TPD2 800型土压平衡顶管机在回填土地层中的应用

袁正中，刘永生，顾文斌，李 军，王瑞杰

(湖北省地球物理勘察技术研究院，湖北武汉 430056)

TPD2 800型土压平衡顶管机在回填土地层中的应用

袁正中，刘永生，顾文斌，李 军，王瑞杰

(湖北省地球物理勘察技术研究院，湖北武汉 430056)

介绍了TPD2 800型土压平衡式顶管机的工作原理、构造特点和刀盘改进的工艺特点。对改进型顶管机在低覆土厚度下的回填土地层中顶进时的土压和顶速控制等进行了探讨，结果该工程158 m试验段DN2 400管道的贯通证明，只要选择合适的设备，再加上有效的监控措施，在覆土层厚度不低于0.5倍管外径的前提下，应用土压平衡顶管法是完全可行的。此工程的成功实践，标志着顶管设计、施工技术的重大突破，进一步拓展了顶管施工方法的应用范围。

顶管机;土压平衡;低覆土厚度;回填土

1 工程概况

1.1 工程简述

黄冈市东坡大道南段(红卫路—黄冈宾馆)拟建B×H=2 500×3 000排水渠道，此是该市环湖截污疏浚的枢纽，其主要功能是收集排入遗爱湖的污水，集中转输至污水处理厂。受场地所限，放坡开挖施工不仅会影响交通、污染环境，而且周边管线的协调与保护难度大，路面恢复费用高。从经济和环保考虑，施工单位应业主要求在认真研究勘察资料(见表1)和实地踏勘后，初步决定采用DN2 400土压平衡顶管方案。为确保施工顺利，经与设计、监理、造价等单位沟通协商，达成了选取其中一段作为试验段，成功后即全部采用顶管方式进行施工的协议。

1.2 施工难点及主要风险

(1)覆土厚度浅。场地属堆积平原地貌，地形平坦，地面标高为21.00～21.60 m;而遗爱湖湖底高程为16.0～16.50 m。为保证排水顺畅，排放口底标高定为16.20 m，即拟顶进的DN2 400“F”型钢筋混凝土管道(外径Ds=2.86 m)的管底距地面4.5 ～5.4 m，管顶距地面1.64～2.54 m(未考虑i=0.001 5的流水坡度)。从理论上讲，覆土厚度不满足≥0.8 D的土压平衡顶管技术规范要求［1］。

(2)顶进层位土质差。沿线15个勘探孔资料显示：地层为人工填土、冲积物。而顶进层位正处于回填土地层，土质不均且松散，特别是局部夹杂的块石和建筑垃圾易导致切削刀盘卡死。

(3)周边管线保护要求高。经管线调查发现，拟顶管道两侧2～5 m范围内平行有自来水、电信、电力、天然气管道和军用光缆等，另有一条横穿东坡大道进湖的污水箱涵。

此外，该工程社会影响力大。据初步了解：目前，在黄冈地区采用机械式顶管是第一次;在湖北省采用大口径顶管施工是第二次(第一次是武汉青山变—厂前变Ⅰ回220 kV电缆线路隧道DN3 000顶管长370 m，覆土厚度15.1 m);在国内采用土压平衡法在杂填的低覆土厚度(0.5～0.6 D)下开展大口径顶管施工尚属首次。

2 顶管设备选型

针对试验段覆土厚度低(见图1，H=0.57Ds)，且土质松散以及工期紧、周围管线保护要求高等特点，本院结合多年的施工经验，选用了扬州广鑫机械公司生产的TPD2 800型大刀盘土压平衡顶管机(见图2)，并对其切削刀盘进行了改进(见图3)。

2.1 土压平衡顶管的工艺原理

先由工作井中的主顶油缸推动顶管机前进，同时启动刀盘旋转切削土体，切削下的土体进入密封土仓与螺旋输送机中，并被挤压形成具有一定土压的压缩土体;经过螺旋输送机的旋转，输送出切削的土体。密封土仓内的土压力值可通过螺旋输送机的出土量或顶管机的前进速度来控制，使此土压力与切削面前方的静止土压力和地下水压力保持平衡，从而保证掘削面的稳定，防止地面的沉降或隆起［2］。

