福建省平潭及閩江口水資源配置工程頂管機(jī)選型設(shè)計(jì)

黃智剛，阮仁酉，潘振學(xué)

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

頂管技術(shù)作為一種非開(kāi)挖的管道施工技術(shù)，在施工過(guò)程中對(duì)城市建筑物以及交通影響小，在穩(wěn)定土層的同時(shí)也減少了對(duì)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(jī)結(jié)構(gòu)形式較為多樣，在工程展開(kāi)之前，應(yīng)依據(jù)不同施工環(huán)境與地質(zhì)條件的特點(diǎn)，針對(duì)實(shí)際情況選擇適合的頂管掘進(jìn)機(jī)。 本文結(jié)合福建省平潭及閩江口水資源配置工程實(shí)踐，對(duì)適用于復(fù)雜土質(zhì)條件與長(zhǎng)距離施工的頂管掘進(jìn)機(jī)選型及設(shè)計(jì)進(jìn)行探討與分析。

一、工程概況

1.工程簡(jiǎn)介

福建省平潭及閩江口水資源配置工程由“一閘三線(xiàn)”組成，其中，大樟溪福州、長(zhǎng)樂(lè)輸水工程城門(mén)支線(xiàn)作為“三線(xiàn)”中的重要部分，如圖1 所示， 該頂管路線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)頂管， 采用DN 2000 鋼管。本文將針對(duì)工作井5 至接收井4 工程段的頂管機(jī)設(shè)計(jì)及頂管技術(shù)進(jìn)行研究，頂進(jìn)長(zhǎng)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(lèi)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(bào)告，城門(mén)輸水支線(xiàn)頂管段擬建場(chǎng)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(qiáng)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(xì)砂層、殘積土層上，土層主要有淤泥、弱～強(qiáng)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(qiáng)風(fēng)化熔巖中頂管施工難度較大。

3.工程難點(diǎn)

該頂管施工難點(diǎn)在于：一是施工距離長(zhǎng)，頂管線(xiàn)路全長(zhǎng)1 145 m；二是軸線(xiàn)多變， 頂管段分為3 個(gè)直線(xiàn)段與2 個(gè)曲線(xiàn)段；三是穿越淤泥、中砂、強(qiáng)～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(duì)設(shè)備密封性能要求非常高。

復(fù)雜的土質(zhì)條件與超長(zhǎng)的施工距離對(duì)于頂管機(jī)的適應(yīng)性選型提出了極大的考驗(yàn)，同時(shí)針對(duì)工程特點(diǎn)所需配備的關(guān)鍵技術(shù)也為頂管機(jī)的設(shè)計(jì)提高了難度。

二、頂管機(jī)選型設(shè)計(jì)

1.頂管機(jī)設(shè)計(jì)要求

該頂管機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)性。 針對(duì)工程實(shí)際情況，頂管機(jī)功能需滿(mǎn)足：

①頂進(jìn)方向的監(jiān)測(cè)與糾偏。 工程中頂進(jìn)路徑存在較多曲線(xiàn)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(jìn)方向的精確控制，該頂管機(jī)需能?chē)?yán)密監(jiān)測(cè)頂進(jìn)姿態(tài)，并能完成糾偏。

②刀盤(pán)與刀具的特殊性。 針對(duì)特殊的土層條件，頂管機(jī)刀盤(pán)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(zhǎng)距離施工中刀具的磨損情況，內(nèi)部刀具更換功能也需進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。

③障礙物的處理。 頂管機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)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(jì)過(guò)程中， 頂管機(jī)對(duì)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(zhǎng)度為1 145 m，長(zhǎng)距離施工中頂力的控制極為重要， 針對(duì)工程段的復(fù)合地層，需對(duì)頂力進(jìn)行合理分配以達(dá)到理想的掘進(jìn)效果。

⑤安全性與經(jīng)濟(jì)性。 滿(mǎn)足頂管機(jī)所需配備性能的同時(shí)，對(duì)于頂管施工過(guò)程中的安全性也需進(jìn)行考慮，頂管機(jī)零部件選用要符合國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)濟(jì)方面也力求其性?xún)r(jià)比在合理的范圍之內(nèi)。

2.頂管機(jī)類(lèi)型的確定

在頂管機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先需對(duì)頂管機(jī)類(lèi)型進(jìn)行確定，針對(duì)土質(zhì)條件選用合適的頂管機(jī)機(jī)型，對(duì)于頂管施工起著關(guān)鍵作用，也為后續(xù)設(shè)計(jì)進(jìn)行鋪墊。 該工程將頂管機(jī)類(lèi)型選定為適應(yīng)大多數(shù)不同地質(zhì)、 破碎能力強(qiáng)、施工精度高、防水性好的泥水平衡式頂管機(jī)。

圖1 城門(mén)水廠(chǎng)輸水管道頂管線(xiàn)路

表1 頂管機(jī)參數(shù)

