束合管幕行星多刀盤方形頂管機的研制與工程應用

彭世寶 （1.上海隧道工程有限公司，上海 200232；2.上海盾構設計試驗研究中心有限公司，上海 200137）

自 1971 年，日本首次采用管幕法至今，管幕法施工設備與施工技術已經有超過 50 a 的歷史。在這段漫長的發展過程中，為了適應不同的地質條件和施工要求，并伴隨現代科學技術的不斷發展，各種不同形式的管幕施工工法和掘進設備應運而生。

管幕工法，也叫排管頂進法，是利用小口徑頂管機建造大斷面地下空間的施工技術，是一種新型的地下暗挖技術。

束合管幕工法，是一種通過縱向預應力控制管幕的變形，通過橫向預應力提高管幕的整體性，從而達到更高的安全性和經濟性的施工方法。從 1980 年至今，日本已有大大小小近 90 個成功的工程案例。

目前管幕工法仍處于發展階段，更多的仍是在實際工程中總結出的工程經驗。尤其是有關束合管幕工法的文獻，均以介紹施工方法居多，并且有關束合管幕的成功工程實例均在日本，世界上其他各國均無案例，在理論分析層面上具有相當高的研究價值。且目前對于束合管幕工法橫向束合管幕結構的設計及施工方面還沒有成熟的規范或指導標準。

目前大部分管幕頂管施工工程中，其管幕結構多采用圓形鋼管結構，該管幕結構中鋼管之間不能協同工作且僅為單向受力，支護效率較差。新提出的束合管幕工法橫向預應力矩形鋼管管幕結構，即采用矩形鋼管，并通過沿環向施加預應力，使其各個鋼管之間協同受力，并雙向承載，達到減小構件尺寸、提高管幕結構的整體剛度和承載能力的效果。束合管幕工藝在國內無工程案例，針對上海軌道交通 14 號線武定路站首次應用束合管幕頂管施工斷面的要求，需要1 m×1 m 切削斷面的頂管設備，因開挖土層埋深為超淺覆土，并且土質為加固土和軟土，為了有效控制地表沉降，滿足小斷面方形鋼管掘進施工，對此發明研制了一種土壓平衡泥水輸送式行星多刀盤全斷面切削方形頂管機。

1 頂管機設計方案

如圖 1 所示 1 m×1 m 斷面行星三刀盤方形頂管機由刀盤切削裝置、刀盤驅動裝置、鉸接裝置、主頂進裝置和控制系統構成。其中刀盤切削裝置主要有三個“葉子狀”異型小刀盤和鏟齒結構組成，主要完成開挖面土體的切削和攪拌；刀盤驅動主要由四組液壓馬達提供動力，刀盤軸行星齒輪內嚙合使刀盤做自轉和公轉運動；鉸接裝置主要完成頂管機的姿態糾偏，由四組鉸接油缸、前后鉸接殼體和齒形鉸接密封圈組成；主頂進裝置主要功能是頂管機開挖過程提供主頂力，并且為整個頂進過程中導向和管節拼接提供支撐作用；控制系統主要包括電氣控制系統、液壓控制系統、泥水系統和集中潤滑系統，是頂管機實現掘進的執行機構和工具。

圖1 頂管機示意圖

如圖 2 所示，行星三刀盤方形頂管機的工作原理：刀盤切削動力由四組液壓馬達提供，四只液壓馬達小齒輪與回轉支承內齒輪內嚙合傳動，帶動驅動轉軸和密封轉盤轉動，三個刀盤齒輪軸上的小齒輪與大齒輪內嚙合，使刀盤在隨驅動轉軸和密封轉盤公轉的同時自身在齒輪嚙合的作用下做自轉運動，刀盤做行星式方形斷面切削；前端刀盤區域為土倉區，殼體土倉區四角布置土壓傳感器用來測量反饋土倉土壓力，刀盤盤體后端面設置攪拌棒與刀盤盤體結構本身進行土體攪拌；密封轉盤前端設計有泥水倉，土倉區的土體攪拌稀釋成泥漿流入泥水倉，通過泵送排出，泥水倉兩個排漿口處設有水壓傳感器用來測量反饋泥水壓力，進排漿泵驅動電機為無極變速，通過調節電機轉速以及反饋的土壓和水壓力值來調節控制壓力平衡，密封轉盤泥水倉內設計有攪拌棒可防止泥漿固化，保證泥漿順利排出；常規鉸接裝置能夠完成 4 個方向的正負 1.5° 的糾偏功能，保證頂管機掘進的軸線精度。

