范 磊

(中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州 450016)



富水砂卵石地层矩形顶管机的研究及应用
——结合成都川大下穿人民南路人行通道工程

范 磊

(中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州 450016)

以成都川大下穿人民南路人行通道矩形顶管项目为依托，对富水砂卵石地层矩形顶管机关键技术进行研究。1)为探索同平面多刀盘联合开挖矩形断面技术，采用ANSYS Workbench有限元仿真分析方法对刀盘结构进行优化，得出： 刀盘采用箱体式4辐条结构外加大圆环支撑形式，可满足强度需求的同时有效提高刀盘开口率。2)研究针对大粒径卵石的双螺旋输送机排渣技术，利用ANSYS仿真分析对螺旋叶片厚度进行优化，通过工业性试验表明： 大直径、大节距螺旋叶片设计可有效提高卵石地层的排渣效果，实现450 mm粒径卵石的顺利排出。3)采用正交试验对掘进过程中渣土改良工艺进行研究，获得适应该地层的渣土改良方案。

矩形顶管机； 富水砂卵石地层； 大节距螺旋输送机； 渣土改良； 人行通道

0 引言

随着我国城镇化的快速推进，城市建设发展速度越来越快，交通运输对城市建设发展的作用更加凸显。由于城市地面交通受到各方面的限制，发展空间有限，于是要求建设更多的地下通道，如地铁车站进出口、过街通道、城市地下管线、共同管沟和地下停车库等。

矩形顶管法是一种广泛用于上述隧道的非开挖施工工艺，通过刀具切削土体，将切削下来的渣土排出工作井，并利用工作井内液压油缸推动顶管机和管节前进，从而达到铺设管道的目的。其相比圆形顶管具有空间利用率高、覆土浅的优点，受到越来越多的施工单位的青睐[1-3]。目前，国内外制造的矩形顶管机的适用地层相对单一，主要适用于淤泥、黏土、粉土、砂土等软土地层[4-5]，针对富水砂卵石地层矩形顶管机的研究鲜有涉及。

砂卵石地层从力学机制上表现为强烈的不稳定性，主要特征为岩体松散、无胶结、自稳能力差、围岩体整体强度较低但单个岩块强度高。由于骨架作用，其易于形成临界拱，但在顶管机掘进通过后又会因多种原因诱发突然的坍塌，失稳机制极其复杂[6-8]。矩形顶管机在卵石层中掘进，其主要问题表现为： 1)疏松砂卵石地层反应非常灵敏，刀盘旋转切削时，极易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生流砂或坍塌，引起较大的地层损失和围岩扰动，导致开挖面失稳； 2)密实砂卵石地层的塑流性差，土舱内的传感器较难反映真实的工作压力，开挖面难以保持稳定，对渣土改良提出了挑战； 3)排土相对困难，导致大颗粒卵石在土舱内滞留或向顶管机四周移动，使得顶管机位置和姿态控制变得困难，严重时会发生堵塞，致使顶管机无法推进[9-13]。上述问题给砂卵石地层矩形顶管的研究带来了挑战。

本文依托成都川大下穿人民南路人行通道工程，针对砂卵石地层的特点，通过模拟仿真和试验分析对矩形顶管关键技术进行研究，为砂卵石地层矩形顶管机的设计及应用提供参考。

1 依托工程概况

该矩形顶管机依托成都川大下穿人民南路人行通道项目进行试验研究，如图1所示。项目位于成都市人民南路3段，华西第四医院正门南侧约20 m处。下穿隧道顶管段长度为56 m，埋深4.8 m，施工断面尺寸为6.02 m×4.52 m； 顶管上方布置有约15条各类市政管线，距离管线最近距离仅0.5 m； 顶管下方为正在运营的地铁1号线，距地铁隧道顶板仅3.1 m。

图1 成都川大下穿人民南路人行通道效果图(单位： m)Fig. 1 Effect of pedestrian passageway on South Renminlu crossing underneath Sichuan University in Chengdu (m)

根据地勘资料，顶管机穿越地层以中密卵石为主，局部夹杂中砂、稍密卵石、密实卵石，地下水静止水位埋深为4～5 m，如图2所示。卵石含量为60%～70%，粒径以4～10 cm为主，填充物为细砂、圆砾及局部漂石。

