超大斷面矩形頂管機裝機技術分析

石玉經

(中鐵隧道集團一處有限公司，浙江 紹興 312050)

0 引言

在城市交通施工項目中，要在全面分析地質條件、施工環境的基礎上落實更加合理的技術方案。針對超大斷面施工區域要完善頂進長度分析等細節，從而發揮技術的應用優勢，實現社會效益和經濟效益的雙贏。

1 頂管機裝機施工概述

1.1 原理

頂管機裝機施工技術在操作中，要在工作井內完成始發臺座、頂推油缸、支架等相關設備的安裝工作，然后緊跟管節元件，逐漸向土層完成推進，在推進中產生的渣土則借助渣土泵設備或是螺旋輸送機設備以不同形態送出施工區域。在完成一節操作后，收回頂推油缸，向施工區域吊入另外一節管節，依照基本流程繼續頂進，一直到頂管機滿足接收井的預設位置，確保管節完全鋪設，拆除頂管機吊回地面位置[1]。

1.2 優勢

頂管法施工處理技術隧道設計多為圓形，但是圓形頂管隧道存在空間利用率較低的問題，那么在有效空間參數相同的狀態下，匹配矩形斷面能更好地完成地下空間的處理如圖1所示，相較于圓形斷面節省了45% 的地下空間，相較于雙圓隧道，實現35% 空間優化。除此之外，還能減少隧道底部埋深，提升覆土厚度。基于此，超大斷面區域配合使用矩形頂管技術，能更好地提升工程項目綜合質量優化空間利用率[2]。

圖1 圓形斷面和雙圓隧道處理方式

2 超大斷面矩形頂管機裝機技術應用方案

2.1 工程概況

本文以嘉興市市區快速路環線工程（一期）土建工程項目為例，主線范圍為K5+260～K7+339，長2079m；地面輔道范圍為K5+260～K7+339，長2079m。標段線路位置如圖2所示，具體工程量見表1。

表1 工程項目頂管施工工程量

圖2 嘉興環線土建3 標線路走向

2.2 具體方案

依據工程項目的實際情況，選取的是中鐵裝備設計、制造的多刀盤輻條式土壓平衡頂管機，頂管機斷面尺寸14820mm×9446mm，刀盤驅動功率30kW×59，刀 盤 扭 矩2005kN·m（1 組）+2548kN·m（1 組）+1238kN·m（4 組）+657kN·m（2 組）+486kN·m（4組）+77kN·m（2 組），6 前8 后多刀盤設置，開挖率達到90%，攪拌率達到70%[3]。

2.2.1 頂管機組裝施工前準備工作

在頂管機組裝工作開始前，要對整機布置工作予以落實，整個設備包括前盾、中盾、尾盾、出渣螺機、頂推油缸及支架、后靠、供配電系統、泡沫系統、減摩注漿、糾偏系統、控制系統等，為此，要依據實際標準落實布置方案，確保相應元件都能在規定位置發揮其實際作用[4]。

另外，在完成吊裝作業前還要對吊裝作業區的地基情況有所了解，其中始發井場地基礎是混凝土硬化基礎，鋪設鋼筋網，配合C30 混凝土，能符合起重機起吊的基本需求。而對應的接收井是混凝土硬化基礎，在鋪設鋼筋網的同時配合C25 混凝土，利用履帶吊場地基礎力學驗算分析相應參數是否滿足標準。

2.2.2 頂管機吊裝下井

第一，中盾安裝。要在始發井的固定位置完成合體拼裝操作，依據規范利用連接螺栓完成相應工作，并配合門式起重機主吊，然后集中安裝焊接吊耳，在水平吊起操作結束后，要不斷對主副鉤鋼絲繩的間距予以調控，有效實現盾體的自由翻轉。與此同時，中盾立直完成后，要借助門式起重機單獨將其吊運到其他始發臺（圖3）。只有保證中盾就位，且前法蘭和始發臺之間相互垂直，才能開展后續的操作。

圖3 中盾整體下井示意圖

第二，安裝前盾。在安裝臨時吊耳后，利用連接螺栓實現緊固處理，主要借助100t 門式起重機實現平吊和翻身處理，完成吊運安裝工作。首先，水平吊起，利用上部主鉤完成鉤升操作，調控鋼絲繩間距，以保證盾體自由翻轉，在中塊立直后去掉下部吊鉤和臨時吊耳，連接中盾，然后拆除左側斜撐結構（圖4）。

圖4 前盾左塊下井拼裝

第三，要拆除前盾結構和中盾結構連接螺栓，并且對前盾予以支撐處理，借助200t 門式起重機完成起吊分離，在分離間距滿足1m 的距離后，配合實際應用要求完成前盾和中盾螺栓的連接操作，依據規范實現緊固。

第四，安裝刀盤，在刀盤掛裝的過程中，要借助門式起重機完成立吊刀盤的處理，在緩慢旋轉刀盤后，利用手拉葫蘆輔助刀盤實現有效靠攏，從而保證簡體鍵槽位置和主驅動花鍵位置匹配，完成定位處理就能直接穿入連接螺栓。需要注意的是，為了提升刀盤安裝的規范性，要踐行“從下往上、從后到前”的順序完成相應的安裝處理。

