顶管机选型

都市快轨交通・第２０卷第４期２００７年８月

《土建技术．．

砾石破碎型泥水平衡顶管机的选型方法

郭映聪

（中铁十六局集团北京轨道交通上程建设有限公＿Ｊ

摘要结夸西气东输黄河项管的施工，通过工程地

２．１地质特点及要求

①砂性十：十颗粒较一般黏上大，大约在２（）ｕ以ｒ，土颗粒之间的凝聚力较小，呈单粒结构。孔隙比较大，很容易在水动力的作用下产牛流砂现象。

②钙质结核粉质黏土（占土壤）：棕红色，土质致密，含较多的姜结石，局部姜结石富集，硬可塑状忿。姜结石富集区岩性类似中风化岩，已经钙化成类岩层，厚４ｍ以上，其最大抗压强度１１

５０ＭＰａ。

质要求、设备性能要求、泥水平衡方式、刀盘刀具等破碎技术的阐述，介绍超长距离、大深度、大口径、高精度、砾石破碎型泥水平衡顶管机的选型方法。黄河项管工程的成功穿越，充分证明砾石破碎型泥水平衡顶管机的选型是成功的，取得了预期的社会经济效益。关键词泥水平衡顶管机选型

ｌ黄河顶管工程简介

砾石破碎型泥水平衡顾管机选型依托的黄河顶管工程是举世瞩目约４

０００

③强风化岩构成的沙砾石层：是指风化很强的岩石，此种土质的岩石组织结构已人部分破坏，矿物成分已显著变化，含有大量黏土质黏土矿物。

⑧微风化及巾风化漂石和大块石：实际开挖出时，穿越断面有成层卵石层，其中有川抓斗开挖出来的粒径达３０～５５ｃｍ的漂石，属硬度很高的微风化岩，岩质新鲜，表面稍有风化迹象，强度大于５０

ＭＰａ。

ｋｍ长的“西气东输”管

道工程的三大重点项目之一，又是全线的施工技术难度最大的“咽喉”工程。该工程集高、难、新、尖丁一体，其建设规模、难度和技术创造了多项罔内外先进记录，处于世界领先地位。工程要求在３的距离上，在水面Ｆ

２３

６００ｍ

ｍ深处的黄河底长距离顶进，

以上穿越断而的几种土质，需要针对不同的上质情况进行分析研究，研制能一次穿越上述４种土质的复合类刑的顶管掘进机。

这在中罔乃至世界顶管穿越史上都是罕见的。顶管施工原理见图１。

２．２顶管工程特点及设备性能要求

顶管工程特点及没备性能要求见表ｌ。

３砾ｆｉ破碎泥水平衡顶管系统优势

绎过科学认真的分析论证，我们确定采用泥水平衡式顶管机，它具有其他类型顶管机无法比拟的

图１

顶管施工技术愿理示患图

优势。

（１）泥水加压使流砂层开挖面稳定安全；

２顶管工程的特点及其选型的要求

对于顶管『：程来说，针对不同的土质情况选用不同的机型是很关键的，甚至直接关系到顶管施工的成功。因此，针刘黄河顶管工程的特点进行顶管掘进机的选刑足决定顶管成功的重中之重＝