图2 掘进区域地质断面图Fig. 2 Geological profile of excavating area

地下通道地处市区繁华地段、施工管线错综复杂，施工要求为“上保路面交通不中断，中保市政管线不渗漏，下保地铁运营不停止”，采用常规明挖、管棚等工法无法完成，故采用矩形顶管法施工。同时，由于砂卵石地层的不稳定性，给矩形顶管机的设计带来诸多难题： 1)适应富水砂卵石地层的隧道矩形断面的开挖方式及刀盘结构形式； 2)大粒径卵石排渣技术； 3)砂卵石地层渣土改良策略及沉降控制保压方式。上述问题是制约砂卵石地层矩形顶管机研发的关键。

2 关键技术研究

2.1 同平面多刀盘联合开挖矩形断面形式

2.1.1 刀盘布置形式

砂卵石地层包含细砂，具有流动性强、稳定性差的特点，采用多个刀盘前后组合交叉排布的常规开挖形式为流砂喷涌提供了空间，易引起土体坍塌；摆动刀盘开挖形式可以实现全断面开挖，但对地面扰动大，地表沉降难以控制，渣土搅拌不够充分、改良效果差[2]。因此，采用大(φ2 200 mm，4个)、中(φ1 630 mm，2个)、小(φ1 200 mm，2个)多刀盘同平面布置形式(如图3所示)，实现对掌子面有效支撑的同时，使开挖盲区最小化(15.93%)，并显著增大刀盘的渣土搅拌区域(达31.45%)；此外，开挖盲区预留盲区处理接口，可连接单电机驱动鱼尾刀盘或连接万向球头风钻，对开挖盲区可能存在的大型障碍物进行处理，同时在盾壳盲区位置布置盾壳切刀，实现砂卵石地层的矩形断面开挖。

图3 刀盘布置形式Fig. 3 Layout mode of cutterheads

该地层的卵石含量较高，同时大漂石(200～350 mm粒径)分布随机性强、在局部富集层的含量高达10%～20%，采用顶管施工时，刀盘、刀具磨损严重。为此，不同于常规软土矩形顶管刀盘结构形式，除布置刮刀外，在多刀盘4辐条箱体结构加大圆环刀盘体上又集成布置有滚刀和撕裂刀，使刀盘具有足够的开口率，在保证渣土顺畅流动的同时，具备较好的破岩能力。φ2 200 mm复合刀盘如图4所示。

图4 φ2 200 mm复合刀盘Fig. 4 Recombination cutterhead with diameter of 2 200 mm

2.1.2 刀盘强度分析

通过4辐条箱体以及可布置保径刀的大圆环加强体设计，实现了集刮刀、滚刀、撕裂刀于一体的刀盘布置形式。常规复合刀盘的直径一般较大(≥6 000 mm)，为确保该类型刀盘体在富水砂卵石地层施工过程中的安全稳定性，采用ANSYS Workbench对其强度进行有限元仿真分析。刀盘刀具受力主要分布在辐条上的切刀以及刀箱中的滚刀上，滚刀计算时将滚刀刀箱与辐条简化为一体。刀盘承受的轴向推力为前方土体传递过来的土压力(根据顶管机设计规范，一般取土压力值为500 kN/m2)，以均布载荷方式施加于辐条面板上；刀盘承受最大扭矩取主驱动额定扭矩472.5 kN·m，作用在整个刀盘面板上，约束刀盘筒体圆环内表面全部自由度。通过有限元分析，得到φ2 200 mm刀盘的应力及变形云图，如图5所示。采用相同方法对φ1 630 mm刀盘(扭矩取主驱动额定扭矩183 kN·m)和φ1 200 mm刀盘(扭矩取主驱动额定扭矩50.5 kN·m)进行仿真分析，结果见表1。

(a) 应力云图(单位： MPa)

(b) 变形云图(单位： mm)

Fig. 5 Finite element analysis of cutterhead with diameter of 2 200 mm

表1 刀盘仿真结果

φ2 200、φ1 630、φ1 200 mm 3种刀盘经仿真分析，其最大屈服应力均小于Q345B材料许用应力230 MPa，变形率均小于0.1%，满足刀盘的强度及刚度要求。

