敞开式顶管机改造及洞内组装升级泥水平衡顶管机施工技术
——以深圳电网北环110 kV架空线改造入地电缆隧道工程为例

董志伟, 丁小彬, 杨永强, 张 超

(1. 中铁隧道集团二处有限公司， 河北 三河 065201； 2. 华南理工大学土木与交通学院， 广东 广州 510641)

0 引言

随着我国城市基础设施建设的快速发展，开发与利用城市地下空间已成为新世纪城市发展的必然[1]。顶管法施工在城市地下空间开发建设过程中经常被用到，它是一种不在地表开挖或尽量减少开挖地表的管道敷设施工技术[2]，具有可减少大量土方工程、减少拆迁并节约施工用地、对周围环境干扰小、不中断地面人流交通及物流运输活动等优点，在工程实践中体现出较高的社会效益和经济效益，特别适合管线穿越建筑物及交通线路，甚至穿越河道施工。目前机械顶管施工在越来越多的管道施工实践中得到大量应用，其中主要应用于城市给排水、电力管道、煤气管道、热力管道、通信电缆以及交通道路等施工中。但有时受地形和场地的限制，设备选型失败或设备故障，不得不对顶管机进行改造和洞内组装。

由于工程地质条件的改变，长沙湘江隧道工程[3]将一台NFM泥水平衡盾构的刀盘、主驱动控制系统进行改造，实际应用效果良好。新疆某水利工程1#施工支洞[4]由于开挖工况条件的改变，将现有的针对平支洞设计的硬岩敞开式掘进机设备改造成适用于缓斜隧洞的开挖。文献[5-7]在上海提高轨道交通建设标准的背景下，结合盾构小幅扩径改造设计，详细介绍了盾构改造的总体方案，并分析了其关键技术和改造价值。在西安市东月路雨水管道工程[8]施工中，对刀具和刀盘盘圈贝型刀磨损严重的管径为3 000 mm的土压平衡顶管进行了改造，所提出的刀具布置方式和刀具形状等技术措施提高了其使用寿命。徐震[9-10]通过分析盾构刀盘尺寸和质量对空间限制、结构受力与变形的影响，运用经验设计和仿真分析等方法，对无扩大隧道洞室中刀盘的"1+1"、"2+1"和"4+1" 3种分块拆解形式进行了比较分析。

许多工程对硬岩敞开式掘进机进行过洞内组装和内部系统改造，也有一些学者对盾构做了一些扩径方面的研究，以及对顶管刀头和刀盘做过一些改进，但几乎没有对顶管机做扩径改造和洞内组装的探索和研究成果。深圳电网北环110 kV架空线改造入地电缆隧道工程中航支线采用将原有的人工顶管机改造成泥水平衡顶管机，进行洞内组装后再继续施工，形成一套完整可靠的顶管机改造及洞内组装施工技术，以期为顶管机的改造及洞内组装提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程介绍

深圳电网北环110 kV架空线改造入地电缆隧道工程中航支线采用顶管法施工，顶管区间全长492.962 m，周边环境复杂，自深圳市中心公园内SJ4竖井始发，向东下穿中心公园、华富路，沿振兴路南侧人行道向东，止于中航变电站。其中，振兴路南侧管线密集、老旧低层建筑较多，顶管管道与振兴路南侧建筑物水平距离为2.5～3.8 m； 顶管隧道向上坡曲线顶进，转弯半径为2 700 m； 设计坡度为24.03‰。

根据钻孔勘察资料可得： 始发井SJ4至里程SZ1K0+164.4处，穿越地层主要为微风化花岗岩、中风化花岗岩和强风化花岗岩； 之后穿越地层主要为砾质黏性土。顶管前段穿越地层为岩层，可采用敞开式顶管机人工掘进； 后半段为黏性土层，为保障掘进过程中掌子面的稳定性，敞开式顶管机不再适用，可采用泥水平衡式顶管机掘进。

考虑周边环境、经济效益和施工速度，先采用敞开式顶管机(即人工顶管)施工100 m至里程SZ1K0+108.6处(中心公园内)，然后采用暗挖法施工后空推顶进至组装洞室(SZ1K0+164.4)处，在组装洞室进行泥水平衡顶管机组装，完成后继续顶进剩余的328.562 m，最后将顶管机从SJ4-1竖井吊出。顶管施工沿线周边环境如图1所示。

