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长距离穿越河道矩形顶管机选型及适应性评估

2025-04-13 92 上传者：管理员

摘要：地下管廊采用矩形顶管机长距离穿越河道前，对顶管机进行选型和适应性评估，对顶管机采取对应措施，工后，河道变形值在允许范围内，说明选型及适应性评估非常必要。

关键词：
地下穿河道
地下综合管廊
矩形顶管机
适应性评估
长距离
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随着城市地下综合管廊的建设发展,地下综合管廊在建设中会不可避免地下穿河道[1]｡由于地下工程施工的不确定性和河道的运行安全要求,新建管廊下穿河道存在较大安全风险｡地下管廊施工采用矩形顶管机,施工前通过深入研究工程地质､水文地质､周边环境等,得出满足工程需求的顶管机所需要具备的功能和参数;同时开展对顶管机选型的深入研究,使各参建方和具体施工操作者能够深刻认知顶管设备所具备的性能和薄弱点,面对复杂的地质情况和地面环境,能充分发挥设备的功能和技术要求以实现顶管施工安全､快速､高效的施工目的;充分应用先进的科学技术和施工设备,做到机械化作业､标准化作业､流水作业,坚持技术先进性､科学合理性､经济适用性､安全可靠性相结合原则｡针对顶管机自身所持有的局限性在施工前进行加强和施工中特别关注,从施工前､施工过程中最大可能地规避所面临的施工风险｡

以北京地下综合管廊采用矩形顶管下穿某河道为例,根据工程概况对矩形顶管机进行选型和适应性评估方法进行分析研究,说明施工前进行此项工作的必要性[2]｡

1、工程概况及地质水文

1.1工程概况

北京地下综合管廊穿越某河道范围采用矩形顶管法施工,顶管过河段施工长度197.7m,管廊顶埋深13~14.1m,平面曲线为直线,竖曲线0.56‰上坡;顶管始发井位于河道南岸,以始发井为起点,向北顶进穿越河道,河底标高22.3m｡

顶管机开挖断面尺寸6.94m×4.94m,顶管通道采用箱型预制混凝土管节,结构外尺寸6900mm×4900mm×1500mm,壁厚500mm｡衬砌环采用C50防水混凝土,抗渗等级P8｡

1.2工程地质

顶管机穿越河道范围内土层自上而下划分为人工堆积层及第四纪沉积层两大类,具体各土层岩性及分布特征概述如下:

①人工堆积层｡

根据工程涉及的钻孔资料,拟建管廊主体沿线表层一般为厚约2.50~5.40m的人工填土层,岩性主要为房渣土①层及黏质粉土素填土､砂质粉土素填土①1层｡人工填土厚度变化大,土质不均,工程性质差,稳定性差｡受管道渗漏等形成上层滞水或浅层地下水的影响,该层土极易坍塌｡

②第四纪沉积层｡

在人工堆积层以下为第四纪沉积层,其岩性主要以黏性土､粉土与砂土互层为主｡具体包括:

黏质粉土､砂质粉土②层,粉质黏土､重粉质黏土②1层及细砂､粉砂②3层;

粉质黏土､重粉质黏土③层及砂质粉土､黏质粉土③1层;

细砂､中砂④层,重粉质黏土､粉质黏土④1层及砂质粉土④2层;

黏质粉土､砂质粉土⑤层及粉质黏土､重粉质黏土⑤1层;

细砂､中砂⑥层,黏质粉土､砂质粉土⑥2层及粉质黏土､重粉质黏土⑥3层;

砂质粉土⑦层,粉质黏土､重粉质黏土⑦1层及有机质黏土⑦2层;

细砂､中砂⑧层及黏质粉土､砂质粉土⑧2层;

细砂､中砂⑨层;