收稿日期２００７－０２・２６

修回日期－２００７‘０４—０９

（２）水位以下，能常压作业（元需气压）；

（３）滞水砂层、含水量高的黏土层及高水压砾石层，泥水平衡顶管都能施工，其适应土质范削较广；

（４）管路排泥，连续出土效率高，速度快，适合超长距顶管；

（５）噪卢较小，管内十净，地下工作环境好；（６）泥水平衡式顶管便于实现连续测量，顶管精度高；

作者简介郭映聪，男，大学本科．工程师，从事城市地铁与轻轨工程

的施工技术与管理工作．Ｉｇｓｇｃｂ＠１６３

ｃｏｒｎ。

万方数据

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都市快轨交通・第２０卷第４期２００７年８月

表１

顶管工程特点及设备性能要求一览表

序号

工程特点＿设眷槭：能要求

埋深大——项管

１

机埋深于黄河水面

要泉领管机承压能力强

下２３０ｍ

：考耋・耋耋｝奎，竺主奎：杀￥莱蓄嚣盖菜茬蒹菱；蠢萼堂翌苎兰量２。３。：对顸管机、顶管进出洞的施工安。妄竺量堂堂中１水柱高度达，耋高磊。≥Ｚ美西逞盏；幕；蔟￡２３ｍ．最川的肾乖性能郡提出３椎袖的晋乖

项管机穿越地层

泥术平衡压力控制要求高——泥地质条件差——中

慕注入系统具有自动调节功能，像

砂层呈单拉状蛄构．持混水压力与地屉水压力和土压力

成拱性差．尤其在水

平衡。对排土量能进行严格拄制．

位以下．易塌落．水减少地面沉降。顶管背部注装采用位发生变化时．套发同步注浆系统，能厦时有效地砖钢

生管涌、漉砂现象

管和地层闾的空隙进行充填要求项管机方向控制能力强——

激光导向系统和姿态控制系统有足

掘进方向要求够的掘进方向控制能力茂自动纠偏．

高——顶管机掘进

能力，保证项进方向误差不超过方向轴戡误差为

±５０叫ｎ。能对质管机姿态进行监剥±５０ｍｍ

度控制．井能显示报警，以便对顶管

机进行及时调整和采取必要措施．

确保顶管掘进的质量和安全

一次顶进距离

，长——最长的顶进

对注浆减磨、中继间的设置、测量。

距离为１２．５９ｍ，最短噩通风等长距离顶进施工的保障措

的项进距离ｌ１６６ｍ

施方面要求严格

在富水砂卵石、孤

顶管设备在破碎砾石、卵石、风化，

石、黏土、古树、钙质。

站棱层中等软硬不均岩石、钙质结棱层方面必须具有很复杂地层长距离项营强优势

黄河顶管工程工

７

竺笔，兰量竺篁苎莹口焊接时间比砼管

要求设备施工速度快，效率高

……～………’。

接口时间长得多

（７）地面沉降小。

４顶管帆刀盘和刀具选型

刀盘根据不同的形式分为面板式和辐条式。一般认为而板有挡土作用，有利于开挖而前方的土体稳定，｛日面板式月盘一般施工时扭矩要大一些，而辐条式刀盘扭矩较小，但对开挖面稳定不利，施工实践证明，辐条式刀盘的地嵌沉降确实大于面板式刀盘。所以，黄河顶管上程采用面板式刀盘，刀盘的直径为１．８

Ｉｌｌ。

在黄河顶管工程的地质巾，最突出的问题是刀具的耐磨性问题，在砂砾地层中，刀具的磨损很大，如果不采用高硬度的耐磨材料，势必存在中途换川的问题，增大施工的难度。

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万方数据

ｕＲ队ＮＲｂ．ＰＩＤ

ＲＡＩＬＴＲＡＮｓⅡ

黄河顶管丁程要求在透水性高的砂砾层和高水头环境中顶进，并保证最长顶进１２５９ｍ不中途换川。所以，川头的正面和侧面，均采』Ｈ超硬质合金ＰＰｃ３０（是目前世界上

最硬的合金），且为了提高其抗折断降，掺人稀有金属钴。

列头和母体之间采用银熔接，其强度大于铜熔接。母体表面采＿Ｉ＿｝】双层堆熔，厚度达３ｍｍ硬度相当于ＨＦ一８００Ｋ。

刀具采用中心切削刀、先行刀、外周刀和主切削刀等多种刀具，分别安装在刀盘中心、进泥口、刀盘面和刀盘外周，并使用超刀（超出顶管机外径５～１０ｍｍ）。主切削刀随刀架在顶进过程中按刀盘的旋转方向反向摇动（角度为