图1 顶管施工沿线周边环境示意图

由于本项目已有DN3 200泥水平衡顶管机的开挖直径(3 880 mm)与隧道洞室的大小(4 180 mm)不符，无法满足开挖要求； 同时，新购DN3 500泥水平衡顶管机成本较高，且已施工段顶管无法处理。因此，将项目部已有的DN3 200泥水平衡顶管机刀盘进行扩径改造，以满足开挖直径的要求。

1.2 工程地质及水文地质情况

顶管段主要上覆土层为素填土、粉质黏土、砾质黏性土及不同风化程度的花岗岩； 顶管前半部分主要穿越岩层，后半段穿越砾质黏性土层，岩层与黏性土层的交界处即为顶管机的改造段，改造段隧道拱顶埋深18.40 m。地质自上而下依次为： 素填土2.7 m，粉质黏土8.8 m，砾质黏性土7.6 m，全风化花岗岩3.4 m。其中洞身范围内主要为砾质黏性土与全风化花岗岩，围岩裂隙发育，遇水易崩解。地下水埋深5.17～5.72 m，主要受大气降水补给，水位变化随季节变化而异。工程地质剖面如图2所示。

图2 工程地质剖面图

1.3 施工技术难点

1.3.1 DN3 200泥水平衡顶管机动力系统改造

由于新购置DN3 500泥水平衡顶管机成本较高，考虑工程的经济效益，将已有的DN3 200泥水平衡顶管机进行改造，如何合理地配置动力系统是确保顺利完成施工任务的前提。

1.3.2 DN3 200顶管机刀盘扩径技术

由于拟改造的DN3 200刀盘直径为3 880 mm，而根据隧道洞室的设计要求，现需要扩径至4 180 mm，单边扩径达150 mm，采用何种方式连接刀盘将直接影响刀盘使用的耐久性。前期顶管法隧道采用全圆形断面，管节内径为 3.5 m，外径为 4.14 m，单节长度为2.5 m，单节质量约为26 t。顶管设计最大覆土深度为30 m。管接口为F形接口，钢尾套长度为145 mm，管节密封采用契形密封圈。

1.3.3 DN3 500刀盘分割技术

已施工管节最大空间为3 500 mm，而新加工刀盘外径为4 180 mm，需分割成为几块方可运输至洞内进行组装。刀盘的切割位置直接影响刀盘的洞内运输、洞内组装的工程量大小及刀盘的耐久性。

1.3.4 组装洞室施工技术

改造后的刀盘直径为4 180 mm，需开挖组装洞室。组装洞室在满足施工的前提下，应尽可能减小尺寸，降低开挖成本和安全风险。开挖断面的大小需要考虑地质条件和顶管机的形式、安装方式和采用的吊装设备，以及刀盘直径、组件尺寸等因素，在充分考虑扩挖洞室的功能特性、施工方法、衬砌结构形式、洞内组装、顶管机主机大件的摆放、部件转运所需的卸车区域等后确定。

1.3.5 顶管机组件洞内运输技术

新加工刀盘需分块多次运输至洞内扩挖洞室，其拼装点位较多，洞内上坡及变坡运输过程中保证刀盘完整性是重中之重，关乎拼装成败，且如果发生溜车，后果严重。

1.3.6 洞内刀盘拼装技术

刀盘为多块拼装式，采用螺栓及焊接固定，固定质量直接影响刀盘的使用寿命，动力系统的精度直接影响顶管机的性能。而隧道沿线不具备地表加固条件，如顶管机发生故障直接影响施工进度。

1.3.7 原有洞内敞开式顶管机改造

原敞开式顶管机前壳需加长475 mm并焊接锥体破碎泥水舱，然后在原敞开式顶管机焊接中隔板(中隔板预留600 mm×500 mm人孔，便于组装期间人员通行及后期检查修复刀具)并在泥水舱中设置冲洗管路。由于改造部位较多，改造质量直接影响顶管机性能，进而影响施工进度。