3.頂管機(jī)機(jī)頭刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

頂管機(jī)的刀盤(pán)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(pán)在施工過(guò)程中扭矩較大，更有利于保持刀盤(pán)開(kāi)挖面的穩(wěn)定，另外在該頂管機(jī)的頂進(jìn)過(guò)程中，需要滿(mǎn)足在硬巖地層中對(duì)障礙物的破碎以及長(zhǎng)距離過(guò)程中刀具的更換，而這兩點(diǎn)也是輻條式刀盤(pán)所缺乏的性能，因此該設(shè)計(jì)中選用面板式刀盤(pán)以滿(mǎn)足在復(fù)合地層條件下的掘進(jìn)。

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

4.頂管機(jī)刀具配置及布置

考慮到該工程的長(zhǎng)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(jì)換刀倉(cāng)以完成刀具的更換。

刀盤(pán)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(pán)正面。

三、頂管機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

1.頂推力控制

為了確保在長(zhǎng)距離曲線(xiàn)頂進(jìn)施工過(guò)程中控制頂推力，該工程采用中繼間進(jìn)行接力頂進(jìn)，每段頂進(jìn)過(guò)程中所需頂力由中繼間提供，城門(mén)輸水線(xiàn)路共設(shè)有15 套中繼間， 第一套布置于機(jī)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(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的重要參數(shù)，在頂管機(jī)設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)頂管機(jī)的頂推力進(jìn)行預(yù)計(jì)算，根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50268—2008） 中相應(yīng)的公式計(jì)算，得到每套中繼間所需滿(mǎn)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(dá)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(hào)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(jī)穿越強(qiáng)弱風(fēng)化巖層時(shí)，江底存在的礫石、古樹(shù)等大塊障礙物會(huì)影響掘進(jìn)，刀盤(pán)結(jié)構(gòu)上雖然采取了滾刀裝置以完成對(duì)硬巖的切割，但僅靠切削刀具極難將大塊巖石破碎至能進(jìn)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(jìn)過(guò)程中，首先由刀盤(pán)上的切削工具完成對(duì)障礙物的初次破碎，使得巖石達(dá)到二次破碎能夠接受的程度后，碎石進(jìn)入二次破碎倉(cāng)內(nèi)完成進(jìn)一步的破碎，得到的碎渣再通過(guò)進(jìn)泥孔進(jìn)入泥水倉(cāng)后由輸送管道排出。

3.測(cè)量與糾偏技術(shù)

頂管機(jī)刀盤(pán)切削土體的扭矩主要是由頂管機(jī)殼體與土層之間的摩擦力矩來(lái)平衡， 當(dāng)摩擦力矩?zé)o法平衡刀盤(pán)切削土體產(chǎn)生的扭矩時(shí)，頂管機(jī)將產(chǎn)生滾動(dòng)偏差。 另外由于頂管機(jī)表面與地層間的摩擦阻力不均勻以及開(kāi)挖面上土壓力的差異，也會(huì)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(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)偏差時(shí)， 需要立即作出糾偏調(diào)整。

該頂管機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)由兩大部分組成，其一是安裝在前殼體上的測(cè)量靶，其二是安裝在前殼體內(nèi)的傾斜儀。 在監(jiān)測(cè)頂管機(jī)姿態(tài)時(shí)，從一固定基準(zhǔn)點(diǎn)向測(cè)量靶發(fā)射激光束以判斷頂管及掘進(jìn)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(duì)該工程的要求，在施工過(guò)程中需實(shí)時(shí)監(jiān)控，不間斷地分析頂進(jìn)軌跡， 并預(yù)判軌跡趨勢(shì)。 糾偏過(guò)程主要依靠糾偏油缸所提供的頂力完成。

四、頂管機(jī)應(yīng)用驗(yàn)證

1.頂管機(jī)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)

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

2.頂管機(jī)性能特點(diǎn)

該頂管機(jī)配備有硬巖掘進(jìn)復(fù)合刀盤(pán)， 采用低速大扭矩傳動(dòng)方式，刀盤(pán)切削力強(qiáng)， 能夠掘進(jìn)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(lái)更換刀具及處理開(kāi)挖面異常狀況， 維修保養(yǎng)方便。 頂管機(jī)各部位防水密封滿(mǎn)足施工需要設(shè)計(jì)壓力不應(yīng)小于使用壓力的1.5 倍， 同時(shí)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(dá)3°。

獨(dú)立的管道頂進(jìn)自動(dòng)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(jìn)速度的同時(shí)也提高了安全性能。 在進(jìn)行施工掘進(jìn)時(shí)其噪音及震動(dòng)都很小，同時(shí)也降低了對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)。 為了提高對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中的姿態(tài)監(jiān)控， 配備有激光測(cè)量?jī)x、激光指向儀、超長(zhǎng)距離頂進(jìn)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

該頂管機(jī)機(jī)型結(jié)構(gòu)緊湊，使用維修保養(yǎng)簡(jiǎn)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(guān)、方便。 希望該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)分析能為今后類(lèi)似工程提供一定的借鑒。 ■