2.2 大粒径卵石的双螺旋输送机出渣

为实现砂卵石地层中较大直径卵石(最大粒径400 mm)的顺利排出，采用大直径(706 mm)、大节距(650 mm)双螺旋输送机设计，形成“以排为主，以破为辅”的排渣机制。螺旋输送机结构如图6所示。同时，根据砂卵石地层卵石排出特点，针对性地在螺旋叶片外圈迎渣面侧倒角，避免卵石等异物卡在叶片与螺旋输送机筒壁之间。在卵石地层，渣土在螺旋输送机中的输送环境明显恶劣于软土地层。螺旋输送机的强度主要取决于螺旋叶片的厚度，为保证结构强度满足要求的同时尽可能实现结构的轻量化，对螺旋输送机整体进行仿真分析(如图7所示)，并针对螺旋叶片厚度进行优化仿真试验。模拟砂卵石地层螺旋输送机工作环境，对螺旋叶片施加边界条件为：一端1倍节距范围内添加约束，余部叶片外圈添加螺旋输送机额定驱动扭矩为86.4 kN·m。100、80、60 mm 3种厚度的螺旋输送机叶片仿真分析结果如表2所示。

(a) 螺旋输送机三维模型

(b) 双螺旋输送机实物

图7 螺旋输送机应力云图(单位： MPa)Fig. 7 Stress nephogram of screw conveyor (MPa)

表2 不同厚度螺旋叶片的强度和刚度比较

Table 2 Comparison among screw blades with different thicknesses in terms of intensity and rigidity

螺旋叶片厚度/mm最大应力值/MPa最大变形量/mm变形率/%100200．5743．770．006780254．8367．770．010460350．44127．000．0195

从仿真结果可以看出： 只有螺旋叶片厚度达到100 mm时，其最大应力才小于Q345B材料的许用应力230 MPa，变形率也小于0.01%，满足螺旋输送机出渣的强度及刚度要求，因而将螺旋叶片厚度定为100 mm。

2.3 渣土改良试验

砂卵石地层富水而有极强的流塑性，但由于项目施工中采取了一定的降水措施，地层失水后具有极强的骨架效应、不容易流动，导致排渣困难；同时，由于卵石的作用，在渣土改良不佳的情况下土舱内传感器较难反映真实的工作压力，使开挖面难以保持稳定，对沉降控制形成压力。砂卵石地层渣土改良效果直接影响到矩形顶管掘进状态及地层稳定性。为探索适应该地层的渣土改良方案，采用正交试验方法[13]对掘进过程中渣土改良工艺进行研究。

前期通过坍落度试验、搅拌试验和细观试验等方法研究了泡沫、膨润土浆液、黏土对砂卵石地层的改良效果，并参考砂卵石地层盾构施工经验，得出该地层渣土改良剂配比。1)泡沫配比： 泡沫混合液中原液(上海纳克牌)质量占比3%，其余为水；泡沫组成中混合液质量占比10%，其余为空气。2)改良膨润土配比： 1 m3的水和62.5 kg的钠基膨润土(湖南飞来峰牌)，制浆设备如图8所示。3)黏土配比： 1 m3的水和600 kg的钙基膨润土(绵阳堃方牌)，制浆设备如图9所示。

图8 改良膨润土制浆设备Fig. 8 Pulping equipment of modified bentonite

图9 黏土制浆设备Fig. 9 Pulping equipment of clay

在试验状态下，不同改良剂对卵石地层渣土改良均有一定效果，而在实际工程应用中，由于工况复杂，改良剂的选用显得尤为重要。选择砂卵石地层渣土改良3种改良剂及其不同注入位置进行正交试验[14]，在改良剂配比一定的情况下，渣土改良效果的各影响因素、水平如表3所示。

表3 渣土改良效果的各影响因素、水平

Table 3 Influencing factors and levels of ground conditioning effect

水平试验因素泡沫(A)改良膨润土(B)黏土(C)1土舱下部注入土舱下部注入土舱上部注入2土舱中部注入土舱上部注入土舱下部注入3不注入不注入不注入4全断面注入全断面注入全断面注入

考虑到富水砂卵石地层情况，渣土改良效果好坏的试验指标定为： 1)卵石包裹出渣是否流畅； 2)由于在该浅覆土、富水砂卵石地层常发生地面冒浆情况(如图10所示)，因此将有无冒浆作为试验评价指标之一，以地面无冒浆为优。为量化试验指标差异，引入打分机制，试验评价指标见表4和表5。

