泥水平衡頂管機推力扭矩計算及鋼頂管失穩(wěn)分析

潘振學(xué)　艾慧　葉賀　何源福　吳亞華

摘要：在福建省平潭及閩江口水資源配置工程的隧道掘進(jìn)中，為了研究泥水平衡頂管機設(shè)計的合理性以及施工過程中鋼頂管的穩(wěn)定性，結(jié)合泥水平衡頂管機的特點以及施工地層條件，提出了考慮滾刀和刮刀實際貫入阻力的刀具載荷計算修正模型。對現(xiàn)有泥水平衡頂管機掘進(jìn)的推力計算模型進(jìn)行了分析，引入刀具破巖阻力和切削力矩，修正了頂管機的推進(jìn)力計算模型和扭矩計算模型。對僅軸向推力作用下，僅土體圍壓作用下和推力、圍壓共同作用下的鋼頂管穩(wěn)定性進(jìn)行分析，推導(dǎo)出了其失穩(wěn)臨界值，驗證了頂管機在類似工程地層下施工的可靠性。

關(guān)鍵詞：泥水平衡頂管機; 刀具載荷; 頂管推力; 刀盤扭矩; 鋼頂管失穩(wěn)

中圖法分類號： TU43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.021

0引 言

泥水平衡頂管施工是一種不開挖或者少開挖的管道埋設(shè)施工技術(shù)，具有施工工藝安全、施工速度快、地層適應(yīng)性好、對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點，目前已在中國得到迅速發(fā)展[1-2]。泥水平衡頂管機在復(fù)合地層下掘進(jìn)過程中，會受到各種來自土體的載荷作用，容易出現(xiàn)偏心負(fù)載的情況，從而導(dǎo)致管道在掘進(jìn)過程中因結(jié)構(gòu)強度不足而發(fā)生損壞。例如福建省平潭及閩江口水資源配置工程的超長距離曲線頂管，頂管機需承受刀盤刀具切削土體產(chǎn)生的載荷扭矩以及管道和土體之間摩擦剪切產(chǎn)生的阻力，這對泥水平衡頂管機的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求。推力和扭矩的計算是頂管機設(shè)計和施工的依據(jù)，決定著最大頂推長度，直接關(guān)系到工程造價，具有重要的工程意義。

目前針對頂管機的推力與扭矩，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。王雙等[3]在管道懸浮條件下，采用流體力學(xué)平行平板模型計算管漿摩阻力;雷晗等[4]通過數(shù)值模擬對內(nèi)徑4 m的大直徑鋼筋混凝土頂管管道的受力特性進(jìn)行了分析，研究了施工過程中管土接觸壓力的變化及頂管覆土厚度對管道外土壓力的影響。葉藝超等[5]基于泥漿的觸變性，采用管土“固-液”接觸方式，推導(dǎo)出一種適用于黏性土和砂性土地層的頂管頂推力理論計算公式。張鵬等[6-7]在Persson接觸壓力模型的基礎(chǔ)上，分別考慮了土層管土接觸和巖層管土接觸2種情況下的壓力分布規(guī)律，分別計算出頂管底部的管土接觸摩阻力和頂部的管漿接觸摩阻力，最終推導(dǎo)出頂管頂進(jìn)過程中的總頂推力公式。陳孝湘[8]、周舒威[9]等依托實際工程，分別從開挖面主動土壓力、頂程、頂進(jìn)曲率及管土摩阻力系數(shù)等多個方面對頂管頂推力進(jìn)行估算及驗證。然而，這些計算模型在對刀盤載荷與扭矩進(jìn)行計算時，均忽略了刀盤刀具受載對其影響。而福建省平潭及閩江口水資源配置

工程穿越的地層跨度較大，從弱風(fēng)化凝灰熔巖到淤泥地層，刀具受載對頂管機推力和扭矩的影響較大，不能忽略，所以需對原有模型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

