董志偉, 丁小彬, 楊永強, 張 超

(1. 中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河 065201； 2. 華南理工大學土木與交通學院， 廣東 廣州 510641)

0 引言

隨著我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，開發(fā)與利用城市地下空間已成為新世紀城市發(fā)展的必然[1]。頂管法施工在城市地下空間開發(fā)建設(shè)過程中經(jīng)常被用到，它是一種不在地表開挖或盡量減少開挖地表的管道敷設(shè)施工技術(shù)[2]，具有可減少大量土方工程、減少拆遷并節(jié)約施工用地、對周圍環(huán)境干擾小、不中斷地面人流交通及物流運輸活動等優(yōu)點，在工程實踐中體現(xiàn)出較高的社會效益和經(jīng)濟效益，特別適合管線穿越建筑物及交通線路，甚至穿越河道施工。目前機械頂管施工在越來越多的管道施工實踐中得到大量應用，其中主要應用于城市給排水、電力管道、煤氣管道、熱力管道、通信電纜以及交通道路等施工中。但有時受地形和場地的限制，設(shè)備選型失敗或設(shè)備故障，不得不對頂管機進行改造和洞內(nèi)組裝。

由于工程地質(zhì)條件的改變，長沙湘江隧道工程[3]將一臺NFM泥水平衡盾構(gòu)的刀盤、主驅(qū)動控制系統(tǒng)進行改造，實際應用效果良好。新疆某水利工程1#施工支洞[4]由于開挖工況條件的改變，將現(xiàn)有的針對平支洞設(shè)計的硬巖敞開式掘進機設(shè)備改造成適用于緩斜隧洞的開挖。文獻[5-7]在上海提高軌道交通建設(shè)標準的背景下，結(jié)合盾構(gòu)小幅擴徑改造設(shè)計，詳細介紹了盾構(gòu)改造的總體方案，并分析了其關(guān)鍵技術(shù)和改造價值。在西安市東月路雨水管道工程[8]施工中，對刀具和刀盤盤圈貝型刀磨損嚴重的管徑為3 000 mm的土壓平衡頂管進行了改造，所提出的刀具布置方式和刀具形狀等技術(shù)措施提高了其使用壽命。徐震[9-10]通過分析盾構(gòu)刀盤尺寸和質(zhì)量對空間限制、結(jié)構(gòu)受力與變形的影響，運用經(jīng)驗設(shè)計和仿真分析等方法，對無擴大隧道洞室中刀盤的"1+1"、"2+1"和"4+1" 3種分塊拆解形式進行了比較分析。

許多工程對硬巖敞開式掘進機進行過洞內(nèi)組裝和內(nèi)部系統(tǒng)改造，也有一些學者對盾構(gòu)做了一些擴徑方面的研究，以及對頂管刀頭和刀盤做過一些改進，但幾乎沒有對頂管機做擴徑改造和洞內(nèi)組裝的探索和研究成果。深圳電網(wǎng)北環(huán)110 kV架空線改造入地電纜隧道工程中航支線采用將原有的人工頂管機改造成泥水平衡頂管機，進行洞內(nèi)組裝后再繼續(xù)施工，形成一套完整可靠的頂管機改造及洞內(nèi)組裝施工技術(shù)，以期為頂管機的改造及洞內(nèi)組裝提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程介紹

深圳電網(wǎng)北環(huán)110 kV架空線改造入地電纜隧道工程中航支線采用頂管法施工，頂管區(qū)間全長492.962 m，周邊環(huán)境復雜，自深圳市中心公園內(nèi)SJ4豎井始發(fā)，向東下穿中心公園、華富路，沿振興路南側(cè)人行道向東，止于中航變電站。其中，振興路南側(cè)管線密集、老舊低層建筑較多，頂管管道與振興路南側(cè)建筑物水平距離為2.5～3.8 m； 頂管隧道向上坡曲線頂進，轉(zhuǎn)彎半徑為2 700 m； 設(shè)計坡度為24.03‰。