圖2 驅動結構示意圖

行星三刀盤方形頂管機的切削斷面是 1 m×1 m 的正方形。如圖 3 所示，刀盤結構設計成“葉子狀”異型刀盤，刀盤周邊設有切刀和刮刀，軸心位置處安裝有十字型先行刀。方形斷面內三組刀盤呈品字形布置，其中心彼此之間相隔 120°，刀盤之間的中心夾角為 120°，三個刀盤的中心距離大齒圈的中心的距離相等。初始時三個刀盤依次在 0°、120°、240° 的位置，每個刀盤的中心均處于水平方向，三個刀盤同時切削土體，并擁有相同的切削軌跡。該布置方式保證了行星輪傳動受力平衡和傳動平衡。

圖3 刀盤形式及軌跡

異型（葉子狀）刀盤輪廓由開挖斷面尺寸、刀盤布置形式和刀盤運動形式決定，通過以下曲線方程式計算得出。

如圖 3 所示，其中，θ∈（-90°，90°） 時刀盤輪廓與開挖斷面的邊長 OA 相切，θ∈（90°，180°）∪（-90°，-180°） 時刀盤的切削軌跡在正方形開挖斷面邊界內。同時，刀盤輪廓的曲線方程保證了刀盤的切削軌跡的包絡線能最大程度逼近正方形的開挖斷面，同時又避免了在正方形開挖斷面的邊角可能產生的超挖現象。

2 工程應用

上海軌道交通 14 號線武定路站 1 號出入口采用束合管幕工法施工。束合管幕段單根管節長度 15.3 m，管幕內凈尺寸 6.4 m×4.2 m，覆土約 4 m，如圖 4 所示 管幕由 4 根1.4 m×1.4 m 和 16 根 1 m×1 m 方形管節組成，管幕鋼管節雙側有 CT 型鎖扣。

圖4 管幕斷面示意圖

行星三刀盤方形頂管機在 14 號線武定路站管幕施工中得到了成功應用。掘進施工中行星三刀盤公轉自轉式運動的切削效果非常理想，斷面行星式覆蓋切削，三個異型刀盤的切削率高達 98%，結合鏟齒四角盲區切削，實現全斷面切削；頂管機在掘進過程中小刀盤出現了卡死現象，因為頂管土倉空間小，刀盤結構在土倉空間占用率大，刀盤存在對土體向四周的滾壓現象，造成土體固化卡住刀盤，如圖 5 所示 該刀盤結構需要進行優化改制成類輻條式結構，減小刀盤擠壓土體接觸面，后續需要進一步進行改制刀盤切削試驗驗證。

圖5 刀盤改制方案

完成了管幕掘進施工之后，對頂管機的刀盤扭矩、刀盤轉速、刀盤軸力和推力等進行數據選取、整理和分析。以刀盤扭矩和轉速為例，對比圖 6 和圖 7 的數據，在起始的一段時間內，刀盤轉速普遍控制在 2 r/min，扭矩呈下降趨勢，說明頂管機在此階段切削十分順利，當對刀盤進行反轉并停止推進時，刀盤扭矩會進一步下跌，隨后刀盤反轉轉速提升至 2 r·min-1，至停止推進時，扭矩總體趨勢均為下降，這表明反轉起到了一定的切削改善效果。時間 800×16 s 時再次開始推進，當刀盤轉速提升至 1.5 r/min，刀盤扭矩達至一個較大的峰值（約 30 kN·m），該峰值是前期推進峰值的 2 倍，出現這種現象的原因可能與推力猛然提升至一個較高值有關，后期通過降低推力和刀盤反轉的方式使得扭矩可降低至可控范圍。

圖6 刀盤扭矩圖

圖7 刀盤轉速圖

通過對頂管機勻速掘進階段的土壓力和水壓力數據進行分析。當頂管機以轉速 2 r/min 在軟土層進行正常掘進施工時，如圖 8 所示，頂管機土倉內上部和下部的土壓力平穩控制在 0.1～1.0 bar；如圖 9 所示，泥漿倉排漿口處的水壓力控制在 0.3～0.8 bar；此時的排漿效果較之理想，頂管機的土倉內實現了土壓平衡，土轉液裝置也能較好的將土體轉化進入泥水倉并順利泵送排出。

圖8 土倉土壓力

圖9 泥漿倉水壓力

5 結 語

研制的土壓平衡泥水輸送式行星多刀盤全斷面切削方形頂管機利用行星輪的原理，在行星單刀盤的切削基礎上，將多刀盤行星式切削結構應用于頂管機中；創新地將土壓平衡和泥水輸送兩種出土方式合理有效的合并應用于小型頂管機內，形成了一種新型的土壓平衡泥水輸送式的土轉液出土形式；這種頂管機解決了束合管幕工程中方形斷面管節的掘進施工。頂管機的成功管幕工程應用，探索了束合管幕新工法，完善了軟土地層暗挖法施工地下出入口通道的整套關鍵技術，大大豐富了地下空間的實施手段，為今后類似工程提供借鑒。