本文針對隧道工程的地質(zhì)情況以及泥水平衡頂管機刀盤的特點，在前人研究的基礎(chǔ)上，考慮了滾刀和刮刀的實際貫入阻力對刀具切削土體的影響，修正了刀具載荷計算模型;引入刀具破巖阻力和切削力矩，修正了頂管機的推進(jìn)力計算模型和扭矩計算模型。根據(jù)計算模型推導(dǎo)出頂管機實際施工過程中的推力和刀盤扭矩，研究在軸向推力、土體圍壓作用下的鋼頂管失穩(wěn)臨界力，驗證頂管機在該工程地層下的可靠性。

1工程地質(zhì)條件

福建省平潭及閩江口水資源配置工程隧道穿越地層以淤泥層、中砂層、弱-強風(fēng)化凝灰熔巖等地層為主。輸水管道線路總長4.611 km，包括了穿越江底部分約4.012 km，其中，頂管機須從弱-強風(fēng)化巖層穿越至中砂、淤泥層，穿越強度超過100 MPa的硬巖層距離達(dá)到541 m，屬于超長距離曲線硬巖頂管，技術(shù)難度堪稱全國首例。

2頂管機受力性能分析

頂管機的掘進(jìn)過程主要包括了刀盤的回轉(zhuǎn)運動和軸向的頂進(jìn)運動。在掘進(jìn)過程中，頂管機主要受到了來自前方水土壓力帶來的推進(jìn)阻力、管道和周圍土體之間的摩擦阻力、刀盤旋轉(zhuǎn)時與周圍土體產(chǎn)生的摩擦扭矩以及各刀具切削土體產(chǎn)生的阻力。

2.1刀具載荷計算模型

頂管機工程的穿越地層主要為砂層，土體的剪切破壞屬于流水型切削。泥水平衡頂管機的破巖方式與泥水平衡盾構(gòu)機相似，可參考黃志高等[10]所研究的盾構(gòu)刮刀載荷計算模型，在此基礎(chǔ)上根據(jù)實際工程情況進(jìn)行模型修正，如圖1所示。

頂管機刀盤直徑為2 120 mm，刀盤的4個電機總功率為88 kW，可進(jìn)行變頻調(diào)速，轉(zhuǎn)速可達(dá)到1.2～2.0～2.8 r/min，設(shè)計的最大扭矩為440 kN，主頂安裝總頂力1 200 t。刀盤上各刀具的分布位置及數(shù)量如圖4所示。其中，雙刃滾刀6把、單刃滾刀6把，邊緣刮刀8把，正面刮刀10把。

以該工程的某一段頂管施工為例，該段施工地層為粉質(zhì)黏土地層，覆土厚度為12 m。由于刀盤正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時均只有一半的刀具在工作，結(jié)合刀盤刀具計算模型、工程地質(zhì)參數(shù)和刀盤刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以得到各刀具載荷與刀盤扭矩如表2～3所列。

研究鋼頂管在土壓和推力作用下保持穩(wěn)定性的最大臨界力（見表4），分析該頂管機能否滿足工程地質(zhì)的要求。

經(jīng)過分析計算可得，頂管機在該地層下施工的總推力需達(dá)到10 262.3 kN，所需的刀盤總扭矩為302.4 kN·m。而刀盤的最大設(shè)計頂推力為11 760 kN，最大設(shè)計扭矩為440 kN·m，滿足頂管機推進(jìn)的基本要求。在遇到更加復(fù)雜地層時，頂管機的設(shè)計推力可能會小于所需總推力，此時就需要中繼間輔助推進(jìn)。鋼頂管周圍的土壓約為100 kPa，遠(yuǎn)小于774.1 kPa，滿足鋼頂管圍壓的要求;在土壓與推力的共同作用下，為保證鋼頂管的穩(wěn)定性，取安全系數(shù)為0.7，所以頂管機對鋼頂管施加的推力最大可達(dá)到24 307.5 kN，滿足鋼頂管的穩(wěn)定性要求。

