隧道股份 上海城建国际工程有限公司 200232
摘要：矩形顶管机作为城市地下通道的施工工法已经十分成熟，但在香港还没有使用矩形顶管机的案例。本文基于在香港使用的第一台矩形顶管机施工过程中的推进情况，提出了遇到未知孤石时采取相关的应急处理措施、矩形顶管机刀盘修复方案、螺旋机内部孤石清理技术等。以供业内同行之后在香港使用矩形顶管机施工参考借鉴。
关键词：矩形顶管机；通风井；孤石处理；刀盘修复
0.引言
因顶管施工工法基本不受地面交通状况及建、构筑物影响和对地面扰动较小，在现代城市过街或过高架线路地下通道施工中得到了广泛的应用。又因矩形顶管隧道断面利用率比圆形顶管隧道高20%[1]，过街地下通道施工中使用最多的是矩形顶管机[2]。
香港启德旧机场发展项目KT3B地下行人通道项目采用土压平衡矩形顶管机[3]施工工法，是矩形顶管技术在香港的首次应用，随着项目的顺利贯通，得到香港土木工程拓展署的充分肯定，并为矩形顶管工法在香港的运用打下了基础。凭借KT3B项目的成功案例，隧道股份又成功拿下KT5B大断面矩形顶管机施工项目。
因矩形顶管施工工艺已经十分成熟，本文主要就矩形顶管机施工过程中遇到孤石情况下的推进情况、刀盘修复、顶管机相关改制措施、螺旋机遇到孤石卡死情况下如何脱困及清理孤石等方面做相关介绍。顶管机施工其它工艺如沉降控制、纠偏控制、减摩注浆、后靠系统、进出加固区等本文不作介绍。
1 工程概况
地下通道总长140m，坡度-1.405%，覆土6.0m-9.0m，管节外形尺寸5mⅹ4m，内部尺寸4m ⅹ 2.9m，管节厚度500/600mm，管节宽度1.5m。采用一台4mⅹ5m级土压平衡矩形顶管机进行掘进。隧道轴线所经过的地质主要以冲积层、残积土、回填土为主，土体渗透系数较大，地下水位大约在地下0.5米。通道位于既有道路和高架桥梁下方，需穿越通风井，如图1所示。
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图1 轴线断面图
2 矩形顶管机
5020mmⅹ4020土压平衡矩形顶管机，主顶进系统由12组油缸组成，一级和二级纠偏系统各14组油缸，单组油缸最大顶力均为200T。大刀盘直径4085mm，额定扭矩1289kNm，转速0-2r/min。小刀盘切割尺寸1800mmⅹ1800mm，额定扭矩198KNm。
2.1刀盘结构
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图2 刀盘结构图
刀盘结构采用五刀盘布置，大刀盘居中，四个小刀盘分布于四个角。大刀盘功率45ⅹ6KW，小刀盘功率75KW。大小刀盘均可正反转。
小刀盘可实现小矩形断面的切割、提高单螺旋机排土能力。大刀盘和小刀盘采取前后错位布置，有效地实现全断面切割，较大地提高在软土、硬土和含有较小尺寸卵石、砾石等复杂地质条件下工作的可靠性，如图2所示。
2.2刀具配置
大刀盘配置66把刮刀、20把贝壳刀，小刀盘配置17把刮刀。
刮刀高度65mm，贝壳刀高度150mm，贝壳刀高出刮刀85mm，起到对大刀盘的刮刀的保护。
2.3螺旋机
内径602mm，功率55KW，扭矩26.2KNm，最大转速可达22r/min。
螺旋机可正反转，配2道闸门，一个为正常使用的闸门，一个是应急闸门，在突发断电情况下会自动关闭，以保障安全。
3 顶管机维修前的顶进情况
根据业主提供的地质资料显示顶管掘进范围内为软土地层。但在中间通风井开挖过程中发现了最大尺寸为400mmⅹ300mmⅹ230mm的石块，取芯测试抗压强度达到308Mpa。在通风井回填前，通过水平方向探孔取芯发现在顶管机通过通风井后的20米范围内也有石头的存在。
1）顶进第9节管节时，右下小刀盘出现卡死现象（电流超过146A），经过排查电机无异响，线路和变频器均没问题，对刀盘采取正反转及调整变频器输出功率措施后恢复运行；左下小刀盘电机有异响，经轴承注入润滑油脂后异响消除。
2）顶进第10节管节时，右下小刀盘、左上小刀盘、螺旋机出现扭矩过大跳保护现象，顶进过程中无异响。初步判断正面可能有石头存在。
