中铁隧道集团四处有限公司 广西南宁 530003
0 引言
近年来随着我国地下管廊的快速发展，顶管法的应用范围逐步加宽，顶管法施工和应用得到快速发展，但目前国内顶管施工企业多数依据施工经验进行顶管机的选型和施工，缺少系统科学性的适应性选型分析。国内顶管机生产厂家多数仿照日系、德系顶管机的相关工作原理进行加工制造，而对不同类型顶管机在不同水文地质条件下的针对性设计研究较少，致使顶管失败频发。本文通过针对广州南沙口岸站-凫洲段110/220KV电力管廊工程顶管机的选型适应性分析及针对性设计进行研究分析，为后续类似项目提供参考。
1顶管机的分类
1.1气压平衡顶管机
气压平衡顶管机施工就是使挖掘面与保持一定压力的压缩空气相接触，起到疏干挖掘面的地下水，保持挖掘面的稳定。分为全气压和局部气压。全气压顶管机劳动条件差、效率低，气压冒顶对工程和人员构成危险，国内较少采用。
1.2泥水平衡顶管机
泥水平衡顶管机施工是继气压平衡顶管机滞后所开发的一种目前运用非常成熟的顶管施工工艺，具有精度高、速度快、地面沉降小的优点，可使用于多种地质，是国内目前运用最广泛的一种机型。
1.3 土压平衡顶管机
土压平衡顶管机是继泥水平衡顶管机滞后发展起来的一种新的顶管施工工艺，通过刀盘后部搅拌棒对土仓土体进行搅拌，同时可通过加泥或分散剂对土体进行改良，利用土仓内的压力和螺旋输送机排土来平衡地下水压力和土压力，排除的渣土不需要再进行泥水分离二次处理，但在较小直径顶管施工过程中，渣土运输困难，国内通常在超大大直径顶管施工中采用。
2 项目概况及主要地质情况介绍
2.1项目概况
口岸站-凫洲站110/220KV电力管廊工程位于广州市南沙区南沙街南部及龙穴岛西北侧。口岸段以规划的220KV口岸站为起点，沿已建的环市大道南、凫洲大道往南，至凫洲大桥北端，约1.284km。凫洲段以凫洲大桥南端为起点，沿已建的龙穴大道往南，至规划的220KV凫洲站，长5.582km。两段电力管廊总长约6.866km，其中内径3m、外径3.6m顶管区间14个，总长6477.8m（见图1-1）。
图1-1 项目总平面布置示意图
凫洲段电力管廊位于已建龙穴大道和在建南沙港铁路桥之间区域（见图1-1所示），其中，凫洲段5#-12#井共7个区间，长约3568m位于龙穴大道坡脚线以内，龙穴大道软基处理设置了袋装砂井和C型塑料排水板，管道全断面位于塑料排水板加固区内。塑料排水板按1.6m间距梅花形布置，在φ3.6m刀盘切削范围内每顶进1m切割塑料排水板约8.4m（0.84㎡），该段设计纵坡0.5%～0.809%,覆土厚度6.09m～9.55m，一次顶进最长距离603.32m。6#-11#井区间1808.8m为曲线，最小曲线半径800m，其中，6#-7#井、7#-8#井区间处于“S”型曲线上。
2.2主要地质水文情况
口岸段穿越土层主要为淤泥2-1、淤泥质土2-2、强风化花岗片麻岩4-2、中风化花岗片麻岩4-3等地层；其中口岸段1#-2#井约360m位于强、中风化混合花岗岩地层（单轴抗压强度14-28MPa），其余地段段主要穿越淤泥2-1和淤泥质土2-2等地层（见图1-2）。
图1-3 凫洲段地质纵断面图
3顶管机的选型
3.1本工程对顶管机的要求
针对以上工程地质条件及施工难点顶管机应具备以下功能特点：
3.1.1基本功能要求：顶管机具有动力系统、刀盘、泥土出渣系统、破硬岩滚刀、切屑塑料排水板切刀、注浆系统、测量导向系统、控制系统等基本要求。
