一種用于成都砂卵石地層的矩形頂管刀盤設計

陳世友，范 磊，徐德帆，龔廷民

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

隨著我國城市化建設的不斷推進與發展，頂管法施工以其不需要開挖地面、占地面積少、交通影響小、開挖速度快、經濟、環保的優勢在綜合管廊、地下通道等項目建設中不斷發揮重要作用[1]。

矩形頂管法施工是一種廣泛用于矩形隧道施工的非開挖工藝。其相比圓形頂管具有空間利用率高、成本低的優點，正在越來越多受到施工單位的青睞，矩形頂管機施工時，刀盤通過旋轉切削土層，將切削下來的渣土排出工作井，并利用工作井內液壓油缸推動頂管機和管節前進，從而達到鋪設管道的目的。

目前，國內制造的矩形頂管機適用的地層相對單一，主要適用于淤泥、黏土、粉土、沙土等軟土地層，針對川大下穿人民南路富水砂卵石該種復合地層的矩形頂管案例國內還鮮有涉及，這主要是因為地層穩定性差且含有流沙，隧道開挖時無法自然形成力拱，施工風險較大[2～3]。

在頂管施工中，設備的選型起到了重要的作用，刀盤是頂管機中最關鍵的組成部分，它直接與待開挖巖土接觸，用以切削工作面的土層以及擠壓破碎巖層，為管道順利頂進創造空間。頂管機施工過程中會遇到各種不同的地層，從淤泥、粘土、砂層到軟巖及硬巖等。因此，刀盤、刀具必須根據地質情況進行針對性的設計。

1 工程概況

1.1 工程設計概況

川大下穿人民南路人行通道項目位于成都市人民南路三段，華西第四醫院正門南側約20m處。工程包括新建東側的地下3層停車場、1個過街人行通道連接附二院既有的停車場、一部垂直電梯。過街通道下穿人民南路，上跨地鐵1號線。頂管隧道施工部署如圖1所示。

圖1 頂管隧道施工部署

工程設計采用的矩形管節外部尺寸為6 000mm×4 500mm，管節厚度為500mm，其地下人行通道底板埋深9.3m，頂板埋深4.8m。工程采用土壓平衡頂管施工工藝施工。

工程管道長度為56m，場地所在路面高程為498.23m。其水文地質情況為：頂板上部覆土依次為地面道路路面結構層、雜填土、粉質粘土、砂層、松散卵石。頂管穿越地層為松散卵石和稍密卵石，局部為砂層。各土層工程特性指標見表1所示。

表1 土層巖土工程特性指標

1.2 區域交通情況

頂管下穿人民南路、上跨地鐵1號線，始發井設置在人民南路東側人行道區域內，接受井設置在人民南路西側人行道區域內。該段落人民南路東側人行道寬約20m，擬施工打圍占道路寬15m，出入口可設在華西美廬所在路口，工程車輛均可直接進入施工場地內。

1.3 地面障礙物及地下管線情況

經現場踏勘，該段落人民南路地下管線有污水管、雨水管、給水管、燃氣管、電訊管線、電力管線及電力淺溝，均位于車行輔道、人行道及綠化帶內，順路線方向布置。主車道下布置有地鐵隧道，未布置其它市政管線，路面高程498.23m。地鐵1號線基本順路線方向布置（斜交角度較小），地鐵隧道結構頂板高程485.6m，距地面12.6m。埋深最大的污水管，管底距地面4.7m，距人行通道頂板1.1m。

2 刀盤設計

2.1 刀盤布置形式

由于工程周邊地下管線較多，且要橫穿地鐵1號線上部，為避免對地下管線產生不利影響，工程應嚴格考慮地面的沉降，地面沉降的范圍是+10～-30mm，因此，頂管掘進時，應隨時對壓注漿液進行全程監控、勤測量，確保工程慢速、連續、平穩的頂進。

富水砂卵石地層穩定性差且含有細砂，流動性強，在隧道開挖時無法形成自然力拱（掌子面不穩定），常用的前后品字形刀盤布置的方式為流沙噴涌提供了空間，易引起土體的坍塌，因此不適宜于該種地質的布置。為盡可能維持掌子面的穩定，防止大粒徑卵石卡住刀盤，避免刀盤和軸承的損壞，該矩形頂管機將10個刀盤配置在同一平面內協同工作（圖2），顯著增大了刀盤的攪拌區域（達31.45%），保證了渣土攪拌的充分，使渣土具有良好的流動性、塑性和止水性，能夠有效控制地表沉降。