有机质黏土⑩层,粉质黏土､重粉质黏土⑩1层,细砂､中砂⑩2层及黏质粉土⑩3层｡

1.3水文概况

顶管机穿越河道范围内土层自上而下主要分布有三层地下水,主要为台地潜水､层间水､层间水~承压水,设计管廊内底标高为8.93m,承压水水位标高为2.50~3.83m,顶管底无突涌风险｡

2、顶管机的选型

顶管穿越地质为细砂､主中砂④层,粉质粘土④1层,黏质粉土､砂质粉土⑤层,粉质黏土､重粉质黏土⑤1层,细砂､中砂⑥层,粉质黏土､重粉质黏土⑥3层,其中粘土类为主渗透系数为10-5~10-6m/s,泥水顶管分离系统无法有效进行分离,粘土处理速度慢､成本高,且场地和文明施工要求高,结合工程概况､场地面积等情况,不适合采用泥水顶管｡复合式土压平衡顶管机适合粘土地层,对场地要求较小,满足使用要求｡

3、顶管机适应性分析

开工前,对选用顶管机的刀盘､主驱动､螺旋输送机等关键部件进行工程适应性分析,对设备的不足之处进行改造加强,以保证顶管机能在施工过程中不出现故障,顺利穿越河道｡顶管穿越河道前做了如下适应性分析:

3.1顶管机刀盘的适应性分析

3.1.1刀盘具备的功能

①针对顶管开挖面的特点,采用六只大小刀盘组合,它具有间隙小和切削面积大的特点;②大小刀盘均布置贝壳刀和切刀,满足在软土粉质粘土及黏质粉土中切削和寿命需要;③每个刀盘正面均布置三个单向注浆口,可以加注水､泡沫､膨润土等改良剂｡

3.1.2刀具类型与配置

3.1.2.1刀盘参数情况如下

①形式:辐条式刀盘(如图1);

图1刀盘立面图

②开挖断面:6940mm×4940mm;

③泡沫+膨润土注入口(共用):18个｡

3.1.2.2刀具配置(如表1)和刀盘辅助功能配置

表1刀具配置表

①贝壳刀:数量共60把,大刀盘10把/盘;小刀盘10把/盘｡主要布于刀盘面板正面,先于切刀接触地层,犁削土层,将土体切割分块,为切刀创造良好的切削条件｡②切刀:数量共158把,大刀盘28把/盘;小刀盘24把/盘｡主要布局于刀盘面板正面辐条两侧,是切削渣土的主要刀具｡③中心刀:安装在刀盘的中心位置,具有定位及切削功能｡④刀盘钢结构材料采用Q355B高强度钢板,正常工作环境下,刀盘整体强度和刚度满足全断面掘进要求,不会出现刀盘变形及过度磨损[3]｡⑤刀盘布置为直径为大刀盘Φ2845,小刀盘Φ2620,3前3后叠加布置,刀盘切削率90%,有效搅拌率为78.8%,刀臂型式为四辐条式｡⑥刀盘开挖断面为6940mm×4940mm,合理的开挖断面,既能保证顶管快速推进,又能有效减小开挖造成的地面沉降｡⑦非刀盘切削区域的盲区采用导流板辅以润滑注浆进行清除,配合前筒壳体四周设置的斜铲齿能够起到辅助清土的作用｡⑧每个刀盘设有3路注入口,单独的管路可对掌子面及土舱注入碴土改良剂｡注入口前端装有喷嘴保护块,注入口设有橡胶喷嘴,受到压力才会张开向刀盘前端喷射泡沫等碴土改良剂,可有效防止堵塞｡膨润土注入口可以随时与泡沫注入口切换,保证渣土改良效果｡

刀盘的刀盘体外表面(辐条､背板､封板､连接板､搅拌棒､侧筋板､支撑梁､中心盖板等外表面)和切刀保护块､切刀刀座外表面等均堆焊耐磨网格,网格50×50mm,网条高5mm,宽5mm,提高刀盘耐磨性能｡

