软土地区复杂环境下长距离大直径顶管掘进机选型研究*

顾 杨 徐冬宝 王 涛

1. 上海市城市排水有限公司 上海 200233；2. 上海市基础工程集团有限公司 上海 200433；3. 上海城市非开挖建造工程技术研究中心 上海 200433

不同形式的顶管掘进机具有不同的特点，对各种地质情况的适应性是有差异的，在顶管实际施工操作过程中的施工效率与地表变形精度控制等也是各不相同的，因此顶管工程成功与否很大程度上取决于顶管掘进机设备的选择。根据目前顶管掘进机结构形式较为多样，要保证依托工程的顺利进行，顶管掘进机选型必须按其自身特性与工程实际情况相结合的原则来进行[1-3]。本文结合工程实践，对软土地区复杂环境下长距离大直径顶管掘进机选型进行研究和探讨。

1 工程概况

上海市污水治理白龙港片区南线输送干线完善工程，主要建设内容为长约26.21 km的污水输送干管，全线干管采用顶管法施工，铺设方式采用平行双管，材质为钢筋混凝土，每节管的长度为2.5 m。管道内径4 000 mm，外径4 640 mm，为国内最大直径顶管，且单次最大顶进长度达2 039.82 m，为同直径最长距离顶管。工程分为6 个标段，SST2.2标段顶管工程为外环8#井至迎宾3#井之间的输送干管，西临申江路立交（外环8#顶管工作井），东临唐黄路（迎宾3#接收井），总长7 890.71 m，其中迎宾1#～3#区间内顶管即为超长顶进段，双线皆超过2 000 m（图1）。

图1 工程示意

本工程顶管覆土厚度约为6～12 m，覆土浅薄处皆为穿越河浜及沟渠处。顶管主要位于③层淤泥质粉质黏土和④层淤泥质黏土，仅于局部顶管遇及②3砂质粉土。③层、④层为软黏性土层，厚度较厚，其强度低、渗透性差、含水量高、压缩性高、灵敏度高，具触变性和流变性，施工易受扰动，容易导致开挖面失稳。场地地下水埋藏较浅，地下水对顶管施工影响很大。浅层潜水由于顶管开挖出土产生水头差而渗流，导致粉性土产生流砂，对顶管施工不利。

2 顶管掘进机分类

维持开挖面稳定是顶管掘进机所应具备的一项重要性能，故目前顶管掘进机最常用的分类都是以其维持开挖面稳定的性能作为分类原则的。依此原则可将顶管机划分为两大类：敞开式顶管机，该顶管机工作面上及其后没有压力封闭区，施工人员可方便地进出工作面，有利于采用机械作业；平衡式顶管机，该机通过在工作面与后续盾尾之间设置1 道封闭的压力墙来建立顶管顶进施工的压力平衡机制。同时，根据所采用的不同压力平衡介质，还可将平衡式顶管机划分为3 种：土压平衡式顶管机、泥水平衡式顶管机和气压平衡式顶管机。

当在地下水位以上的稳定土中进行顶管施工时，其开挖面基本是稳定的。顶管机的工具管端一般是敞开的，采用人工或机械挖掘方式出泥，故稳定土中的顶管机被划分为敞开式顶管机。

当在地下水位以下进行顶管施工时，所穿越的土层多数为不稳定土，顶管掘进机正面压力必须与开挖面的水土压力相平衡，才能维持开挖面的稳定，故不稳定土中的顶管机被划分为平衡式顶管机。

目前敞开式顶管机应用已较少，绝大多数的顶管工程都是使用的的平衡式顶管机。

3 顶管掘进机选型分析

顶管机头设备在顶管实际施工操作过程中，对地质情况的适应、施工效率与地表变形精度控制是各不相同的，因此正确选择顶管机是顶管施工的首要任务。目前顶管掘进机的形式样式众多，其所具有的性能也各有千秋，如选择失当，会造成不良的后果。其选型的依据主要有工程地质和水文地质条件、区间顶管线路条件、混凝土管节结构、管边曲率半径及造价、工期、安全及环境保护等，并参照国内外工程实例及相关的技术规范，按照通用性、可靠性、先进性、经济性相统一的原则，进行顶管机合理的设计选型。