3）顶进第11-13节管节时，土仓内开始出现石头碰撞声，小刀盘及螺旋机跳保护多次，在出土中找到最大尺寸为200mm左右被绞断过的石块。
4）顶进第14节管节时，右下小刀盘土仓内有异响，扭矩比其他几个小刀盘高，初步判断，右下小刀盘位置有较多石块，并伴随螺旋机不断卡死现象。将顶进速度从20mm/min降低至10mm/min。。
6）顶进第15-22节管节时，因前方石头较多右下小刀盘多次跳保，螺旋机不断有卡死现象（电流超过110A）。
7）顶进第23节管节开始，右下小刀盘和螺旋机扭矩较之前减小，跳保和卡死次数减少。
8）顶进第31节管节，至刀盘通过加固区进入中间通风井时停机。
9）顶管始发至顶进第31节管节时顶管机顶力、扭矩平均值如表1所示，其中顶力最大为930t。
表1 顶进至31节时顶力、扭矩平均值
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4 处理措施及刀盘修复
4.1 处理措施
中间通风井围护结构为钢板桩维护结构[4]，在矩形顶管机始发前已经完成原状土回填工作。
自顶管机顶进第11节管节出土中发现石头开始，就开始筹划进行刀盘修复工作。由于地质松散，渗透系数高不具备开仓修复刀盘的条件，经研究确定待顶管机刀盘穿过加固区到达中间通风井时停机，清理掉中间通风井回填土，进行刀盘修复工作的施工方案。
4.2 开仓情况
随着通风井土体开挖到刀盘顶部位置，逐层往下开挖的同时，自上往下分层清理刀盘内土体，清理过程中发现大量孤石[5]，最大粒径大于200mm的石块数量大于20块，主要分布在右下和左下小刀盘位置处，开挖出来最大石块尺寸达410mmⅹ400mmⅹ350mm。大刀盘和4个小刀盘均有不同程度的损坏。
4.2.1大刀盘损坏情况
大刀盘配备的66把刮刀损坏32把，损坏率达48.5%；配备的20把贝壳刀损坏7把，损坏率达35%。
4.2.2小刀盘刀具损坏情况
每个小刀盘分别配备17把刮刀，右上小刀盘损坏10把刮刀，损坏率达58.8%；左上小刀盘损坏7把刮刀，损坏率达41.2%；右下小刀盘损坏15把刮刀，损坏率达88.2%；左下小刀盘损坏14把刮刀，损坏率达82.3%。下方两个小刀盘刮刀共损坏29把，损坏率达85.3%，比上方两个小刀盘的刮刀损坏率50%要严重。
4.2.3其他损坏情况
右下小刀盘驱动密封盖螺栓出现松动或丢失、密封破损、密封座铜套变形、驱动行星架及主轴出现磨痕。
左下小刀盘驱动盖板密封座铜套变形、驱动行星架及主轴出现磨痕。
右上和左上小刀盘驱动盖板密封座挡尘圈变形、行星架出现磨痕。
4.3修复工作
1）对大刀盘损坏的32把刮刀和7把贝壳刀及小刀盘损坏的46把刮刀进行定位并焊接新的刀具。并对所有刀具焊接高度进行检测、焊缝进行着色和磁粉探伤检测，如图3所示。
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图3 小刀盘修复
2）行星架和主轴按以下工艺流程在当地修复。
行星架修复工艺流程：对磨痕严重处低温补焊→对补焊位置打磨至平齐→表面整体镀铬后再打磨→进喷焊房进行表面喷焊处理→最终打磨。
主轴修复工艺流程：对裂纹及磨痕处进行打磨→表面整体镀铬后打磨→进喷焊房进行表面喷焊处理→最终打磨→超声波探伤检测。
3）对右下小刀盘，盘体周边硬质合金磨损、盘体轻微磨损进行补焊硬质合金。
4）对密封座铜套变形、挡尘圈变形的，更换全新密封座、铜套及密封。
4.4改进措施
1）针对右下和左下小刀盘刮刀损坏率高的特点，对下方两个小刀盘分别增加9把贝壳刀，以对刮刀起到保护作用，如图4所示。
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图4 增设贝壳刀示意图
2）将将下部两个小刀盘驱动密封盖螺栓更换至12.9级。并新增螺栓防松动措施，如使用防松垫圈、螺纹胶、液压扭矩扳手、螺栓点焊等，同时螺栓口处加设筋板防止碎石进入螺栓孔。
3）新增下部小刀盘驱动土仓面端盖保护罩，以防止端盖由于石头碰撞震动脱落而导致的驱动密封圈失效，如图5所示。
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图5 小刀刀盘驱动端盖保护罩