六个刀盘均设有搅拌棒,搅拌率约70%,可以有效对土仓内的渣土进行搅拌改良,防止粘性土粘连土仓壁,刀盘设计满足工程的使用｡

3.2主驱动系统说明及适应性分析

3.2.1主驱动系统说明

主驱动的作用是提供刀盘正反方向掘削动力,每个刀盘由一个驱动单元控制｡主驱动主要包含变速箱､主轴承､电机､减速机､大齿圈､小齿轮､法兰､密封系统等｡采用变频电机驱动｡主轴承采用组合轴承,包括调心滚子轴承+推力调心轴承+圆锥滚子轴承｡

3.2.2适应性分析

针对存在的细砂､中砂层底部刀盘扭矩需求较大､顶管穿越过河段地层含水量较高,压力较大的问题｡大刀盘主驱动配置3×30kW,额定扭矩611kN·m,脱困扭矩733kN·m,每个驱动装置均由独立的变频控制,可实现0~2.1r/min无级调速,也可任意调整旋向而控制顶管机姿态;小刀盘主驱动配置2×30kW,额定扭矩407kN·m,脱困扭矩488kN·m,每个驱动装置均由独立的变频控制,可实现0~2.1r/min无级调速,也可任意调整旋向而控制顶管机姿态｡其轴承采用组合轴承,承载力大,寿命长｡

且主驱动设计预留电机安装位置,为后续扩展扭矩提供空间｡

主驱动外密封采用3道唇形橡胶密封,内密封采用2道唇橡胶形密封,具备较高的承压能力｡

3.3盾体说明及适应性分析

3.3.1盾体说明

盾体由前盾､中盾､盾尾及其附属部件组成｡前盾､中盾､盾尾均为上下分块设计,满足拆装､运输､吊运以及再次拆装的要求｡中盾与盾尾之间由铰接油缸连接,可控制顶管机的前进方向｡

顶管机尾盾与管节连接部位采用管节自带防水,盾尾和管节采用承插式连接,盾尾承口结构和管节承口结构一致｡考虑前中盾和主驱动､盾尾较重,为更好地纠偏防止栽头,将利用管节上预埋件,采用七字板及钢板把前3节管节和盾尾连接固定,管节与顶管机尾部用七字板连接,盾尾后三环采用钢板连接把第一至第三节管节及顶管机联成了一个整体,以增加它们的刚性

3.3.3前盾帽檐及背土效应控制措施设计说明刀盘采用前后交错布置,前盾在刀盘上边设置成帽檐形式,突出刀盘300mm,可有效放置上部土体坍塌｡矩形顶管机前盾切口环上半部分一定宽度设置有膨润土泥浆压注槽(在防漏帽檐位置),帽檐与径向开挖面紧密接触,同时在帽檐下部压注槽处设置有径向润滑孔,并配置气动球阀控制,可实时注入减摩泥浆,并该装置均匀扩散,形成良好的泥膜包裹盾体,减少背土的产生｡

3.3.4适应性分析

工程存在下列需求:

①结构的强度和刚度满足工程需要;

②大断面矩形盾体的防背土;

③大断面掘进过程盾体减小摩阻力;

④大断面盾体的运输及吊装便利｡

针对上述问题,盾体钢板采用Q345B,盾体､变速箱等核心部件实现自动化､智能化焊接,焊接质量稳定可靠,使其具有较好的强度及刚度;径向注浆减摩点在前盾和中盾盾体径向周围各分布9个触变泥浆注浆口,用于减小摩阻力;盾体上下分块式模块化设计,便于运输及吊装,节省设备组装工期｡