±８。），可有效防止磨耗，与同样材质的不摇动刀头相比，在同样条件下，可延长寿命１倍、两对主切削刀排，在面板上呈十字形布置，分别由独立的液压系统操作，一对工作，一对备用，既确保了全程顶进的完成，又最大程度地避免了在砂性土层中中途面板换刀时的复杂作业。

顶管机刀盘面板采用网状硬质合金堆焊对付在砂层中顶进时的磨耗，正面耐压达３５Ｉ。为防止土砂的浦人，进泥口设计成开闭式以平衡土压，面板后方没有搅拌翼。

顶管机的切削装置由刀具、刀盘、刀盘驱动装置以及推进装置构成，软土的切削主要是靠刮刀直接对土层进行剪切破坏来进行的。

黄河顶管工程刀盘和刀具选择的另一个较大的问题就是大的砾石和块石破碎的问题。在黄河顶管工程地层中含有大量孤石、大的卵石及古树等，必须采取相

应的对策。为此，在顶管机面板上采用滚刀，另外在顶管机机头内设置预留排障人孔。这种滚刀的特点是：①刀刃部分镶有超硬合金刀片，提高了耐磨性能；②容

许挤压力高，对硬岩的切人量较大。

滚刀破岩时，当其对岩石的挤压力超过岩石本身强度后，刀刃部分的合金刀片使岩石破碎，形成一道切

削淘槽，刀刃继续挤压至自身挤压力与岩石强度相等，再往罩挤压，岩石便产生龟裂，向剧围扩散，切削沟槽两侧的岩石剥离破碎。

用滚刀破碎硬岩的破岩机理见图２：

图２滚刀破岩机理

穿黄顶管机的刀盘形式见图３。

图３ＤＴ一１５００顶管机刀盘布置

在实际施Ｉ：中，根据３个区问的地质情况，分别采用了３种形式的川盘，顶进都非常顺利，证明这３种刀对各区间的地质情况都是适应的，这对类似地质情况下的刀盘选择有重要的参考作用。

５预管机二次破碎技术

考虑到黄河的水力切削作用，大量地表物被冲埋至地下，在顶管施工中肯定会遇到各种障碍物，在沉井施工时确实发现了大量孤石、直径大于３０ＣＩＩｌ的砾石、古树等障碍物，顶管机必须采用二次破碎装置。

黄河顶管Ｉ‘程的顶管机通过选用先进的滚刀装置，可实现大块石的破岩功能，即一次破碎的功能，通过一次破碎将砾右破碎成二破能接受的程度，然后由二次破碎将孤石破碎成能被输送的粒径。

对于含有孤石的复杂地层二次破碎至关再要，阁为仅靠一破达到能被输送（泥水管路输送）的粒径，将大大缩短刀具寿命，影响顶进速度。

黄河顶管Ｔ程的顶管机在刀鼎ｒ采用独特的圆锥形剪切破碎装置作为二次破碎，不仅能极有效地进行破碎，且因砾右是被机头本体的内外圆锥轧碎，故破碎过程巾预管机不易引起机身旋转，破碎时振动很小，对控制顶管姿态非常有利。图４是黄河顶管ｌ程采用的顶管机的圆锥破碎机形式。

当质管遇到前方的障碍物时，首先由刀盘上的滚刀将障碍物一次破碎成二次破碎能接受的程度，然后由圆锥破碎机把石块剪碎ｃ图５是刀盘和圆锥破碎机破碎孤石的示意图。施工实践证明，黄河顶管工程的＿＿＿二次破碎技术非常成功，在类似黄河的地层情况下有很好的推广价值。