3.1.2口岸段顶管机要求：具有复合地层及软硬不同地层掘进的特性:具有掘进、破碎硬岩的能力，具有掘进淤泥、淤泥质土地质的能力，同时保证掘进效率
3.1.3凫洲段顶管机要求：具备高效的破除单轴水泥搅拌桩能力及较强的切割、破碎袋装沙井和塑料排水板的能力，通过河涌及道路需要较好的实现压力平衡控制沉降及透水。
3.1.4 能够精确的控制顶进方向，以保证顶进线路方向的准确性，采用先进的仪器和测量导向系统实施检测控制顶管机的姿态。
3.1.5顶进速度满足工期计划工期要求，根据工期计划安排，顶管日进度计划工期要求，硬岩段掘进速度为7.5m/天，软土段顶进速度为12.5m/天。
3.1.6 为减少设备固定费用的投入，根据工期计划安排，口岸段顶进施工完毕后，口岸段顶管机需转运至凫洲段进行施工，也要求口岸顶管机具有掘进破除单轴水泥搅拌桩的能力及切割破碎袋装沙井和塑料排水板的能力。
3.2顶管机不同地质条件下的选型
顶管机的选型需要结合顶进的地质情况综合进行考虑，口岸段中风化花岗片麻岩平均抗压强度为20Mpa，强度较高，普通刮刀、切刀难以岩层进行有效切削，需设置滚刀进行挤压破碎，为兼顾淤泥和淤泥质土地质的顶进效率，因此需要选择同时具备软硬地质掘进能力的复合式刀盘顶管机。凫洲段主要为淤泥和淤泥质土为主，顶管机需具备破除0.8Mpa的水泥搅拌桩的能力，因此可选择适应软土掘进的软土刀盘顶管机。
3.3顶管机型式的确定
不同类型的顶管机适用的地质情况不同，其型式必须针对不同地质特点和功能要求进行针对性的设计，才能具有较好的适应性，顶管机型式确定是否正确，是决定顶管成败的关键因素。本项目顶管管节内径为3m，管节内部空间较为狭小，布置有轨运输运输渣土难度大，凫洲段穿越5条河涌和部分鱼塘，透水风险大。结合前述的顶管机优缺点及本项目的具体特点，综合比较经济性、适用性、安全性、可靠性及顶进效率等因素，本项目选择泥水平衡顶管机。
根据工期计划安排，本项目配置两台顶管机能够满足要求，首先用于口岸段施工的顶管机简称1#顶管机，用于凫洲段施工的顶管机简称2#顶管机。
4顶管机的针对性设计
4.1刀盘针对性设计及刀具布置
刀盘位于顶管机的最前端，置于顶管机前端壳体外，刀盘在顶进中进圆周运动，对前方土体进行切削，刀具根据切削面积进行布置，运行轨迹满足全断面切削要求并充分考虑切削效率。
1#、2#顶管机刀盘针对性设计分别见图4-1、图4-2。
4.1.1 1#顶管机刀具配置和针对性设计
（1）设置双刃14寸滚刀12把、弧形边刮刀6把、正刮刀34把、中心滚刀14寸 4把、单刃滚刀14寸4把，达到全断面无死角切削。
(2)滚刀采用后装连接，口岸段花岗片麻岩顶进完成后可更换为先行刀，先行刀高出正刮刀4cm，以使对塑料排水板有效进行切割。
(3)滚刀安装后开口率为27%，滚刀换成刮刀后开口率为36%，满足顶进效率要求。
（4）为防止顶进过程中刀盘泥饼粘结，在刀盘靠近中部设置4处高压喷嘴。
图4-1 1#顶管机刀盘针对性设计
4.1.2 2#顶管机刀具配置和针对性设计
针对地质情况，考虑塑料排水板及袋装沙井对刀盘切削的影响，设置先行刀具，降低风险，具体刀具设置如下：
（1）根据刀具的运行轨迹模拟后，设置正刮刀112把，先行刀48把，贝壳刀8把，使刀具达到全断面无死角切削。
（2）刀盘开口率 35%，满足顶进效率要求。
（3）切刀刀高高出正刮刀4cm，以使先对塑料排水板有效进行切割。
（4）为防止顶进过程中刀盘泥饼粘结，在刀盘靠近中部设置4处高压喷嘴。