根據(jù)鉆孔勘察資料可得： 始發(fā)井SJ4至里程SZ1K0+164.4處，穿越地層主要為微風化花崗巖、中風化花崗巖和強風化花崗巖； 之后穿越地層主要為礫質(zhì)黏性土。頂管前段穿越地層為巖層，可采用敞開式頂管機人工掘進； 后半段為黏性土層，為保障掘進過程中掌子面的穩(wěn)定性，敞開式頂管機不再適用，可采用泥水平衡式頂管機掘進。

考慮周邊環(huán)境、經(jīng)濟效益和施工速度，先采用敞開式頂管機(即人工頂管)施工100 m至里程SZ1K0+108.6處(中心公園內(nèi))，然后采用暗挖法施工后空推頂進至組裝洞室(SZ1K0+164.4)處，在組裝洞室進行泥水平衡頂管機組裝，完成后繼續(xù)頂進剩余的328.562 m，最后將頂管機從SJ4-1豎井吊出。頂管施工沿線周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 頂管施工沿線周邊環(huán)境示意圖

由于本項目已有DN3 200泥水平衡頂管機的開挖直徑(3 880 mm)與隧道洞室的大小(4 180 mm)不符，無法滿足開挖要求； 同時，新購DN3 500泥水平衡頂管機成本較高，且已施工段頂管無法處理。因此，將項目部已有的DN3 200泥水平衡頂管機刀盤進行擴徑改造，以滿足開挖直徑的要求。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

頂管段主要上覆土層為素填土、粉質(zhì)黏土、礫質(zhì)黏性土及不同風化程度的花崗巖； 頂管前半部分主要穿越巖層，后半段穿越礫質(zhì)黏性土層，巖層與黏性土層的交界處即為頂管機的改造段，改造段隧道拱頂埋深18.40 m。地質(zhì)自上而下依次為： 素填土2.7 m，粉質(zhì)黏土8.8 m，礫質(zhì)黏性土7.6 m，全風化花崗巖3.4 m。其中洞身范圍內(nèi)主要為礫質(zhì)黏性土與全風化花崗巖，圍巖裂隙發(fā)育，遇水易崩解。地下水埋深5.17～5.72 m，主要受大氣降水補給，水位變化隨季節(jié)變化而異。工程地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖

1.3 施工技術(shù)難點

1.3.1 DN3 200泥水平衡頂管機動力系統(tǒng)改造

由于新購置DN3 500泥水平衡頂管機成本較高，考慮工程的經(jīng)濟效益，將已有的DN3 200泥水平衡頂管機進行改造，如何合理地配置動力系統(tǒng)是確保順利完成施工任務的前提。

1.3.2 DN3 200頂管機刀盤擴徑技術(shù)

由于擬改造的DN3 200刀盤直徑為3 880 mm，而根據(jù)隧道洞室的設(shè)計要求，現(xiàn)需要擴徑至4 180 mm，單邊擴徑達150 mm，采用何種方式連接刀盤將直接影響刀盤使用的耐久性。前期頂管法隧道采用全圓形斷面，管節(jié)內(nèi)徑為 3.5 m，外徑為 4.14 m，單節(jié)長度為2.5 m，單節(jié)質(zhì)量約為26 t。頂管設(shè)計最大覆土深度為30 m。管接口為F形接口，鋼尾套長度為145 mm，管節(jié)密封采用契形密封圈。

1.3.3 DN3 500刀盤分割技術(shù)

已施工管節(jié)最大空間為3 500 mm，而新加工刀盤外徑為4 180 mm，需分割成為幾塊方可運輸至洞內(nèi)進行組裝。刀盤的切割位置直接影響刀盤的洞內(nèi)運輸、洞內(nèi)組裝的工程量大小及刀盤的耐久性。

1.3.4 組裝洞室施工技術(shù)

改造后的刀盤直徑為4 180 mm，需開挖組裝洞室。組裝洞室在滿足施工的前提下，應盡可能減小尺寸，降低開挖成本和安全風險。開挖斷面的大小需要考慮地質(zhì)條件和頂管機的形式、安裝方式和采用的吊裝設(shè)備，以及刀盤直徑、組件尺寸等因素，在充分考慮擴挖洞室的功能特性、施工方法、襯砌結(jié)構(gòu)形式、洞內(nèi)組裝、頂管機主機大件的擺放、部件轉(zhuǎn)運所需的卸車區(qū)域等后確定。