万方数据

砾石破碎型泥水平衡顶管机的选型方法

剧４黄河顶管工程采用的圆锥破碎机形式

图５二次破碎原理示意图

６

设备的安全性和可靠性

顶管机的顶进面，通过隔仓板和机内完全隔离，

顶进面的砂上年｜Ｉ泥水，只能通过送排泥管路进出＝送水和排泥管路上，均设有阀门控制和压力、流量仪表监视系统。超长距离砂砾地层中顶进时的防磨损措施有：①刀盘的剪切破碎功能（第・次破碎）；②机头二次破碎功能（第一二次破碎）；③对黏上的防堵机能；③对付仝十质（除岩盘）功能；⑤采川的刀具酉己置；⑥采用摇动型上切削刀；⑦采用可更换使刚的备川刀排；⑧刀盘面板的强化和改造；⑨采用止水密封。

７

结ｉ吾

西气东输穿越黄河顶管工稗经过１年多的奋战

取得了圆满的成功。本次顶管机的选型是成功的关键，为类似Ｔ程的施ｌ‘积累ｒ极其宝贵的技术绨蛤

黄河顶管工程证明在含有障碍物的复杂多变的地层Ｌ卜｜施ｌ顶管，针对不同地层应该使用与之相适应的刀盘和刀具，刀具要能满足顶进最大距离的耍求．

ＵＲＢＡＮＲＡＰＩＤ

ＰＡＩＬＴＲＡＮＳｌｆ？蕾

部市捷轨交通・第２０卷第４期２００７年８月

刘于含有孤石等障碍物的地层，府采取二次破碎［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８７．

技术。黄河顶管工程采用的圆锥形剪蜘破碎装置振动［３］橱文渊．简明工程机械施工手册［Ｍ］北京：人民交通出

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＷｉｔｈｔｈｅＹｅｌｌｏｗＲｉｖｅｒｐｉｐｅｊａｃｋｉｎｇｐｒｏｊｅｃｔｉｎ“Ｗｅｓｔ－ＥａｓｔＧａｓＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”ｓｃｈｅｍｅ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｂｍ３＇ｂａｌ∞Ｋｅ；ｐｉｐｅｊａｃｋｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ；ｔｙｐｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎ

（上接第６７页）

铁施工时借鉴。

护用水采用棚内存储的温水。当混凝土内外温差呈现参考文献

下降趋势且小于１５℃时，可将保温层及塑料薄膜逐层揭丌，使混凝土散热。

【１］王红伟地铁车站使用阶段混凝土温度裂缝控制研宄

５温度测试

『Ｊ］都市快轨交通，２００６，１９（５）：８２—８４

［２］刘埘亚地镀叠合结构车站侧墙的温度开裂机理及控制

根据冬季施工要求，室外日平均气温连续５ｄ稳定［Ｊ］，都市快轨交通。２００５，１８（６）：４６’４９

在低于５℃时，即可进行测温。范罔包含：大气温度、［３］ＧＢ５０１５７－－２００３地铁设计规范ｌＳ］北京：中国４ｆ２，ｊ出版

水泥、水、砂了、石子等原材料的温度，混凝土或砂浆棚社．２００３

窒内温度，混凝上或砂浆出罐温度及入模或ｒ墙温度，ｆ４１李大建广州地铁超长水平冻结施工设计［Ｊ］都市快轨

其他需要测温时的温度。

交通，２００７，２０（２）：５５—５９

暖棚法施工保汪质量、经济可行，可缩短旌工工［５］李忠，何振华，芟治家，等，北京地铁暗挖车站二次结构施

期，本次暖棚法施工的成功经验，可供其他北方城市地

工技术［Ｊ］．都市快轨交通，２００７，２０（２）：６０’６２

ＣａｓｔｉｎｇＣｏｎｃｒｅｔｅｉｎＳｈｅｎｙａｎｇＳｕｂｗａｙ

ＰｒｏｊｅｃｔｓｄｕｒｉｎｇＷｉｎｔｅｒＳｅａｓｏｎ

ＣｈｅｎＴａｏ

（Ｓｈｅｎｙａｎｇ

ＳｕｂｗａｙＣｏｎｓｔｒｕｅｌｉｏｎＨｅａｄｑｕａｒｔｅｒｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００１Ｉ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｌｉｎｇｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓ

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