2 施工方案

2.1 具体方案

顶管机洞内改造与接续顶进面临多项施工与现场组织难题，具体包括顶管机动力系统分析、顶管机刀盘扩径、顶管机刀盘分隔、洞室扩挖、刀盘洞内运输、刀盘洞内组装、顶管机洞内改造、顶管接续顶进等。顶管机洞内改造施工组织工艺流程如图3所示，各部分具体方案分析如下。

图3 顶管机洞内改造施工工艺流程图

2.1.1 DN3 200顶管机动力系统分析

泥水平衡顶管机刀盘转矩主要由刀具切削阻力转矩T1、刀盘正面摩擦转矩T2、刀盘侧面摩擦转矩T3、刀盘开口处剪切转矩T4、刀盘背面摩擦转矩T5、泥水舱搅拌转矩T66个部分组成。刀盘总转矩[11]可表示为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

T6=p0us(naAara+nTATrT)。

(7)

式(1)-(7)中：qu为土体无侧限抗压强度；hmax为刀盘每转的最大切削深度；R0为最外圈刀具的半径；ξ为刀盘开口率；u为刀盘与土体间的摩擦因数；p0为刀盘中心处的泥水压力；Dc为刀盘直径；pr为刀盘周边的平均土压；t为刀盘轴向宽度；Qu为渣土抗剪强度；us为泥浆与刀盘背面的摩擦因数，可取0.25u；na为搅拌棒个数；Aa为搅拌棒断面面积；ra为搅拌棒到刀盘中心的平均距离；nT为支撑臂的个数；AT为支撑臂断面面积；rT为支撑臂到刀盘中心的平均距离。

根据文献[12]经验公式计算：

T=αD3。

(8)

式中：α为转矩系数，t·m，泥水平衡盾构可取1.0～1.51，本文取1.51；D为盾构直径，m。

顶管机改装后所需转矩计算结果如表1所示。

表1 顶管机改装后所需转矩计算值

现有DN3 200顶管机驱动轴直径560 mm，刀盘采用6台额定功率30 kW的电机，额定转速为1 470 r/min，刀盘转速为0～1 r/min(变频调速)，最大输出转矩为1 900 kN·m，大于计算所需的转矩值。因此DN3 200驱动设备完全适用本工程，无需增加动力。

2.1.2 DN3 200顶管机刀盘扩径至DN3 500

根据工程需要，将原DN3 200顶管机刀盘直径3 880 mm扩径至4 180 mm，经过严密的受力分析，采用在现有的配刀基础上在刀盘外部0.8 m的范围(含扩径部位)增设10把撕裂刀。辐条式刀盘总计配置76把撕裂刀(软岩刀具、撕裂岩层)、50把刮刀(切削土体)、24把贝型刀(效果同刮刀)。增设后刀具运行轨距满足切削4 180 mm直径范围内土体，得出刀盘扩径适用于本工程。刀盘扩径大样图如图4所示。

图4 刀盘扩径大样图(单位： mm)

2.1.3 DN3 500刀盘分割

从施工和受力角度分析，选择将刀盘体在刀盘副刀梁处割除，将刀盘分解成3部分，如图5和图6所示。

图5 刀盘切割示意图

(a)

(b)

1)刀盘直径为4 180 mm，已成型顶管隧道内径为3 500 mm，需保证刀盘通过成型管道运输至组装洞室，并保证后续洞内组装质量，分解块数不宜过多。

2)刀盘中心是刀盘稳定转动的固定点，分解成2块或者4块均会通过刀盘中心，后续拼装质量不能得到有效保证。

3)现有DN3 200刀盘在距离刀盘中心1.27 m位置处环向设有副刀梁，考虑刀盘中部整体性，从副刀梁位置拆解刀盘。

2.1.4 组装洞室施工

为保证洞内组装时刀盘能够自由翻转与预留足够的操作空间，综合考虑地质条件，顶管机的形式、安装方式和采用的吊装设备，刀盘直径，组件尺寸等因素，并充分考虑扩挖洞室的功能特性、施工方法、衬砌结构形式、洞内组装、顶管机主机大件的摆放、部件转运所需的卸车区域等，最终确定组装洞室的断面尺寸为： 宽5.8 m、高5.3 m、长4.7 m，渐变段的尺寸为1.5 m。