圖2 刀盤同平面布置圖

2.2 刀盤結構設計

矩形頂管項目穿越地層主要為松散卵石和稍密卵石層、局部為砂層，刀盤設計須考慮足夠大的開口率，并使刀盤具備破巖能力。

矩形頂管刀盤配置?2 200mm、?1 630mm、?1 220mm、?520mm 4種開挖直徑刀盤，刀盤結構是依據項目地質特點進行針對性設計的。

圖3所示的是用于該矩形頂管的?2 200mm刀盤，該刀盤為輻條式刀盤，刀盤結構主要由4個刀梁及外部大圓環組成，刀盤背面焊接有主動攪拌棒，對土倉內的渣土進行改善，攪拌棒采用嵌入輻條式刀盤箱型結構的方式，以增強攪拌棒整體抗沖擊性能；刀盤面板上設有渣土改良噴口，背部配有疏通管路；刀盤中心為魚尾刀，正面配置鑲硬質合金的切刀與撕裂刀。刀盤結構設計主要有以下特點：①刀盤的開口形式：該刀盤開口率30%，其結構形式既保證能夠安裝滾刀，又有利于碴土的流動。土體容易進入土倉，其土倉中的土體密度及壓力更接近開挖面的土體密度與壓力，因此，便于土倉中土壓力的控制；②刀盤與開挖面之間接觸面積小，碴土不易堆積在刀盤與開挖面之間。因此，刀盤不容易產生“泥餅”堵塞現象，并減輕了刀盤與刀具的磨損，并且能降低刀盤切削扭矩；③耐磨設計：刀粱的周邊堆焊有耐磨層，耐磨焊條采用DIN8555:MSG6-60GZ，硬度可達到57-62HRC，刀盤面板焊接格柵狀耐磨材料，充分保證了刀盤在不良地質掘進的耐磨性能；④刀盤上配置合理數量改良劑（泡沫或水）注入口，保證添加劑均勻的注入開挖面，以改善開挖土的流塑性，刀盤改良噴口設計如圖4所示。

圖3 刀盤結構圖

圖4 刀盤改良噴口設計

2.3 刀盤刀具的切削原理

針對川大下穿人民南路人行通道項目地質情況，該矩形頂管機刀盤的刀具主要分為軟土、硬巖刀具兩種，軟土刀具分為中心魚尾刀、撕裂刀、切刀，硬巖刀具以滾刀為主，以下針對各種刀具切削原理做簡要分析。

1）中心魚尾刀 中心魚尾刀超前其它各種刀具布置，其切削時首先利用刀尖部分切削中心部位小圓斷面，而后擴大到全斷面切削提提；其根部通常設計為錐形，使刀盤旋轉時隨魚尾刀切削下來的土體，在切向、徑向運動的基礎上，又增加一項翻轉運動，這樣既可解決中心部分土體的切削問題和改善土體流動特性，又大幅提高了頂管機的整體掘進水平。

2）撕裂刀 超前切刀布置，撕裂刀在切刀切削土體之前先行切削土體，將土體切割分塊，為切刀創造良好的切削條件。采用撕裂刀，可顯著增加切削土體的流動性，大大降低切刀的扭矩，提高切刀的切削效率，減少切刀的磨耗。

3）切刀 刀具隨刀盤旋轉對開挖面土體產生軸向(沿隧道前進方向)剪切力和徑向(刀盤旋轉切線方向)切削力，不斷將開挖面前方土體切削下來。

4）滾刀 滾刀在推力和滾動力的作用下，滾動力使刀圈滾壓巖體。通過滾刀對巖體的擠壓和剪切使巖體發生破碎，巖石產生龜裂，向周圍擴散，切削溝槽兩側的巖石剝離破碎，圖5為盤興滾刀破巖機理示意圖。

圖5 盤形滾刀破巖狀態示意圖

2.4 刀盤刀具的布局與配置

刀具布置遵循全斷面切削布置的特點；切刀成對布置，內少外多，保證磨損均衡；各個輻條布置切刀數量盡量一致，保證力矩均衡。

刀具在刀盤上的布置方式主要有阿基米德螺線布置法和同心圓布置法，但目前采用較多的是阿基米德螺線布置法[4]，阿基米德螺旋線如圖6所示。

圖6 阿基米德螺旋線

阿基米德螺旋線極坐標的描述為

式中ρ——極軸（mm）；

ρ0——頂管機刀盤直徑（mm）；

α——常系數（r/min）；

θ——極角（°）。

螺距Δρ=2πα

主切削刀的數量

式中b1——主切削刀頭寬度；

b2——外周切削到頭寬度；

d2——刀盤切削外徑；

d3——中心刀長度。

對上式取整后得到N0，主切削刀與中心刀重疊量為

最小螺線間距為Δρ=mnb1，其中mn為內圈輻條數。

由上式得到常系數α=Δρ/2π

該公式所得最小螺線間距是保證全斷面切割的基本條件，因此在刀具布置方面根據實際地質情況常做一些調整，使各刀具切割軌跡有重疊，以保證在該刀盤覆蓋范圍的任一位置都有一把刀相對應。

綜合上述分析，結合成都地質情況，?2 200mm刀盤主要配置中心魚尾刀、切刀、撕裂刀、滾刀，其刀盤刀具安裝示意圖如圖7所示，各個刀具的位置見表2數據，刀盤撕裂刀與切刀均采用焊接方式，這是因為該項目掘進的距離不長，軟土刀具不需要進倉更換，撕裂刀與滾刀設計刀高均為120mm，切刀刀高為90mm，保證了對前方巖土的超前切削。

圖7 刀具安裝示意圖

表2 針對該刀盤的刀具布置參數

3 結 語

針對成都砂卵石地層地質特點與項目工程概況，提出了一種新型刀盤同平面布置方式，該種布置方式能夠有效維持掌子面穩定，增大刀盤攪拌率；以該矩形頂管所配置的?2 200mm刀盤為例，闡述了適宜于該種地層矩形頂管刀盤的設計特點；分析了刀具的切削原理，確認了該種刀盤刀具的布置形式。

該矩形頂管機刀盤與刀具設計，已成功用于成都川大下穿人民南路人行通道頂管項目施工中，工程實踐應用表明：刀盤結構設計合理，刀具經久耐用，施工效果良好。

設計施工案例為后繼矩形頂管機的刀盤配置、結構設計以及刀具布置提供了借鑒。