基于非开挖法施工中顶管机的选型研究

基于非开挖法施工中顶管机的选型研究

郝冲李筱胡永杰

徐州徐工基础机械工程有限公司江苏徐州221000

摘要：结合实际，对非开挖施工中顶管机选型的内容进行分析，并且以工程实例为研究对象，探究顶管机选型的过程，同时以方案比选的方式对选型的经济性、科学性等方面进行研究分析。

0前言

工程顶管施工是否能够成功完成主要是受到顶管机头设备的影响。在施工中，要结合工程的实际情况来选择使用不同的顶管机头设备，此时要考虑到地质条件、施工技术等因素，同时还要分析施工效率以及地表变形控制精度等等。在施工开始之前，就要全面的分析地质条件、水文状况、工期、工程造价、工程安全以及对于环境的影响，从而选择合适的顶管设备。

1工程概况

某项目工程位于该地区的交通繁华地段，日交通通行量巨大，并且还分布着大量的居民小区。该工程的整体的长度为1450m，横穿公路路段的顶管工程的长度为180m，新建设2座沉井。从地质条件的分析报告可以发现，顶管沿线的路径地质条件复杂性比较高，含有松散土层，同时还具有地质坚硬的花岗岩层。综合分析了影响工程的各个因素，在该工程中选择使用顶管施工技术，下面将进行掘进机选型分析。

2掘进机选型分析

2.1工程地质及水文地质

分析与对比：

①该地区的杂填土组成成分复杂度高，并且还存在有块石、混凝土块以及碎石等形态，通过地质条件的分析，选择应用人工手掘顶管施工方式可以及时的排出内部障碍，所以应该优先选择该施工方式。

②坡积粉质土的性质是中等压缩土，韧性比较适中，工程性能比较好，此时可以选择使用土压平衡的方法来进行施工，泥水平衡方法也是比较好的施工方法。

③砂砾状强风化花岩的硬度较高，本次工程中的岩层强度可以达到50MPa以上，有些部分的强度甚至超过65MPa。所以此时应该选择使用大刀盘土压平衡顶管机或者是应用二次破碎功能的泥水平衡顶管机施工都可以。在充分的考虑到水文地质条件之后，确定了该工程在施工中的稳定水文埋深为3.6m、标高为13.86m，从当地多年的气候资料的统计数据中可以发现，在施工年度内的水位变化幅度为1.0～2.0m左右，顶管施工的位置可以达到地下水的下部位置上，因为土压平衡顶管机不能应用到该种条件之下，此时应该选择使用二次破碎功能的泥水平衡是顶管机，该设备可以达到工程的要求。

2.2工期

顶管施工的工期比较紧张，需要在次年夏季到来之前就需要完成本次电力施工项目的18条11万伏的线路施工，并且要完成整个线路的调试和送电工作，将其他一些程序的时间以及安装调试的时间去除掉，整个施工的工期时间仅为6个月，非常的紧迫。所以要结合工程的实际情况，选择使用可以满足工期、质量要求的顶管施工方式，从而可以满足当地电力使用的需要。

分析与对比：

①人工手掘施工方式是出现最早的方式，在施工中，可以根据不同的地质条件选择合适的辅助措施来保证施工的顺利完成，当前我国很多的顶管工程因为各种因素的影响依然沿用该种施工方式。在施工中，人工手掘方式的施工效率通常会直接受到顶管长度、管径以及地质复杂性的影响。经过前提的地质勘查数据可以发现，该地区在应用人工手掘施工方式的是，顶管施工的速度平均达到了3m/d，一旦遇到孤石等地质条件的时候，顶进施工的速度下降为1m/d。

本次工程中的顶管长度虽然并不很长，但是其是属于大口径曲线顶管施工，难度较高，并且很多地区中都需要直接穿越岩石地层条件，所以应用人工掘进的施工方式效率比较低，无法达到施工工期的要求。