L16(43)正交试验设计见表6，渣土改良情况如图11所示。各条件下渣土改良效果不同，试验结果见表6，对2个指标影响因素的极差分析结果见表7和表8。

图10 绿化带处地面冒浆Fig. 10 Mud spillover at green belt

表4 卵石包裹出渣情况评价打分表Table 4 Evaluation for cobble mucking

表5 冒浆情况评价打分表Table 5 Evaluation for mud spillover

表6 L16(43)正交试验设计及试验结果Table 6 Orthogonal test of L16(43)

(a) 出渣流畅 (b) 出渣过干 (c) 黏土过多

图11 渣土改良效果对比
Fig. 11 Ground conditioning effects

表7 卵石包裹出渣影响因素极差分析结果

Table 7 Factors variance analysis results of pebble wrapped slag situation

试验因素泡沫(A)改良膨润土(B)黏土(C)K171110K21279K3688K411109k11．752．752．50k23．001．752．25k31．502．002．00k42．752．502．25极差1．501．000．50最优解A2B1C1

注：Ki为水平为i的指标累积和；ki为水平为i的指标平均值； 极差为各水平指标平均值的极大值与极小值之差。下同。

表8 冒浆影响因素分析结果Table 8 Factors variance analysis results of mud spillover

由卵石包裹出渣影响因素极差分析，确定最优方案为A2B1C1。根据冒浆影响因素极差分析，对冒浆现场产生影响的主要因素为C，A、B因素的影响较小；C1(第1水平)和C4(第4水平)具有相同的数值，考虑到1、4水平的包含关系，要达到最优试验指标，需满足C1水平(即黏土由土舱上部注入)。综上，通过各因素对各指标影响的综合平衡法分析，得到较好的试验方案为A2B1C1，即： 泡沫由土舱中部注入，改良膨润土由土舱下部注入，黏土由土舱上部注入。

由正交试验结果可以看出，在砂卵石地层，必须添加泡沫和膨润土改良剂。通过采取中部注入泡沫、下部注入膨润土，渣土能够较好地包裹卵石并携带排出，具有良好的出渣流动性，掘进速度也较为理想；同时，黏土于土舱上部注入，不仅解决了由于刀盘搅拌不均导致螺旋输送机出现间断性涌浆的问题，而且在土压舱与上部开挖土体间形成泥膜，避免了浅覆土砂卵石地层发生掘进冒浆的现象发生。上述改良措施在工业试验后期得到应用直至项目结束，在整个施工过程中，渣土改良效果良好且出渣顺利，进一步验证了上述改良措施的地层适应性。

3 工程应用

该矩形顶管机已完成成都川大下穿人民南路人行通道施工。工程前期存在渣土改良不好、排渣不畅等问题，后期通过针对性渣土改良试验，较好地完成了整个标段的施工掘进，通过大节距螺旋输送机实现了450 mm粒径卵石的顺利排出，并创造了矩形顶管在密实砂卵石地层日掘进3.8 m的优异成绩。矩形顶管机具体施工情况如图12所示。

图12 矩形顶管机施工情况统计(2016年)Fig. 12 Statistics of construction of rectangular pipe jacking in 2016

顶推力与掘进里程关系曲线如图13所示。在正常掘进阶段，顶推力的波浪性变化是由掘进各阶段地质变化及盾体、管节处减磨膨润土注入不均所引起，随着掘进距离增加整体呈线性递增，其在Origin中拟合曲线为y=231.67x+ 6 751.46(y为顶推力，x为掘进距离)，与理论计算值相近。顶推力理论计算公式为

F=F管片摩阻+F迎面阻力=l·f·x+S·γ·H[15]。

式中：l为管节的周长，m；x为管道设计顶进长度，m；f为管道外壁与土的平均摩擦阻力，kN/m2；S为顶管机开挖面积，m2；γ为卵石地层重度，kN/m3；H为覆盖层厚度，m。

通过对比理论计算公式，得到该地层管道外壁与土的平均摩擦阻力f=12 kN/m2，为该地层矩形顶管顶推力的设计计算提供了借鉴。

在正常掘进阶段，土舱压力、沉降监测统计如图14和图15所示。由图可知，矩形顶管两侧的渣土压力差值小于0.04 MPa，且压力变化平稳，说明土舱内渣土流动性较好；正常掘进过程中开挖沉降量控制在5 mm以内，可判断刀盘的开挖形式对地层的扰动较小且渣土压力传递较好。

图13 顶推力与掘进里程曲线图Fig. 13 Relationship between thrusting forces and tunneling miles

图14 左、右侧土舱压力监测统计

Fig. 14 Statistics of earth pressures monitored on left side and that on right side of soil chamber