4）新增小刀盘驱动油脂泵，可以根据不同刀盘的油脂压力情况调整润滑油脂注入量。
5.顶管机维修后顶进情况
顶管机恢复顶进后，顶进速度维持在10mm/min-12mm/min之间。
1）顶进38节时，右下刀盘出现一次卡死现象，通过变频器本地操作完成脱困。
2）顶进56-58节时，过程中顶力由1200t左右增加至1700t左右，右上小刀盘频繁碰撞过载，机头内可以听到上半部发出响亮的碰撞声。顶力峰值最大达1800t，上部两个小刀盘持续碰撞跳保护。58节开始上部刀盘碰撞次数明显减少，基本不出现小刀盘跳保现象，过程中大刀盘也有周期性波动，扭矩从正常时的350KNm-400 KNm波动到峰值600 KNm。
3）顶管机恢复推进至顶管顺利进洞，螺旋机共卡死21次，进行了21次排除孤石处理，排出最大的孤石尺寸为400mmⅹ290mmⅹ250mm。排出最大粒径大于200mm的孤石数量达113块，每次处理孤石时间平均长达4个小时。
4）顶管修复后顶进32-92节管节时顶管机顶力、扭矩平均值如表2所示，其中顶力最大为2018t。
表2 顶进32-92节时顶力、扭矩平均值
6.螺旋机清障处理
6.1螺旋机卡死
螺旋机被卡住时螺旋机内土压力传感器读数维持在3.03-4.43bar之间。螺旋机在不断转动的过程中，其扭矩不断增大，当扭矩增加到上限时，螺旋机出现跳保现象（电流超过110A）。
6.2即时措施
1）立即停止顶进；
2）顺时针和反时针方向转动螺旋机，仍然无法解决螺旋机卡死问题；
3）打开出土口附近的螺旋机检查口，试图清除可疑的障碍物，并未发现；
4）清除出土口附近的泥土，并设法清除可疑的障碍物，螺旋机出土口附近无重大障碍物。
根据以上的观察和发现，推断螺旋机内部或驱动附近存在孤石。
6.3进一步措施
1）清理掉出土口加长部分内的泥土；
2）拆除螺旋机出土口加长部分，并与螺旋机分离，如图6所示。
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图6 螺旋机示意图
3）继续清理泥土，直到螺旋机驱动暴露出来，如图7所示。
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图7 螺旋机驱动
4）在对螺旋机的进一步清理过程中，通过人工将孤石逐步清除；
5）经过对螺旋机内部检查，确认螺旋机内部没有任何的孤石，将螺旋输送机恢复到原来的状态，继续顶进。
7.结语
1）本项目充分说明工程前期地质探孔的重要性，顶管选型前应尽最大可能将顶管机掘进区域的地质情况调查清楚，在条件允许的情况下，可将探孔间隔减小到5 m以及辅助采用超声波探测，以减小遇到孤石或其他障碍物风险的概率。
2）顶进过程中当刀盘正面遇到石块时总顶力和碰到石头的刀盘扭矩均会有大幅度的变化，变化幅度能够达到+50%。
3）通过对小刀盘加设贝壳刀能够对小刀盘刮刀起到很好的保护作用。
4）因处理螺旋机内部孤石耽搁的时间较多，对螺旋机排渣能力提出了更高的要求，本项目螺旋机内径为602mm，为轴向出土，建议以后采用径向出土以避免石块通过螺旋机驱动三角支撑。以及在条件允许的情况下，将螺旋机内径增加到800mm，本项目的大部分孤石将会通过螺旋机直接排出，不需另做特别处理。
5）尽量减少小刀盘的数量或者增大下部小刀盘的功率以提高其工作效率；润滑油脂泵功率要满足自动工况下的油脂注入量需求；小刀盘施工中震动大，小刀盘设计可采用避震功能以减少密封破坏概率。
参考文献：
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［2］郭昊．矩形顶管机下穿郑州市中州大道工程简介［J］．中国市政工程，2013（5）：52-55．
［3］DBJ/T 15-106-2015．顶管技术规程［S］．
［4］舒钢强．矩形顶管机施工中遇到的障碍及清障技术［J］．中国市政工程，2010（4）：66-68．
［5］范磊．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［J］．隧道建设，2017，37（7）：899-905．