盾体配置了倾角传感器(即倾斜仪),上位机界面可直接观测到盾体侧滚和倾角的数据,指导施工｡

3.4螺旋输送机适应性分析

顶管穿越层以黏质粉土､粉质黏土､重粉质黏土､细砂中砂层为主,地层含水量大,螺旋机设计需重点考虑耐磨设计､防喷涌设计和遇粘土层时螺旋机底部配置高压嘴冲洗设计｡

针对以上问题,螺旋机具有耐磨设计,提高了筒体及叶片的耐磨性与使用寿命,采用双闸门设计,同时其出渣门配置蓄能器,紧急情况可自动关闭,有效防止喷涌,当螺旋机遇粘土层时螺旋机底部配置高压嘴冲洗设计,可以有效防止螺旋机排土异常,并在螺旋机布置多个观察窗,方便检修,最大出渣能力满足顶管机在最大推进速度下的出土需求,计算如下:

螺旋机每小时出土量/顶管机截面积=180/6.9/4.9×1000/60=88.7mm/min

推进系统油缸最大掘进速度40mm/min,螺旋机可以满足顶管机在最大速度下的出土需求｡

3.5推力系统适用性分析

工程单次顶进距离较长,对推进系统能力要求高｡顶管机采用14根缸径360mm行程2500mm的推进油缸,最大推进速度40mm/min,最大推力为49840kN,主顶泵站由55kW电机驱动,其中主泵站为变频电机驱动,可实现速度调节｡顶管机最大推力大于工程所需的计算推力45492kN｡

3.6测量系统适用性分析

为了使顶进轴线和设计轴线相吻合,在顶进过程中,要经常对顶进轴线进行测量｡在正常情况下,均由井内的激光经纬仪按设计顶进轴线打出激光束,射在顶管机中心的光靶上,顶进过程中可以从监视器内观察到轴线的偏差｡施工时还要经常对测量控制点进行复测,以保证测量的精度｡

3.7渣土改良系统适应性分析

良好的渣土改良可以减小地层扰动,提高螺旋机出渣效率;每个刀盘布置3个注入口,配置独立的泵,注入量大,渣土改良均匀,每个螺旋机布置2个注入口,注入能力强;土仓隔板处设置6个注入口,增加土仓内改良;集成化设计,方便转场;注入系统管路与膨润土系统管路能够相互切换,适应多种地层的改良需求｡

高压水注入泵采用11kW离心泵,流量15m3/h,膨润土采用15kW泵,输送量15m3/h,泵最大输送压力2.5MPa,渣土改良系统注入量满足地层施工需求｡

3.8膨润土润滑系统､减阻注入和置换注浆系统说明及适应性分析

工程单次顶进距离较长,对膨润土减摩系统要求高｡在前盾和中盾四周方向各设8个注浆润滑口,通过减摩注浆系统向壳体外注入膨润土触变泥浆,填充超挖间隙,形成“泥膜”,极大地减少顶推力;每节管节上有10个DN25壁厚3.25mm钢管压浆减摩孔,在管节四周可以注入膨润土触变泥浆,在每节管节后形成“泥膜”,极大地减少顶推力｡

置换注浆系统,待顶管机出洞后可用膨润土系统及每节管节上有10个预埋的DN50注浆管,将膨润土触变泥浆置换为水泥浆进行地层填充及防水加固｡

4、结束语

北京地下综合管廊采用矩形顶管下穿某河道,根据工程概况对矩形顶管机进行选型并对适应性评估方法进行分析研究后,编制了专项施工方案和各项保障措施,管廊顶管顺利穿越了河道,对河道造成的各项变形数据都控制在允许范围内,说明了施工前进行此项工作是非常必要的｡

参考文献:

[1]郭金英.地铁盾构施工下穿既有铁路桥梁影响性分析[J].价值工程,2024,43(29):117-120.

[2]杨广武,赵江涛,苏洁.地铁施工对既有桥梁桩基的影响研究[J].都市快轨交通,2014,27(03):70-74.

[3]钟巍龙.超大直径复杂地质双模盾构选型及配置探讨[J].建筑机械,2022(06):88-91.

文章来源:焦国强,崔学超.长距离穿越河道矩形顶管机选型及适应性评估[J].价值工程,2025,44(10):4-6.