图15 开挖沉降监测统计Fig. 15 Statistics of ground surface settlements

4 结论与讨论

以成都川大下穿人民南路人行通道矩形顶管项目为依托，对适用于该砂卵石地层矩形顶管机关键技术进行了研究，主要结论如下。

1)探索了同平面多刀盘联合开挖矩形断面技术，并通过ANSYS Workbench有限元仿真分析对刀盘的结构形式进行了优化。刀盘采用箱体式4辐条结构外加大圆环支撑形式，可满足强度需求的同时有效提高刀盘开口率。

2)研究了大粒径卵石双螺旋输送机排渣技术，通过ANSYS仿真分析优化了螺旋叶片厚度，同时经过工业性试验表明： 大直径、大节距螺旋叶片设计可有效提高卵石地层的排渣效果，可以实现450 mm粒径卵石的顺利排出。

3)采用正交试验的方法，对矩形顶管掘进过程中渣土改良工艺进行工业性试验，建立了一套完整的渣土改良试验方法，得到适应砂卵石地层的“泡沫+膨润土改良剂+黏土”的综合渣土改良方案。

该项目研究为后续富水砂卵石地层矩形顶管机的设计及应用提供了借鉴，同时证明矩形顶管工法具有广泛的地质适应性及应用前景。良好的渣土改良措施对出渣效率影响较大，为避免工期拖延，建议顶管设备在未有施工案例的地层施工前，预先进行渣土改良试验，得到适应当地地层的渣土改良方案。

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我国内河最大沉管隧道通车

经过3年多的紧张建设，我国内河最大的沉管隧道——主线全长2 650 m的南昌红谷隧道于2017年7月7日通车运行。最快只需3 min，即可驱车穿越江西省最大的河流。

为有效缓解交通压力，隧道两岸设置多个进出口与区域路网衔接。南昌市政公用集团红谷隧道项目副经理万超介绍：“因老城区相关市政道路未完善，先开通红谷滩新区的全部出入口，东岸(老城区)先行开放中山西路1对出入口和朝阳洲中路1个出口共3条匝道进行试通行。”

红谷隧道建设还有3“最”： 一是设置了深16 m、占地面积约20万m2的明挖基坑用于预制沉管，成为亚洲最大的内河异地巨型干坞； 二是在东岸建成国内最大的水下立交，全长2 997 m，系统面积约5万m2，由3进4出共7条匝道组成； 三是在国内首创水下立交疏散中心，疏散大厅整体面积403 m2，配备全长194 m的逃生通道。

红谷隧道的建成，对于构建赣江两岸新旧城区经济圈、助推红谷滩CBD中心的快速发展具有重要意义，将有力促进南昌市实现“沿江而下，双城夹江”的城市格局。

(摘自 新华网 http://news.xinhuanet.com/local/2017-07/07/c_1121282244.htm)

Study and Application of Rectangular Pipe Jacking Machine to Pedestrian Passageway on South Renminlu Crossing Underneath Sichuan University in Chengdu with Water-rich Sandy Cobble Strata

FAN Lei

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

The key technologies of rectangular pipe jacking machine used in pedestrian passageway on South Renminlu crossing underneath Sichuan University in Chengdu with water-rich sandy cobble strata are studied. The structure of the cutterhead is optimized by finite element simulation analysis method ANSYS Workbench so as to explore the technology of excavating rectangular cross-section using multi-cutterhead arranged on a same plane.The box-type with four spokes + ring-form support is adopted for the cutterhead which can meet the strength requirements and improve the opening rate. The thickness of the screw blade of double screw conveyor is optimized by ANSYS simulation analysis. The industrial test shows that the screw conveyor with large diameter and large pitch can effectively improve the mucking effect of large diameter cobble (larger than 450 mm). In addition, the orthogonal test is used to carry out soil conditioning; and proper ground conditioning scheme is obtained.

rectangular pipe jacking machine; water-rich sandy cobble strata; screw conveyor with large pitch; ground conditioning; pedestrian passageway

2016-10-25;

2017-04-10

范磊 (1986—)，男，河南驻马店人，2009年毕业于郑州航空工业管理学院，机械设计制造及其自动化专业，本科，工程师，主要从事隧道与地下工程装备设计与研发工作。E-mail: 5221@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.07.018

U 455.3

A

1672-741X(2017)07-0899-08