泥水平衡頂管機推力扭矩計算及鋼頂管失穩分析

潘振學　艾慧　葉賀　何源福　吳亞華

摘要：在福建省平潭及閩江口水資源配置工程的隧道掘進中，為了研究泥水平衡頂管機設計的合理性以及施工過程中鋼頂管的穩定性，結合泥水平衡頂管機的特點以及施工地層條件，提出了考慮滾刀和刮刀實際貫入阻力的刀具載荷計算修正模型。對現有泥水平衡頂管機掘進的推力計算模型進行了分析，引入刀具破巖阻力和切削力矩，修正了頂管機的推進力計算模型和扭矩計算模型。對僅軸向推力作用下，僅土體圍壓作用下和推力、圍壓共同作用下的鋼頂管穩定性進行分析，推導出了其失穩臨界值，驗證了頂管機在類似工程地層下施工的可靠性。

關鍵詞：泥水平衡頂管機; 刀具載荷; 頂管推力; 刀盤扭矩; 鋼頂管失穩

中圖法分類號： TU43

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.021

0引 言

泥水平衡頂管施工是一種不開挖或者少開挖的管道埋設施工技術，具有施工工藝安全、施工速度快、地層適應性好、對周圍環境影響小等優點，目前已在中國得到迅速發展[1-2]。泥水平衡頂管機在復合地層下掘進過程中，會受到各種來自土體的載荷作用，容易出現偏心負載的情況，從而導致管道在掘進過程中因結構強度不足而發生損壞。例如福建省平潭及閩江口水資源配置工程的超長距離曲線頂管，頂管機需承受刀盤刀具切削土體產生的載荷扭矩以及管道和土體之間摩擦剪切產生的阻力，這對泥水平衡頂管機的結構設計提出了更高的要求。推力和扭矩的計算是頂管機設計和施工的依據，決定著最大頂推長度，直接關系到工程造價，具有重要的工程意義。

目前針對頂管機的推力與扭矩，國內外眾多學者進行了大量的研究。王雙等[3]在管道懸浮條件下，采用流體力學平行平板模型計算管漿摩阻力;雷晗等[4]通過數值模擬對內徑4 m的大直徑鋼筋混凝土頂管管道的受力特性進行了分析，研究了施工過程中管土接觸壓力的變化及頂管覆土厚度對管道外土壓力的影響。葉藝超等[5]基于泥漿的觸變性，采用管土“固-液”接觸方式，推導出一種適用于黏性土和砂性土地層的頂管頂推力理論計算公式。張鵬等[6-7]在Persson接觸壓力模型的基礎上，分別考慮了土層管土接觸和巖層管土接觸2種情況下的壓力分布規律，分別計算出頂管底部的管土接觸摩阻力和頂部的管漿接觸摩阻力，最終推導出頂管頂進過程中的總頂推力公式。陳孝湘[8]、周舒威[9]等依托實際工程，分別從開挖面主動土壓力、頂程、頂進曲率及管土摩阻力系數等多個方面對頂管頂推力進行估算及驗證。然而，這些計算模型在對刀盤載荷與扭矩進行計算時，均忽略了刀盤刀具受載對其影響。而福建省平潭及閩江口水資源配置

工程穿越的地層跨度較大，從弱風化凝灰熔巖到淤泥地層，刀具受載對頂管機推力和扭矩的影響較大，不能忽略，所以需對原有模型進行進一步的優化。

本文針對隧道工程的地質情況以及泥水平衡頂管機刀盤的特點，在前人研究的基礎上，考慮了滾刀和刮刀的實際貫入阻力對刀具切削土體的影響，修正了刀具載荷計算模型;引入刀具破巖阻力和切削力矩，修正了頂管機的推進力計算模型和扭矩計算模型。根據計算模型推導出頂管機實際施工過程中的推力和刀盤扭矩，研究在軸向推力、土體圍壓作用下的鋼頂管失穩臨界力，驗證頂管機在該工程地層下的可靠性。

1工程地質條件

福建省平潭及閩江口水資源配置工程隧道穿越地層以淤泥層、中砂層、弱-強風化凝灰熔巖等地層為主。輸水管道線路總長4.611 km，包括了穿越江底部分約4.012 km，其中，頂管機須從弱-強風化巖層穿越至中砂、淤泥層，穿越強度超過100 MPa的硬巖層距離達到541 m，屬于超長距離曲線硬巖頂管，技術難度堪稱全國首例。