1.3.5 頂管機組件洞內(nèi)運輸技術(shù)

新加工刀盤需分塊多次運輸至洞內(nèi)擴挖洞室，其拼裝點位較多，洞內(nèi)上坡及變坡運輸過程中保證刀盤完整性是重中之重，關(guān)乎拼裝成敗，且如果發(fā)生溜車，后果嚴重。

1.3.6 洞內(nèi)刀盤拼裝技術(shù)

刀盤為多塊拼裝式，采用螺栓及焊接固定，固定質(zhì)量直接影響刀盤的使用壽命，動力系統(tǒng)的精度直接影響頂管機的性能。而隧道沿線不具備地表加固條件，如頂管機發(fā)生故障直接影響施工進度。

1.3.7 原有洞內(nèi)敞開式頂管機改造

原敞開式頂管機前殼需加長475 mm并焊接錐體破碎泥水艙，然后在原敞開式頂管機焊接中隔板(中隔板預留600 mm×500 mm人孔，便于組裝期間人員通行及后期檢查修復刀具)并在泥水艙中設(shè)置沖洗管路。由于改造部位較多，改造質(zhì)量直接影響頂管機性能，進而影響施工進度。

2 施工方案

2.1 具體方案

頂管機洞內(nèi)改造與接續(xù)頂進面臨多項施工與現(xiàn)場組織難題，具體包括頂管機動力系統(tǒng)分析、頂管機刀盤擴徑、頂管機刀盤分隔、洞室擴挖、刀盤洞內(nèi)運輸、刀盤洞內(nèi)組裝、頂管機洞內(nèi)改造、頂管接續(xù)頂進等。頂管機洞內(nèi)改造施工組織工藝流程如圖3所示，各部分具體方案分析如下。

圖3 頂管機洞內(nèi)改造施工工藝流程圖

2.1.1 DN3 200頂管機動力系統(tǒng)分析

泥水平衡頂管機刀盤轉(zhuǎn)矩主要由刀具切削阻力轉(zhuǎn)矩T1、刀盤正面摩擦轉(zhuǎn)矩T2、刀盤側(cè)面摩擦轉(zhuǎn)矩T3、刀盤開口處剪切轉(zhuǎn)矩T4、刀盤背面摩擦轉(zhuǎn)矩T5、泥水艙攪拌轉(zhuǎn)矩T66個部分組成。刀盤總轉(zhuǎn)矩[11]可表示為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

T6=p0us(naAara+nTATrT)。

(7)

式(1)-(7)中：qu為土體無側(cè)限抗壓強度；hmax為刀盤每轉(zhuǎn)的最大切削深度；R0為最外圈刀具的半徑；ξ為刀盤開口率；u為刀盤與土體間的摩擦因數(shù)；p0為刀盤中心處的泥水壓力；Dc為刀盤直徑；pr為刀盤周邊的平均土壓；t為刀盤軸向?qū)挾龋籕u為渣土抗剪強度；us為泥漿與刀盤背面的摩擦因數(shù)，可取0.25u；na為攪拌棒個數(shù)；Aa為攪拌棒斷面面積；ra為攪拌棒到刀盤中心的平均距離；nT為支撐臂的個數(shù)；AT為支撐臂斷面面積；rT為支撐臂到刀盤中心的平均距離。

根據(jù)文獻[12]經(jīng)驗公式計算：

T=αD3。

(8)

式中：α為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，t·m，泥水平衡盾構(gòu)可取1.0～1.51，本文取1.51；D為盾構(gòu)直徑，m。

頂管機改裝后所需轉(zhuǎn)矩計算結(jié)果如表1所示。

表1 頂管機改裝后所需轉(zhuǎn)矩計算值

現(xiàn)有DN3 200頂管機驅(qū)動軸直徑560 mm，刀盤采用6臺額定功率30 kW的電機，額定轉(zhuǎn)速為1 470 r/min，刀盤轉(zhuǎn)速為0～1 r/min(變頻調(diào)速)，最大輸出轉(zhuǎn)矩為1 900 kN·m，大于計算所需的轉(zhuǎn)矩值。因此DN3 200驅(qū)動設(shè)備完全適用本工程，無需增加動力。