第五，安裝后頂靠結構，在始發井西側場地位置是完成合體拼裝處理，在合體拼裝操作結束后，結合規范要求配合連接螺栓實現緊固。依舊是應用兩臺100t 的門式起重機作為整個吊裝操作的主吊設備，配合160t 汽車起重機完成副吊，翻身后焊接吊耳。在后頂靠連接操作過程中，要踐行規范性量測處理，保證后靠中心位置和隧道中心位置處于重合狀態，并且提升混凝土的貼緊度。

第六，安裝頂鐵元件，在整個操作環節中，環形頂鐵和U 形狀頂鐵在始發井西側場地進行合體拼裝。合體拼裝時，按規范要求對連接螺栓進行緊固。

第七，輔助系統安裝。首先，安裝出渣系統，以保證頂管頂進后渣土能及時傳出，要將出渣小車導軌直接焊接在管節預埋鋼板結構上。其次，要安裝電管線、液管線，在安裝地面操作室后，利用頂推的方式完成液壓泵站的安裝處理，并且始發安裝后在頂管機進入10 節管節結束后將隧道設備直接轉移到隧道內部。

第八，在完成相應輔助設施后，就要對始發狀態予以及時性調控。

2.2.3 矩形頂管機吊裝施工

在矩形頂管機吊裝施工項目中，要按照渣土改良控制、土壓力控制、頂進速度控制、實時監控的要求落實具體工作。

其一，掘進控制。

其二，添加材料并對注入參數予以設定，了解渣土的實際狀態，若過軟就要減少注入量，若過硬就要增加注入量，確保改良效果滿足實際要求。

其三，進行土壓設定，了解土倉土壓參數，若土壓較低，就要盡量減少掘進設備的轉速，若土壓較高，就要增加掘進轉速，配合刀盤掘進狀態選取適配的總推力，實時分析和評估周邊土壓，完成排土量控制。

其四，頂進過程中要嚴格控制管機的姿態，避免姿態變化過大或過頓，確保縱坡變化在0.2%以下，最大程度減少頂管不平直對整個操作流程產生的影響。與此同時，要對頂進的速度予以實時性監管，保證管節安裝操作、頂進施工操作作業時間匹配作業環節的具體設定，實現連續、均衡地施工，避免長時間擱置對整體質量產生的影響。

2.2.4 出土量和渣土運輸

在頂管工程施工過程中，不僅要對頂進工序予以集中管理，也要對出土量和渣土運輸環節展開質量監督，旋轉出土量要保持和頂管機頭刀盤削土量相同，從而確保相應的處理工序最優化。若是出土量超出頂管機頭刀盤削土量，則會出現地面不同程度的沉降問題，若是出土量小于頂管機頭刀盤削土量，則會出現土體擾動問題。

基于此，要建立實時性監管機制，保證出土量控制流程的規范性，避免超挖或者欠挖等問題。值得一提的是，非加固區域的出土量要控制在98%～100%，而對于加固區，相應的出土量要控制在105%左右。

除此之外，在頂進操作結束后，也要進行空間的拓展處理，并且借助豎井處理機制對端頭井開挖工序予以支護處理，保證相應支護體系能發揮實時性作用，維持整體工程項目的安全性和規范性。

2.2.5 頂管機接收井吊裝施工

首先，頂管機到達接收井后，使用脫離油缸將頂管機與管節脫離，使用鉸接油缸將尾盾和中盾分離，切斷電源，拆除電、液管線，清潔盾體及刀盤，焊接盾體各吊耳。

其次，取下尾盾鉸接密封，拆除尾盾上下塊連接螺栓，配合主吊和副吊瓦城尾盾吊出接收井的操作，采用13m 低版本板拖車，裝車運至始發井。運輸過程中利用支墊的方式處理盾塊，采用鋼絲繩與手拉葫蘆完成對應的綁扎操作工序。

最后，拆解吊裝前盾、中盾結構單元，并且在拆除完成后，配套設備管線，做好標識，盤好分類堆碼。由16T 隨車吊吊運至始發井。需要注意的是，為了保護盾體主要部件的安全性，針對大型異形運輸部件的處理工作，主要是利用重型低板拖掛車，用緊固鏈、鋼絲繩、葫蘆等工具借助焊接吊耳操作工序、輔助吊耳操作工序等，有效實現八字形綁扎操作目的，并利用部件的吊點，在部件前后對設備縱向和橫向進行綁扎加固，鋼繩與設備接觸面加墊保護層。安排專人配合交管部門，設置隔離阻斷標識標牌，對過往車輛合理分流，直至盾體運輸車輛順利通過。

3 結語

總而言之，在超大斷面頂管機施工操作中，要綜合考量施工環境和施工方案的具體情況，建立健全的分析方案，并配合預制場地分析、運輸條件分析完成斷面設計等工作，確保能依照標準化流程完成相應工序，提升超大斷面矩形頂管施工的綜合質量，為施工綜合效益的優化奠定堅實基礎。