图4-2 2#顶管机刀盘针对性设计
4.2刀盘驱动针对性设计
顶管机的驱动系统具有功率大、功率变化范围宽的特点，承担着驱动刀盘旋转切削开挖面土体、搅拌和二次破碎密封舱土体的任务，目前运用成熟的驱动方式有两种：一是液压驱动，二是变频电机驱动。两种驱动方式均具有良好的调速性能，液压驱动具有良好的抗冲击能力和过载保护性能，变频电机驱动具有较高的传动效率和较低的能源消耗，由于本顶管区间断面空间较小，液压驱动需设置专用的冷却系统，且施工过程中会造成管道内环境温度高，经综合对比分析，本项目顶管机采用变频电机驱动方式。同时考虑本项目的地质条件较为复杂，不可预见性较多，为降低顶管机受困的风险，1#顶管机选择8*37kw电机驱动，2#顶管机选择6*37kw电机驱动。
4.3破碎塑料排水板及袋装沙井针对性设计
本项目顶管机穿越塑料排水板及袋装沙井的距离长 ，塑料排水板及袋装沙井切削后容易缠绕顶管机刀盘，造成泥水输送管路、排泥泵堵塞，一旦造成顶管机停机、终止掘进，容易引起顶管机上方的土层不均匀沉降，对原有市政道路造成威胁，为针对性解决这一难题，结合顶管机的二次破碎结构进行针对性设计。
4.3.1 1#顶管机破碎岩石、塑料排水板及袋装沙井针对性设计
口岸站施工期间，需保证岩石的二次破碎效率，以使破碎的岩石能够顺利通过泥水管道排出，设计利用扭腿和前筒锥形板构成交替变化的剪切空间来进行岩石的二次破碎，扭腿与锥形板破碎条之间间隙设计为30mm，该间隙只能对仓内岩石进行二次破碎，凫洲段施工期间难以对塑料排水板进行破碎，为使设备具有良好的通用性，待口岸段段施工完毕后，考虑将牛腿上的破碎条割除更换，缩小破碎剪切间隙，使牛腿破碎条和锥筒破碎条间隙控制在10mm以下，使塑料排水板和袋装沙井在渣土、砂砾的作用下能够得到破碎（见图4-3）。
图4-4 2#顶管机破碎塑料排水板及袋装沙井针对性设计
4.4塑料排水板及袋装沙井引起滞排针对性设计
在泥仓上部增设一道φ200mm的反冲管路，末端设反冲系统过滤箱，直径1.0m，长度1.5m的圆筒，平放，采用左中进右下出方式，过滤箱离出口端1/3处设置竖直格栅，格栅孔直径50mm，若顶管机泥仓排浆孔被塑料排水板等杂物堵塞后，通过改变地面泥浆循环系统阀门调整反循环，反冲排浆孔，下部进浆，上部排浆，塑料排水板密度小，浮出泥浆表面从反冲管路排出到过滤箱中，集聚于过滤箱格栅中，通过人工清理过滤箱达到清除塑料排水板效果（见图4-5、4-6）。
图4-6 反冲泥进、排浆循环示意图
4.5人仓针对性设计
考虑到穿越塑料排水区域顶管施工过程的不可预知性，特增设人孔（椭圆形0.7m×0.5m）和气压仓，预留保压条件，确需进仓清理时，为带压进仓创造条件（见图4-7）。
图4-7 人仓针对性设计示意图
5、结语
口岸站-凫洲站110/220KV电力管廊工程穿越塑料排水板区域距离较长，穿越地层为流塑状淤泥、淤泥质土及硬岩和软硬复合地层，地质条件差，国内相关施工案例极少，做好顶管机的选型及针对性设计是项目顺利顶进的保证，目前项目顶管顶进顺利，充分说明了长距离大直径复杂地质条件下做好顶管机的选型和针对性设计具有较强的现实意义。
论文作者:焦旭盟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/14
标签：顶管论文; 针对性论文; 塑料论文; 口岸论文; 淤泥论文; 地质论文; 排水板论文; 《建筑学研究前沿》2018年第31期论文;