2.1.2 DN3 200頂管機刀盤擴徑至DN3 500

根據(jù)工程需要，將原DN3 200頂管機刀盤直徑3 880 mm擴徑至4 180 mm，經(jīng)過嚴密的受力分析，采用在現(xiàn)有的配刀基礎(chǔ)上在刀盤外部0.8 m的范圍(含擴徑部位)增設(shè)10把撕裂刀。輻條式刀盤總計配置76把撕裂刀(軟巖刀具、撕裂巖層)、50把刮刀(切削土體)、24把貝型刀(效果同刮刀)。增設(shè)后刀具運行軌距滿足切削4 180 mm直徑范圍內(nèi)土體，得出刀盤擴徑適用于本工程。刀盤擴徑大樣圖如圖4所示。

圖4 刀盤擴徑大樣圖(單位： mm)

2.1.3 DN3 500刀盤分割

從施工和受力角度分析，選擇將刀盤體在刀盤副刀梁處割除，將刀盤分解成3部分，如圖5和圖6所示。

圖5 刀盤切割示意圖

(a)

(b)

1)刀盤直徑為4 180 mm，已成型頂管隧道內(nèi)徑為3 500 mm，需保證刀盤通過成型管道運輸至組裝洞室，并保證后續(xù)洞內(nèi)組裝質(zhì)量，分解塊數(shù)不宜過多。

2)刀盤中心是刀盤穩(wěn)定轉(zhuǎn)動的固定點，分解成2塊或者4塊均會通過刀盤中心，后續(xù)拼裝質(zhì)量不能得到有效保證。

3)現(xiàn)有DN3 200刀盤在距離刀盤中心1.27 m位置處環(huán)向設(shè)有副刀梁，考慮刀盤中部整體性，從副刀梁位置拆解刀盤。

2.1.4 組裝洞室施工

為保證洞內(nèi)組裝時刀盤能夠自由翻轉(zhuǎn)與預留足夠的操作空間，綜合考慮地質(zhì)條件，頂管機的形式、安裝方式和采用的吊裝設(shè)備，刀盤直徑，組件尺寸等因素，并充分考慮擴挖洞室的功能特性、施工方法、襯砌結(jié)構(gòu)形式、洞內(nèi)組裝、頂管機主機大件的擺放、部件轉(zhuǎn)運所需的卸車區(qū)域等，最終確定組裝洞室的斷面尺寸為： 寬5.8 m、高5.3 m、長4.7 m，漸變段的尺寸為1.5 m。

根據(jù)地質(zhì)資料與實際開挖情況，將組裝洞室設(shè)置于SZ1K0+158.2～+164.4段，采用礦山法施工組裝洞室，支護參數(shù)為： 超前雙層小導管間距為350 mm，格柵拱架間距為50 cm，錨網(wǎng)噴支護。擴挖洞室施工流程如圖7所示。

圖7 擴挖洞室施工流程圖

2.1.5 頂管機組件洞內(nèi)運輸

刀盤洞內(nèi)運輸如圖8所示。分割后的刀盤通過現(xiàn)場的軌道及平板小車多次運輸至擴挖洞室，而新加工刀盤拼裝點位較多，為了保證在洞內(nèi)上坡及變坡運輸過程中刀盤的完整性和運輸?shù)陌踩?，采取以下措施?采用緩沖材料包裹刀盤、嚴格控制車速減少震動、停車后隨時安設(shè)阻車器。利用施工現(xiàn)場隧道內(nèi)的軌道及平板小車，把頂管機的其他各部件運輸至洞內(nèi)。

2.1.6 洞內(nèi)刀盤拼裝

因頂管機各部件多為大體積、大自重構(gòu)件，需要在隧道內(nèi)安裝一套用于頂管機洞內(nèi)組裝拆解的起重裝置。洞內(nèi)吊裝裝置為配合頂管機洞內(nèi)組裝的起重吊裝裝置，如圖9所示，包括支撐支架、端頭固定支架、吊裝橫梁、起重吊點(配合手拉葫蘆)、起吊平臺、支架基礎(chǔ)等構(gòu)件。