根據(jù)現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)，得到頂管機在掘進(jìn)過程中的平均推進(jìn)速度為60 mm/min，轉(zhuǎn)速為1.2～2.0 r/min。工程實際中，該頂管機從弱風(fēng)化巖層穿越至淤泥層，具有良好的適應(yīng)性，使用過程中穩(wěn)定性良好，未出現(xiàn)鋼頂管拱起、刀盤卡死等不良狀況，證明研究的正確性。

5結(jié)論與討論

（1） 本文考慮了施工過程中滾刀和刮刀的實際貫入阻力對刀具切削土體的影響，修正了刀具載荷計算模型;引入刀具破巖阻力和切削力矩，修正了泥水平衡頂管機的推力計算模型和扭矩計算模型。

（2） 對僅軸向推力作用下，僅土體圍壓作用下和推力、圍壓共同作用下的鋼頂管穩(wěn)定性進(jìn)行分析，推導(dǎo)出其失穩(wěn)臨界值。根據(jù)得到的頂管機計算模型，推導(dǎo)出頂管機實際施工過程中的推力和刀盤扭矩，對比鋼頂管的失穩(wěn)臨界力，驗證了頂管機在該工程地層下施工的可靠性。

（3） 泥水平衡頂管機的載荷扭矩修正模型是結(jié)合現(xiàn)有模型和實際工況得到的，具有一定的擬合精度，但并未達(dá)到完全精準(zhǔn)預(yù)測，仍有改進(jìn)和提高的空間。可在計算刀具載荷時，根據(jù)實際情況，進(jìn)一步細(xì)化刀具結(jié)構(gòu)，考慮不同位置刀具對應(yīng)的傾角、刀高差等，使結(jié)果更加準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅景生.泥水平衡頂管頂力突增過程實測及其應(yīng)對措施分析[J].給水排水，2018，54（9）：117-120.

[2]張琪.頂管技術(shù)在管道建設(shè)中的應(yīng)用[J].地質(zhì)科技情報，2016，35（2）：33-36.

[3]王雙，夏才初，葛金科.考慮泥漿套不同形態(tài)的頂管管壁摩阻力計算公式[J].巖土力學(xué)，2014，35（1）：159-166，174.

[4]雷晗，陳錦劍，王建華，等.大直徑砼頂管的管道受力特性分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2011，45（10）：1493-1497.

[5]葉藝超，彭立敏，楊偉超，等.考慮泥漿觸變性的頂管頂力計算方法[J].巖土工程學(xué)報，2015，37（9）：1653-1659.

[6]張鵬，馬保松，曾聰，等.基于管土接觸特性的頂進(jìn)力計算模型分析[J].巖土工程學(xué)報，2017，39（2）：244-249.

[7]張鵬，談力昕，馬保松.考慮泥漿觸變性和管土接觸特性的頂管摩阻力公式[J].巖土工程學(xué)報，2017，39（11）：2043-2049.

[8]陳孝湘，張培勇，丁士君，等.大口徑三維曲線頂管頂力估算及實測分析[J].巖土力學(xué)，2015，36（增1）：547-552.

[9]周舒威，夏才初，葛金科，等.黏土中超大直徑頂管開挖面主動極限支護(hù)壓力計算方法[J].巖土工程學(xué)報，2013，35（11）：2060-2067.

[10]黃志高，陳鵬，何源福，等.φ12m級泥水盾構(gòu)刀盤的載荷轉(zhuǎn)矩計算及力學(xué)性能分析[J].隧道建設(shè)（中英文），2019，39（6）：1021-1029.

[11]楊志勇，程學(xué)武，江玉生.泥水平衡盾構(gòu)刀盤扭矩計算及其影響因素分析[J].鐵道工程學(xué)報，2016，33（5）：59-63，77.

[12]尤明慶.端部切向載荷作用下的壓桿失穩(wěn)分析及其應(yīng)用[J].力學(xué)季刊，2019，40（1）：160-166.

[13]鄭聰，馬保松.基于ABAQUS的頂管施工中鋼管穩(wěn)定性分析[J].給水排水，2016，52（4）：99-103.

（編輯：胡旭東）

Abstract：In tunneling project of the water resources allocation project in Pingtan City and Minjiang River estuary，F(xiàn)ujian 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