表1 沿线勘察成果表(15个勘探孔)Table 1 Investigation achievements of lineside areas

图1 试验段3#工作井～2#接收井顶管断面图Fig.1 Section of pipe jacking in 3#working well and 2#receiving well

2.2 TPD2 800型土压平衡顶管机的技术性能与特点

2.2.1 TPD2 800型土压平衡顶管机结构

主要由切削刀盘、刀盘驱动装置、前后壳体、止转装置、联接两壳体的纠偏油缸组和铰接密封装置、出土螺旋输送机、纠偏油缸液压动力站和液压管路、润滑油脂泵和油脂输送管路、加泥(水)装置、驱动电机电器柜及顶管操纵台等组成。

2.2.2 TPD2 800型土压平衡顶管机的技术性能与特点

(1)适用土质范围广，具有对土体进行改良的功能。通过加泥可把原来不具有塑性、流动性和透水性土体变成具有较好塑性、流动性和不透水性的土体。

(2)它既适用于N值为0的淤泥，也适用于N为50的砂砾和卵石层。

(3)施工后地面沉降小、弃土的处理简单，可在外径0.8倍以上的浅覆土层中施工。由于开口率＞50%，因此土仓内显示的土压力更贴切。

2.3 TPD2 800型土压平衡式顶管机刀盘切削功能的改进

2.3.1 刀盘改造后的主要参数

设计改造后，刀盘上各刀头的高度分别为：1、2、3环处刀头的高度为5 cm，4环处刀头高度为6.5 cm，5环处刀头的高度为8 cm，6环处刀头的高度为9 cm，7环处刀头的高度为10 cm。从刀盘截面看，它由各个刀头组成了一个外截面圆大、内截面圆小的锥形，两圆切线的夹角为158°。

2.3.2 刀盘改造的主要目的

(1)刀盘上的刀头组成锥形后，越靠近刀盘外圈处，刀头向掘进面突出越长，且刀头上的刃脚向中心倾斜。当刀盘转动时，最外侧依次在7、6、5、4环处最先切削掘进面上的土层，从而使掘进面中间无压力或者压力较小，最终达到在顶进过程中减小掘进面上土压力的目的。

(2)改造后的刀盘相对改造之前，将刀盘进泥口中间位置改变了一个角度(约158°)，且刀头刃脚向中心倾斜。此目的是：在机头掘进过程中，靠近刀盘最外圈的刀头先将土层切削下来，由于刀盘进泥口中间位置改变了一个角度且刀头的刃脚也向中心倾斜，将使作用在切削下来的土体上的转动力矩方向改变，从而将土体的运动方向改变，在顶进力的作用下使土体缓缓的被转动到泥土仓，最终达到增加泥土仓进泥量的目的。

此次改造后的刀盘，对土质较硬的黄粘土效果最为明显。

图2 TPD2 800型土压平衡顶管机刀盘Fig.2 Cutter disk of TPD2 800 Type of EPB pipe jacking machine

图3 改造后的TPD2 800型土压平衡顶管机刀盘Fig.3 Cutter disk of TPD2 800 Type of EPB pipe jacking machine after transformation

3 控制要点

针对试验段覆土厚度低(上部土“压力”不足)且土质松散及工期紧、周围管线保护要求高等特点，我们经过认真分析认为“低速顶进，压住机头，克服上翘，防止地面隆起”是实现安全顶进的关键。对此，在做好轴线和高程控制的同时，重点加强了以下施工环节的控制：

(1)注浆减阻，改良土质，降低顶力。减阻泥浆的运用是减小顶进阻力的主要措施;顶进时通过管节上的压浆孔，向管道外壁注入一定量的减阻泥浆，在管道外围形成一个泥浆环套，减小管节外壁和土层间的摩擦力，从而减小顶进时的顶力。事实说明：泥浆套的好坏，直接关系到减阻的效果。对此，我们不仅按1∶2布设注浆管节，同时在360°圆周上按“十”字型布设四个注浆孔，起到了良好的注浆与减阻效果［3］。158 m的试验段顶管，全程最大顶力没有超过5 000kN，只为理论计算顶力值的75%。