圖9 洞內(nèi)吊裝裝置

洞內(nèi)起重吊裝裝置各部分組成如下。

1)支撐支架。雙拼I22工字鋼支架，三角形式，上部夾角50°，設(shè)置混凝土基礎(chǔ)見圖9。

2)固定支架。雙拼I22工字鋼支架，三角形式，上部夾角50°，基座焊接于頂管機外殼上。

3)吊裝橫梁。雙拼I22工字鋼橫梁。

4)起吊平臺。I22工字鋼馬凳形式(寬1.4 m，高1 m)，間距1 m 1組馬凳，整體面鋪1 cm厚鋼板。

5)吊點。2 cm厚鋼板穿孔制作，焊接于吊裝橫梁上，間距1 m。

6)基礎(chǔ)。0.5 m×0.5 m×0.3 m混凝土基礎(chǔ)(包裹支撐支架尾端，增設(shè)鋼筋用以錨固)。

刀盤各部件經(jīng)洞內(nèi)運輸?shù)巾敼軘U挖洞室后，進行刀盤拼裝、焊接和吊裝工作。

為保證刀盤及動力系統(tǒng)的拼裝精度，先在頂管機廠家進行刀盤及動力系統(tǒng)的廠內(nèi)試拼裝，嚴格檢查加工質(zhì)量； 同時進行模擬掘進試驗，檢測各項參數(shù)是否滿足現(xiàn)場施工要求。刀盤在運輸?shù)浇M裝洞室后，需要起吊反轉(zhuǎn)，焊接，再起吊安裝電機，最終完成安裝。刀盤洞內(nèi)拼裝流程如圖10所示。

(a) 洞內(nèi)刀盤吊裝安裝要求

(b) 刀盤洞內(nèi)起吊及轉(zhuǎn)向準備焊接

(c) 刀盤體洞內(nèi)翻轉(zhuǎn)安裝電機及臨時吊放準備安裝

(d) 刀盤拼裝成型圖

2.1.7 原有洞內(nèi)敞開式頂管機改造

原敞開式頂管機錐體(空腔)長度、體積不滿足泥水頂管泥水艙要求，需要對原敞開式頂管進行改造，如圖11所示。

(a) 錐體加長及中隔板焊接示意圖

(b) 錐體泥水艙焊接示意圖

1)錐體加長及中隔板焊接。前殼體前方錐體段加長475 mm(外殼30 mm、斜錐25 mm)，增加前端密封中隔板(40 mm厚鋼板)，中隔板上方開600 mm×500 mm人孔，保證封閉艙施工完成后進入前端安裝刀盤與輔助設(shè)備拆除。

2)錐體泥水艙焊接及沖洗管路安裝。在斜錐體內(nèi)前端安裝沖洗管路，錐體破碎泥水艙洞內(nèi)焊接。

2.1.8 頂管機洞內(nèi)組裝

在頂管機各構(gòu)件準備完善之后，洞內(nèi)組裝的關(guān)鍵在于高精度定位與各部件組裝。在中隔板安裝時采用了全站儀定點、激光測距儀、直角尺和水平儀輔助卡位，保證中隔板居中無偏斜； 齒輪箱基座采用全站儀確定基座安裝位置的線路中心點，確保后續(xù)行星減速器中心、刀盤中心、線路中心在同一位置； 待齒輪箱基座固定后，安裝齒輪箱與刀盤； 最后安裝頂管機附屬設(shè)備，包括動力設(shè)備(行星減速機、電機)、電氣設(shè)備(機內(nèi)配電箱、PLC、電纜、各種傳感器)、糾偏設(shè)備(糾偏泵站，糾偏千斤頂，油管)、泥水循環(huán)設(shè)備(泥水旁通，進漿管，排漿管)，完成在洞內(nèi)的組裝。安裝成型的頂管機如圖12所示。

圖12 安裝成型的頂管機

3 質(zhì)量控制措施

3.1 刀盤洞內(nèi)拼裝精度控制

刀盤在工廠分解為3部分的過程中，切割面存在材質(zhì)損耗，重新拼裝保證刀盤圓整度為控制要點。要求刀盤外弧各點至刀盤中心距離與理論刀盤半徑公差控制在5 mm以內(nèi)。

