度達3°。

獨立的管道頂進自動壓注減阻泥漿系統(tǒng)也使得管道內(nèi)施工環(huán)境較好，施工安全可靠，采用泥水管路連續(xù)棄渣，加快了頂進速度的同時也提高了安全性能。 在進行施工掘進時其噪音及震動都很小，同時也降低了對周圍土體的擾動。 為了提高對掘進過程中的姿態(tài)監(jiān)控， 配備有激光測量儀、激光指向儀、超長距離頂進自動測量系統(tǒng)。

該頂管機機型結(jié)構(gòu)緊湊，使用維修保養(yǎng)簡單，在工作坑、接收坑可整體吊裝，也可拆裝，采用地面集中控制，使其安全、直觀、方便。 希望該項目的設(shè)計分析能為今后類似工程提供一定的借鑒。 ■