(2)严格控制土压与顶进速度，防止地面变形。从理论上讲：当P＜P主时，地面就会产生沉降;当P＞P被时，地面就会产生隆起［4］。所以，一般是通过调节推进速度和调节螺旋输送机排土量来控制土压力P(要求做到P主＜P＜P被)实现安全顶进。从实际操作来看，用调节推进速度来控制土压，其特性较硬，变化较快。但是，在长距离顶进中，调节推进速度并不方便，调节要求需要从顶管机传递到后方主顶，推进速度变化后，需要较长时间才能通过数百米管道传递顶管机，这时土压主要通过调节螺旋输送机的转速来控制。

结合本试验段的具体情况，按照“0”压力值设置顶进土压的初定参数，变“顶进—切削”为“切削—顶进”;并在顶进过程中，根据土层变化、覆土深度变化、地表沉降监测等情况随时调整土压力。全程顶进速度控制在10 ～20 mm/min，土压控制在 0.01 ～0.04 MPa范围内，始终控制土压力不高于理论计算的最大值。

(3)及时排查设备故障和清除地下障碍物。为确保试验段顶管的成功，本院选用了经验丰富的操作人员进行操作，技术人员24 h现场全程跟踪，发现设备故障和顶进异常时及时进行排查;同时，在顶进中发现有障碍物时做到及时清除。

4 工程进度及质量评价

本试验段从2010年4月28日机头开始出洞到5月18日机头进洞，历时20 d，顶程158 m，平均顶速7.9 m/d。由于操作人员认真负责，对顶速和土仓压力控制较好，加之技术监控措施和各项管理工作比较到位，除距3#工作井10～15 m处地面略有隆起外(自试验段开始顶进至第四节管道时，操作人员为提高顶进速度，导致距3#工作井10～15 m处的大理石人行道出现0.1 m隆起)，其余部分均未出现地面变形，达到了设计规范要求。试验段的施工速度和顶管质量得到了业主和设计、监理等单位的好评。

5 结论

土压平衡顶管法在中国已有近20年的应用与发展史，但是据初步了解，本工程应用土压平衡法在杂填的低覆土厚度下开展大口径顶管施工，目前在国内尚属首次。

(1)该工程158 m试验段DN2 400管道的贯通证明：只要选择合适的设备，再加上有效的监控措施，在覆土层厚度不低于0.5倍管外径的前提下，应用土压平衡顶管法是完全可行的。此工程的成功实践，标志着顶管设计、施工技术的重大突破，进一步拓展了顶管施工方法的应用范围。

(2)土压平衡法在黄冈遗爱湖截污疏浚DN2 400管道顶管中的成功应用以及TPD2 800型土压平衡式顶管机刀盘的改进工艺与施工控制措施等，有助于推动土压平衡式顶管技术的革新与进步，对今后类似工程具有一定的指导作用和借鉴意义。

(3)随着城市化进程的加快和市政设施服务功能的进一步提升以及顶管设备制造工艺的日臻完善，土压平衡顶管法以其适用土质范围广和综合成本低、施工周期短、环境影响小、不影响交通、施工安全性高等优点，必将会有更加广阔的应用与发展前景。

［1］CECS246：2008，给水排水工程顶管技术规程［S］.

［2］马保松.非开挖工程学［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［3］钟俊彬，王作民，曹玉萍.汕头第二过海水管工程顶管穿越障碍物技术［J］.岩土工程技术，2009，23(6)：321 －323.

［4］马保松，D.Stein，蒋国盛，等.顶管和微型隧道技术［M］.北京：人民交通出版社，2004.

Application of TPD2800 Type of EPB Pipe Jacking Machine in Backfill Soil Sequence

YUAN Zhengzhong，LIU Yongsheng，GU Wenbin，LI Jun，WANG Ruijie
(Hubei Institute of Geophysical Prospecting Technology，Wuhan，Hubei430056)

The article introduces working principles＆ construction features of EPB(TPD2800)pipe jacking machine and process improvement of cutter disk.It discusses the improved pipe jacking machine of the soil pressure and jacking speed control in the shallow soil and backfill soil.

pipe jacking machine;EPB;shallow soil;backfill soil

TU992

A

1671－1211(2011)03－0265－04

2010－07－05

袁正中 (1964－)，男，高级工程师，物探专业，从事地质工程 (物探)和市政非开挖技术的应用研究与管理工作。E－mail：111YZZ111@163.com

于继红)