根据地质资料与实际开挖情况，将组装洞室设置于SZ1K0+158.2～+164.4段，采用矿山法施工组装洞室，支护参数为： 超前双层小导管间距为350 mm，格栅拱架间距为50 cm，锚网喷支护。扩挖洞室施工流程如图7所示。

图7 扩挖洞室施工流程图

2.1.5 顶管机组件洞内运输

刀盘洞内运输如图8所示。分割后的刀盘通过现场的轨道及平板小车多次运输至扩挖洞室，而新加工刀盘拼装点位较多，为了保证在洞内上坡及变坡运输过程中刀盘的完整性和运输的安全，采取以下措施： 采用缓冲材料包裹刀盘、严格控制车速减少震动、停车后随时安设阻车器。利用施工现场隧道内的轨道及平板小车，把顶管机的其他各部件运输至洞内。

2.1.6 洞内刀盘拼装

因顶管机各部件多为大体积、大自重构件，需要在隧道内安装一套用于顶管机洞内组装拆解的起重装置。洞内吊装装置为配合顶管机洞内组装的起重吊装装置，如图9所示，包括支撑支架、端头固定支架、吊装横梁、起重吊点(配合手拉葫芦)、起吊平台、支架基础等构件。

图9 洞内吊装装置

洞内起重吊装装置各部分组成如下。

1)支撑支架。双拼I22工字钢支架，三角形式，上部夹角50°，设置混凝土基础见图9。

2)固定支架。双拼I22工字钢支架，三角形式，上部夹角50°，基座焊接于顶管机外壳上。

3)吊装横梁。双拼I22工字钢横梁。

4)起吊平台。I22工字钢马凳形式(宽1.4 m，高1 m)，间距1 m 1组马凳，整体面铺1 cm厚钢板。

5)吊点。2 cm厚钢板穿孔制作，焊接于吊装横梁上，间距1 m。

6)基础。0.5 m×0.5 m×0.3 m混凝土基础(包裹支撑支架尾端，增设钢筋用以锚固)。

刀盘各部件经洞内运输到顶管扩挖洞室后，进行刀盘拼装、焊接和吊装工作。

为保证刀盘及动力系统的拼装精度，先在顶管机厂家进行刀盘及动力系统的厂内试拼装，严格检查加工质量； 同时进行模拟掘进试验，检测各项参数是否满足现场施工要求。刀盘在运输到组装洞室后，需要起吊反转，焊接，再起吊安装电机，最终完成安装。刀盘洞内拼装流程如图10所示。

(a) 洞内刀盘吊装安装要求

(b) 刀盘洞内起吊及转向准备焊接

(c) 刀盘体洞内翻转安装电机及临时吊放准备安装

(d) 刀盘拼装成型图

2.1.7 原有洞内敞开式顶管机改造

原敞开式顶管机锥体(空腔)长度、体积不满足泥水顶管泥水舱要求，需要对原敞开式顶管进行改造，如图11所示。

(a) 锥体加长及中隔板焊接示意图

(b) 锥体泥水舱焊接示意图

1)锥体加长及中隔板焊接。前壳体前方锥体段加长475 mm(外壳30 mm、斜锥25 mm)，增加前端密封中隔板(40 mm厚钢板)，中隔板上方开600 mm×500 mm人孔，保证封闭舱施工完成后进入前端安装刀盘与辅助设备拆除。

2)锥体泥水舱焊接及冲洗管路安装。在斜锥体内前端安装冲洗管路，锥体破碎泥水舱洞内焊接。

2.1.8 顶管机洞内组装

在顶管机各构件准备完善之后，洞内组装的关键在于高精度定位与各部件组装。在中隔板安装时采用了全站仪定点、激光测距仪、直角尺和水平仪辅助卡位，保证中隔板居中无偏斜； 齿轮箱基座采用全站仪确定基座安装位置的线路中心点，确保后续行星减速器中心、刀盘中心、线路中心在同一位置； 待齿轮箱基座固定后，安装齿轮箱与刀盘； 最后安装顶管机附属设备，包括动力设备(行星减速机、电机)、电气设备(机内配电箱、PLC、电缆、各种传感器)、纠偏设备(纠偏泵站，纠偏千斤顶，油管)、泥水循环设备(泥水旁通，进浆管，排浆管)，完成在洞内的组装。安装成型的顶管机如图12所示。