2頂管機受力性能分析

頂管機的掘進過程主要包括了刀盤的回轉運動和軸向的頂進運動。在掘進過程中，頂管機主要受到了來自前方水土壓力帶來的推進阻力、管道和周圍土體之間的摩擦阻力、刀盤旋轉時與周圍土體產生的摩擦扭矩以及各刀具切削土體產生的阻力。

2.1刀具載荷計算模型

頂管機工程的穿越地層主要為砂層，土體的剪切破壞屬于流水型切削。泥水平衡頂管機的破巖方式與泥水平衡盾構機相似，可參考黃志高等[10]所研究的盾構刮刀載荷計算模型，在此基礎上根據實際工程情況進行模型修正，如圖1所示。

頂管機刀盤直徑為2 120 mm，刀盤的4個電機總功率為88 kW，可進行變頻調速，轉速可達到1.2～2.0～2.8 r/min，設計的最大扭矩為440 kN，主頂安裝總頂力1 200 t。刀盤上各刀具的分布位置及數量如圖4所示。其中，雙刃滾刀6把、單刃滾刀6把，邊緣刮刀8把，正面刮刀10把。

以該工程的某一段頂管施工為例，該段施工地層為粉質黏土地層，覆土厚度為12 m。由于刀盤正轉或反轉時均只有一半的刀具在工作，結合刀盤刀具計算模型、工程地質參數和刀盤刀具結構參數，可以得到各刀具載荷與刀盤扭矩如表2～3所列。

研究鋼頂管在土壓和推力作用下保持穩定性的最大臨界力（見表4），分析該頂管機能否滿足工程地質的要求。

經過分析計算可得，頂管機在該地層下施工的總推力需達到10 262.3 kN，所需的刀盤總扭矩為302.4 kN·m。而刀盤的最大設計頂推力為11 760 kN，最大設計扭矩為440 kN·m，滿足頂管機推進的基本要求。在遇到更加復雜地層時，頂管機的設計推力可能會小于所需總推力，此時就需要中繼間輔助推進。鋼頂管周圍的土壓約為100 kPa，遠小于774.1 kPa，滿足鋼頂管圍壓的要求;在土壓與推力的共同作用下，為保證鋼頂管的穩定性，取安全系數為0.7，所以頂管機對鋼頂管施加的推力最大可達到24 307.5 kN，滿足鋼頂管的穩定性要求。

根據現場測得的數據，得到頂管機在掘進過程中的平均推進速度為60 mm/min，轉速為1.2～2.0 r/min。工程實際中，該頂管機從弱風化巖層穿越至淤泥層，具有良好的適應性，使用過程中穩定性良好，未出現鋼頂管拱起、刀盤卡死等不良狀況，證明研究的正確性。

5結論與討論

（1） 本文考慮了施工過程中滾刀和刮刀的實際貫入阻力對刀具切削土體的影響，修正了刀具載荷計算模型;引入刀具破巖阻力和切削力矩，修正了泥水平衡頂管機的推力計算模型和扭矩計算模型。

（2） 對僅軸向推力作用下，僅土體圍壓作用下和推力、圍壓共同作用下的鋼頂管穩定性進行分析，推導出其失穩臨界值。根據得到的頂管機計算模型，推導出頂管機實際施工過程中的推力和刀盤扭矩，對比鋼頂管的失穩臨界力，驗證了頂管機在該工程地層下施工的可靠性。

（3） 泥水平衡頂管機的載荷扭矩修正模型是結合現有模型和實際工況得到的，具有一定的擬合精度，但并未達到完全精準預測，仍有改進和提高的空間。可在計算刀具載荷時，根據實際情況，進一步細化刀具結構，考慮不同位置刀具對應的傾角、刀高差等，使結果更加準確。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：In tunneling project of the water resources allocation project in Pingtan City and Minjiang River estuary，Fujian Province，to study the design rationality of a slurry pipe jacking machine and the stability of steel jacking pipes during construction，combing with the characteristics of slurry pipe jacking machine and the construction stratum conditions，we proposed a revised cutter load calculation model considering the actual penetration resistance of disc-cutters and scrapers.In this paper，the existing jacking load calculation models for slurry pipe jacking machines were analyzed，and the jacking force calculation model and torque calculation model of pipe jacking machine were modified by introducing the rock-breaking resistance and cutting torque of cutters.The stability of jacking pipes under action of jacking load only，soil confining pressure only，and the joint action of jacking load and soil confining pressure were analyzed.And its critical value of instability was deduced，which can verify the reliability of pipe jacking machine under the stratum of similar projects.

Key words：slurry pipe jacking machine;cutter load;pipe jacking load;cutter head torque;steel jacking pipe instability