课题背景工程相对于国内已施工的顶管工程有一些自己独特的难特点：管道内径4 000 mm，外径4 640 mm，为国内最大直径顶管；内径4 000 mm管道总长计52 km；单次顶进长度达2 039.82 m，为同直径最长距离顶管；工程全线皆为双线并行曲线顶进，最小曲率半径为800 m，管外壁最小间距仅为4.42 m；覆土较深，管顶覆土约8～11 m；管道需承受8～20 m的内水压力，即使考虑地下水平衡部分压力，也有最大约12 m的水头内压。

顶管掘进机作为顶管施工的最关键设备，其功能性必须能够适应顶管施工过程中遇到的各类问题。针对背景工程地质特点和工程条件，对本工程顶管机有如下要求：最小平面曲率半径800 m，设计选型中要考虑顶管的灵敏度；在合适的组段能够达到较高的掘进速度；在地质复杂区段中，有必要手段能够对前方地层进行超前探测，以便采取相应的施工技术措施；顶管机必须具备较强的稳定开挖面的能力，确保开挖面稳定性，最低限度减少地层损失；要防止开挖面坍塌的袭击，防止刀盘土仓输入口大量水渗透，防止流沙的渗透；顶管机有良好的密封性能，要求顶管机要有较高的防止渗水的能力，同时具有抗拒气体泄漏的能力；具有渣土改良系统，将各种土质改良成顶管机工作所需的塑流体；顶管机头在不同地质和环境条件下均具有足够的可靠性及良好的可控性和纠偏性。

土压平衡顶管掘进机以其高度可靠的平衡性能，在地面沉降严格的管道施工中经常采用，且由于土压平衡顶管机采用干出泥，无需进行泥水处理，对环境污染最小，但其适用土层有限，仅为淤泥和流塑性的黏性土。虽然其适用土层不多，但这些土层正是沿海城市浅埋管道常遇到的一些土层，故土压平衡顶管机的应用范围仍然是很广的。

基于上述的考虑，由于工程条件复杂且要求较高，根据本工程的特点，且为确保该工程顺利进行，经过比较，土压平衡顶管机更适宜于本工程顶管施工，故选用Φ4 640 mm土压平衡顶管掘进机及相关设备来完成该标段的顶管施工任务（图2）。

图2 顶管机剖面示意

所选择的顶管机设备总质量约为180 t，主机部分质量140 t，长度8 090 mm，机头至1#台车为3×2.5 个混凝土节，总长度约为41 m。顶管机分主机和后配套设备两大部分，后配套设备分别安装在4 节后续台车上。

顶管机前部是旋转切削刀盘，工作时在主推油缸的作用下可以对开挖面双向正反转切削，通过安装在切削刀盘上的先行刀、切削刀、周边刀将开挖面上的土体切削下来送入土仓，然后与注入土仓中的添加材料搅拌后以流塑性土体的形式通过螺旋机排土。

主机由前段壳体、中段壳体、后段壳体用钢板焊接而成，圆形筒体局部配有筋板、环板等一些加强筋，具有耐水、耐土压、强度高的优点。

本工程所选择的Φ4 640 mm超大直径土压平衡顶管掘进机具有如下一些技术特点：

（a）顶管机采用9 台减速机，液压马达驱动，扭矩较大且具有无级变速功能，能满足许多不同地层中的掘进需要。适合黏土、砂质、泥沙、粉质黏土层、中粗砂、圆砾卵石等地质条件，并能满足4.5～25 m埋深环境和地下水情况下使用。

（b）顶管机为能满足从砂层到软土层的加泥式土压平衡顶管机，在土仓内上下左右配置了4 个土压力传感器，通过自动土压控制系统中的PLC能将土仓中的土压传送到操作台上的触摸显示屏显示，并且能自动地与设定土压进行比较，调节螺旋机的转速，土压过高过低都会在操作台上报警直至停机，因此能很好地控制土压平衡，减少地面沉降。