图12 安装成型的顶管机

3 质量控制措施

3.1 刀盘洞内拼装精度控制

刀盘在工厂分解为3部分的过程中，切割面存在材质损耗，重新拼装保证刀盘圆整度为控制要点。要求刀盘外弧各点至刀盘中心距离与理论刀盘半径公差控制在5 mm以内。

采用预制外弧直径4 180 mm、宽50 mm、外弧长500 mm的钢板卡具对刀盘拼装精度进行卡控。弧形卡具外沿紧贴拼装后刀盘外弧，配合游标卡尺精确测量卡具与刀盘外弧差距，通过焊缝进行纠偏，保证拼装成型刀盘圆整度符合要求。

3.2 焊接质量控制

刀盘为顶管机主要受力部件，焊接质量直接影响改造后顶管机的使用，焊缝质量应严格按照焊缝探伤标准执行。焊缝探伤标准如下：

1)Ⅰ、Ⅱ级焊缝必须经探伤检验，并符合验收规范的规定。

2)Ⅰ、Ⅱ级焊缝不得有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑等缺陷。Ⅱ级焊缝不得有表面气孔、夹渣、弧坑、裂纹、电弧擦伤等缺陷，且Ⅰ级焊缝不得有咬边、未焊满等缺陷。

3)焊缝外形均匀，焊道与焊道、焊道与基本金属之间过渡平滑，焊渣和飞溅物清除干净。

4)Ⅰ、Ⅱ级焊缝不允许出现表面气孔。

3.3 行星减速器基座定位

采用全站仪确定基座安装位置的线路中心点。全站仪在中隔板上放样出上下左右4个里程相同、偏距相同的点装上激光测距仪； 根据激光测距仪从四周测量数据微调行星减速器基座位置然后固定； 最后再使用全站仪反复复核及调整位置，确保后续行星减速器中心、刀盘中心、线路中心在同一位置。

4 实施效果

该工程项目先通过顶管机改造适应现有的施工条件，然后采用暗挖法施工组装洞室，并在洞内完成刀盘的拼装及顶管机的洞内改造升级，顺利完成该段顶管施工任务，施工期间最高日进尺10 m，区间最大沉降量18 mm。

5 结论与建议

本文依托深圳电网北环110 kV架空线改造入地电缆隧道工程，提出一种敞开式顶管机改造及洞内组装升级泥水平衡顶管机施工技术，主要结论如下：

1)在顶管施工过程中，面临顶管机型失败、工期压力、突发地质问题等恶劣条件，本项研究完成了顶管机洞内组装、改造升级与接续顶进的挑战，为顶管的施工提供了新的设计思路。

2)在顶管机改造技术中，需要对改造后顶管机的动力系统进行科学分析，保证动力的可行性； 从刀盘直径、组件尺寸、衬砌方式、洞内空间等因素综合考虑，选择合理的设计刀盘分隔方案； 从地质条件、组件尺寸等因素考虑，合理安排组装洞室的开挖施工； 最后严格按照设计预案完成顶管机组件的洞内运输、吊装与总成安装的环节。

3)本研究通过DN3 200顶管机动力系统改造、DN3 200顶管机刀盘扩径至DN3 500技术、DN3 500刀盘分割技术、组装洞室、顶管机洞内运输、洞内刀盘拼装、原有洞内敞开式顶管机改造、顶管机组装、顶管机接续顶进等措施，形成了一整套完整的工艺流程，完成了在施工边界条件限制下和有限空间内对设备改造升级和安装调试，并成功完成了接续顶进，保证了项目的顺利如期完工。

4)对于未来城市中心区，顶管施工的周边环境及地质情况会越来越复杂，设备不适应或发生故障的可能性不断增大，对闲置或老化的顶管设备进行改造和升级，不仅可以提高顶管机的寿命，并能缩短工期，减小工程造价，具有重要的经济意义。