②机械是顶管施工技术可以达到工程施工速度的要求，尤其在泥水平衡顶管施工的过程中会因为泥水输送循环施工而持续进行，所以顶进施工的速度会非常快。结合不同的地质条件，其施工速度可以达到50mm/min，根据计算，具体的施工速度：0.05×60×8=24m/d，所以这种方式的施工速度远远大于人工掘进施工的方式。

3顶管掘进机性能参数

从地质条件、水文状况、工期、造价等等因素的分析之后，决定在该工程施工的过程中选择使用二次破碎泥水平衡顶管机，型号YD2000，从生产厂家所标定的技术文件中可以了解其技术参数如下所示：

①机头外形尺寸：Φ2440×4350mm；

②机头总质量：25000kg；

③顶进施工速度：0～100mm/min；

④切削刀盘：转速2.8rpm；转矩555kNm；破碎岩石硬度≤80MPa；对抗土压≤500kN/m2；电动机功率15kW×6；

⑤泥水管道直径：Φ100mm；

4破碎工具的应用

4.1破碎工具选择

切削刀盘的选择与应用可以将刮削齿、滚刀等结构联合起来，将其安装在刀盘结构上。前者的主要作用就是进行土层的施工，并且还安装有硬度比较高的合金刀具，在旋转进入的过程中可以将地层中的石块进行破碎；滚刀通常都是处理地质条件中所存在的砂砾强风化花岗岩层，并且会随着设备的轴线位置进行滚动前进，主要的动力是液压装置，在岩石表层施加垂直作用力，直接将岩石破碎，达到施工的目的。

4.2破碎工具布置

为了能够有效的降低侧壁与周边岩石的摩擦力，应该在刀盘的外径中分别安装扩孔滚刀，其布置的方式应该成120°夹角，该结构主要就是用来在顶进施工中可以在孔内形成一个稳定的环形空间，为后续的注浆减摩提供基础条件；其次，在所有的破碎工具的轮廓位置上都设置有进渣口，在施工的过程中将石块实施二次破碎施工，并且再利用泥水作为介质将内部的渣体排出干净，以保证施工的顺利进行。

4.3破碎工具磨损分析与更换

本次工程中需要穿越砂砾强风化花岗岩层，所以在施工开始前的准备过程中，工程的技术人员就已经预见到在施工的过程中会严重的磨损破碎工具，为了可以更好的进行查看并且维修该结构，在顶管机内部到工作面中设置了检查人孔，便于在施工中进行检查，同时也可以在发现刀具严重磨损之后可以立即更换。顶进施工的深度达到了90m之后应该进行首次开舱门，然后检查破碎工具的磨损情况。从状况的检查结果可以了解到，刀盘外部周边中的3个扩孔滚刀以及部分的刮削齿出现了严重的磨损问题，而处于刀盘中心位置上的滚刀却没有过度的磨损问题。从这种情况下可以了解到，在该岩层中，刀盘的磨损周边严重、中心较小的情况。在选择顶管机机头之前，需要充分的考虑到地质条件的影响因素，尤其在强度较大的岩层结构中施工，必须要适当的增大滚刀的硬度和精度，还应该适当的增大刀盘的外径挡板强度，从而可以有效的避免刀盘过度磨损导致的结构损坏。滚刀出现损坏需要更换的情况下，一般都是操作人员进入到刀盘内部，将固定的螺栓拆除之后就能够进行更换。

5结语

对于该顶管工程在正式施工前，应该全面的分析地质条件、水文状况、工期等等条件，选择合适的施工机械设备，提高工程的质量，保证工期。

参考文献

[1]矩形顶管机下穿郑州市中州大道工程简介[J].郭昊.中国市政工程.2013（05）

[2]中国“智”造世界最大断面矩形盾构顶管机在大连下线[J].隧道建设.2016（01）

[3]北京地铁十号线花园东路站暗挖段长大管棚支护施工技术[J].曹俊芳.工程质量.2010（05）

[4]超大直径矩形顶管机的无线监控与快速转接技术[J].陈超白.上海建设科技.2015（02）