（c）刀盘结构为幅条型，刀盘结构比较简单、结构坚固、强度高、刚度大，由于刀盘开口率大（66％），故耐磨程度高，刀盘的设计及刀具的配置选择及布局合理，具有足够的寿命。

（d）设有可控制的设备和管路以方便膨润土及添加剂注入，刀盘上开有4 个注入口能对开挖面的土体进行充分改良，并且在土舱胸板处设置4 个膨润土及添加剂的注入口，螺旋机上设置2 个膨润土及添加剂的注入口，从而达到改善渣土性质，改良渣土流动性的目的。

（e）纠偏油缸布置在45°方向上，4 组油缸具备良好的纠偏性能，保证能适应不均匀地层中的管道轴线控制。纠偏油缸每组3 个油缸的油路串联在一起，每次纠偏时任意二组（2×3 只）组合控制上、下、左、右纠偏。操作时控制三位四通电磁阀，可以二组同伸、另二组同缩，或二组同伸皆可达到纠偏效果。

（f）螺旋机采用轴带式，后部、尾部中心排土，具有2 道闸门，配备紧急自动关闭装置，能有效防止土仓前端沙土与泥水管涌，螺旋机叶片及前筒体堆有耐磨材料，抗磨性能优越。

（g）机头胸板上有人孔门，在气压下能进行排障功能。

（h）机头主机密封装置能承受0.5 MPa以上的水土压力。

（i）电气和液压元件质量可靠，响应迅捷，防水性能好，适应管道内高温，高湿工作环境。

4 顶管掘进机结构力学分析

本工程所选用的Φ4 640 mm土压平衡工具管全套设备包括工具管前段、中段以及后段，为国内最大直径顶管工具管。工具管管顶最大埋深12 m，承受着较高的水土围压、顶进压力及土仓压力。对工具管自身结构进行强度、刚度等安全性分析，只有工具管自身结构满足强度、刚度要求才能使用到实际的工程中[4]。

按照设计图纸建立三维有限计算模型，为尽可能使工具管自身结构偏于安全，建模计算时先不考虑工具管中外箱体、传力环和内箱体的强度刚度增强作用，盾尾放置油缸纠扭底板处各少2 块筋板，前段加强圈满布整个圆环。前段、中段之间考虑铰接，中段、后端之间为刚接。计算结果见图3、图4。

从上述计算结果可知工具管在承受既定的水土围压和顶进力的情况变形偏大，且应力也已经超过其许用应力，因此对工具管结构进行局部修改。把外箱体、传力环和内箱体放进去，盾尾放置油缸纠扭底板处各增加2 块筋板，前段加强圈进行一定的优化，没有满布整个圆环，只在纠偏千斤顶区域布置加强圈，此外土仓前面板厚度由第1次的40 mm变为50 mm，再次建模计算。其结果见图5、图6。

图3 变形图（最大值13.7 mm）

图4 应力图（最大值454 MPa）

图5 变形图（最大值0.5 mm）

图6 应力图（最大值75 MPa）

对比前后2 次的计算结果，顶管掘进机结构变形由最大13.7 mm变为最大0.5 mm，顶管掘进机结构应力由最大454 MPa变为最大75 MPa。在顶管掘进机结构进行局部优化修改并加上外箱体、传力环、内箱体后，其强度、刚度有明显的改观，经过局部优化修改后的顶管掘进机其结构强度、刚度能满足实际施工工况的要求。

5 结语

本文对顶管掘进机选型的重要性和顶管机的分类进行了阐述，并以目前国内最大直径且同直径最长距离顶管工程——上海市污水治理白龙港片区南线输送干线完善工程2.2标为研究背景，对Φ4 640 mm土压平衡顶管掘进机的适应性、技术特点、技术参数及顶管机组成结构等进行了研究和阐述，并用数值模拟的办法验证了所选择的顶管掘进机力学设计方面的合理性。并根据数值模拟的结果进行了局部优化修改，其结构强度、刚度都有明显的改观，满足实际工况的受力要求，为该标段工程顶管施工顺利实施提供了设备保障，并能为今后类似工程提供借鉴。