采用預制外弧直徑4 180 mm、寬50 mm、外弧長500 mm的鋼板卡具對刀盤拼裝精度進行卡控?；⌒慰ň咄庋鼐o貼拼裝后刀盤外弧，配合游標卡尺精確測量卡具與刀盤外弧差距，通過焊縫進行糾偏，保證拼裝成型刀盤圓整度符合要求。

3.2 焊接質(zhì)量控制

刀盤為頂管機主要受力部件，焊接質(zhì)量直接影響改造后頂管機的使用，焊縫質(zhì)量應嚴格按照焊縫探傷標準執(zhí)行。焊縫探傷標準如下：

1)Ⅰ、Ⅱ級焊縫必須經(jīng)探傷檢驗，并符合驗收規(guī)范的規(guī)定。

2)Ⅰ、Ⅱ級焊縫不得有裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑等缺陷。Ⅱ級焊縫不得有表面氣孔、夾渣、弧坑、裂紋、電弧擦傷等缺陷，且Ⅰ級焊縫不得有咬邊、未焊滿等缺陷。

3)焊縫外形均勻，焊道與焊道、焊道與基本金屬之間過渡平滑，焊渣和飛濺物清除干凈。

4)Ⅰ、Ⅱ級焊縫不允許出現(xiàn)表面氣孔。

3.3 行星減速器基座定位

采用全站儀確定基座安裝位置的線路中心點。全站儀在中隔板上放樣出上下左右4個里程相同、偏距相同的點裝上激光測距儀； 根據(jù)激光測距儀從四周測量數(shù)據(jù)微調(diào)行星減速器基座位置然后固定； 最后再使用全站儀反復復核及調(diào)整位置，確保后續(xù)行星減速器中心、刀盤中心、線路中心在同一位置。

4 實施效果

該工程項目先通過頂管機改造適應現(xiàn)有的施工條件，然后采用暗挖法施工組裝洞室，并在洞內(nèi)完成刀盤的拼裝及頂管機的洞內(nèi)改造升級，順利完成該段頂管施工任務，施工期間最高日進尺10 m，區(qū)間最大沉降量18 mm。

5 結(jié)論與建議

本文依托深圳電網(wǎng)北環(huán)110 kV架空線改造入地電纜隧道工程，提出一種敞開式頂管機改造及洞內(nèi)組裝升級泥水平衡頂管機施工技術(shù)，主要結(jié)論如下：

1)在頂管施工過程中，面臨頂管機型失敗、工期壓力、突發(fā)地質(zhì)問題等惡劣條件，本項研究完成了頂管機洞內(nèi)組裝、改造升級與接續(xù)頂進的挑戰(zhàn)，為頂管的施工提供了新的設(shè)計思路。

2)在頂管機改造技術(shù)中，需要對改造后頂管機的動力系統(tǒng)進行科學分析，保證動力的可行性； 從刀盤直徑、組件尺寸、襯砌方式、洞內(nèi)空間等因素綜合考慮，選擇合理的設(shè)計刀盤分隔方案； 從地質(zhì)條件、組件尺寸等因素考慮，合理安排組裝洞室的開挖施工； 最后嚴格按照設(shè)計預案完成頂管機組件的洞內(nèi)運輸、吊裝與總成安裝的環(huán)節(jié)。

3)本研究通過DN3 200頂管機動力系統(tǒng)改造、DN3 200頂管機刀盤擴徑至DN3 500技術(shù)、DN3 500刀盤分割技術(shù)、組裝洞室、頂管機洞內(nèi)運輸、洞內(nèi)刀盤拼裝、原有洞內(nèi)敞開式頂管機改造、頂管機組裝、頂管機接續(xù)頂進等措施，形成了一整套完整的工藝流程，完成了在施工邊界條件限制下和有限空間內(nèi)對設(shè)備改造升級和安裝調(diào)試，并成功完成了接續(xù)頂進，保證了項目的順利如期完工。

4)對于未來城市中心區(qū)，頂管施工的周邊環(huán)境及地質(zhì)情況會越來越復雜，設(shè)備不適應或發(fā)生故障的可能性不斷增大，對閑置或老化的頂管設(shè)備進行改造和升級，不僅可以提高頂管機的壽命，并能縮短工期，減小工程造價，具有重要的經(jīng)濟意義。