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大口径顶管机国产化发展现状及工程实例分析
王毅1，陈勇2
(1.厦门电力工程集团有限公司;2.福建省东辰岩土基础工程公司厦门分公司)
摘 要：采用顶管技术铺设市政地下公用管道，尤其是在地面繁忙、不允许开挖地段的市政工程中，视为重点考虑的工程施工工艺。采用顶管技术铺设市政地下公用管道已经有超过百年的历史，从国外引进，在我国各中大型城市中也有60 多年。顶管技术目前在发展过程中出现了如设备国产化、中大口径顶管掘进机研发等均面临的一定的制约，本文作者从20 世纪90 年代中期至今一直从事顶管技术的工程施工、设备研发工作，通过本文对我国当前大口径顶管机国产化现状及在实际工程中的实用情况展开论述
1 大口径顶管技术现状
顶管技术是地下采用液压油缸作为顶进动力，将预制混凝土（或钢管）管件，沿预定路径铺设的工艺，该技术至今已经有一百多年的历史，在地下管线敷设中发挥着越来越重要的作用。对于在城市人口密集、周边环境要求高的施工区域，采用非开挖顶管技术是最佳的选择，环境影响较小。
通过超过百年的发展，目前，顶管技术发展主要体现在以下方面：①从人工顶管→机械顶管；②管径从2000mm-3600mm；③大口径顶管的一般技术参数；④从圆形→矩形等异形断面；⑤一般性均质地层→跳跃性复杂地层(岩层)；⑥经验性操作→远程数字化控制；⑦对环境的影响越来越少。以国内某多年从事顶管机研发的企业所生产的大口径顶管主要技术参数为例作说明，详细参数见表1。
由于顶管技术所处的地下工程，所遇到的工程地质和水文地质条件均存在千差万变，因此针对不同工地质条件，选择的顶管工艺需要满足一下条件：
（1）采用硬度高、抗弯强度高、耐磨的岩石合金刀具和岩石滚刀刀具；适用于硬度低于80MPa 的各种高、中、低风化岩层的地质条件；
（2）岩石合金刀具材料：硬度20MPa 以下的岩石采用YG8-YG12 硬质合金，硬度80MPa 以下的岩石采用KE13 硬质合金；
（3）岩石滚刀形式：盘形滚刀对抗颗粒小，密度大，韧性好的泥岩，齿形滚刀对抗颗粒大，密度小，易碎的砂岩；
（4）机器设有二级粉碎仓，遇到较大的碎石或是卵石，在二级破碎仓中将其粉碎成可以在管道输送的碎块！
图1 给出适用于高硬度、强研磨性地层所常用的刀盘切削刀具类型及布置。
对于不同位置、不同地层岩性，所采用的刀具的强度要求亦不同，表2给出了常见选用硬质合金切削刀具的性能参数。
表1 某国产顶管机主要性能参数

图1 高强度强研磨性地层顶管掘进机刀盘切削刀具类型及其布置
表2 常见硬质合金切削刀具性能参数及其特点

表3 滚刀对照表

对于不同位置，所布置的不同类型滚刀，其性能对比如表3所示。
下图2 给出了常见中大型土压平衡和泥水平衡顶管机刀盘机具布置情况。
为应为不断增加的地下管道输送能力要求以及特殊地段管道要求，目前国产顶管机制造商亦在开发多用类型异形断面顶管机，传统顶管铺设管道均为圆形的预制混凝土、玻璃钢夹砂馆、钢管等管道，随着不同功能需要的管道（涵洞、管廊、人行通道等）断面呈现多种形式工艺的顶管，随着城市建设的需求，也逐步得到发展，如图3 所示。
虽然顶管技术在众多的市政地下管道工程中发挥着越来越大的作用，但是还是需要强调，顶管技术非万能，亦存在其局限性，主要体现在地层适应性：①均一稳定地层视为顶管理想地层；②对于差异性较大、局部岩石出露等复杂地层采用顶管技术逐渐成为现实；③对于高硬度（三轴抗压强度在100MPa以上）岩层，采用顶管技术铺设管道慎用，在80MPa 及以下岩层和土层均能采用顶管技术；④对于存在抛石孤石等松散地层，建议根据实际情况选用适合的机型。

图2 常见国产土压和泥水平衡顶管机刀盘切削具布置情况

图3 异形断面顶管机及其刀盘布置
2 工作原理
本技术采用了机械平衡式顶管机。该机型是一种以全断面切削土体，以泥水压力来平衡水土压力，又以泥水作为弃土载体的机械式顶管机。
通过置于工作井内液压千斤顶顶推掘进机头，将混凝土管道逐节顶进到预设土层中，实现管道敷设。设备的主顶油缸不是位于顶管机内，而是在顶进工作坑的主顶工作站。对于较大口径的顶管机，为了安放所需的施工机械，也可以将紧接着顶管机的管道作为顶管机的后续部分来使用。施工原理如图4和图5所示

图4 泥水平衡顶管技术原理 图5 土压平衡顶管技术原理
3 存在问题
从多年从事顶管工程施工，以及设备研发过程中，目前国产顶管机乃至进口先进顶管机，主要存在以下技术瓶颈：①交错性地层的局限性；②高强度岩层顶进低效率；③长距离、曲线顶管机稳定性及测控；④松散卵砾石地层；⑤刀具更换及机加工能力缺陷。
4 工程实例分析
工程实例一：厦门110kV半曾Ⅱ回、半将Ⅱ回、半鸿Ⅱ回线路开断进金榜变工程
工程周期：2009 年11 月～2010 年6 月，工程位于福建省厦门市文曾路，本工程为110KV 半曾Ⅱ回、半将Ⅱ回、半鸿Ⅱ回线路开断进金榜变工程，设计2 段顶管，顶进采用Φ2000mm 钢筋砼企口管，埋深5m，顶进长度为180m 的泥水平衡曲线顶管。
顶进段分为：直线顶进段（133.8m），缓和段（16.8m），圆曲线段（39.4m）。根据场地条件和选用设备的性能参数，理论计算曲率半径R 为300m，项目工程拟采用的曲率半径R 为200m，并且掘进机头的最大纠偏角度要达到3，钢筋砼管内安装电缆支架。工程施工区域地质情况及平面如图6所示。
工程特点：顶进地层依次是砂层、回填层、全风化花岗岩层、中风化花岗岩和回填层等众多复杂地层。地层最大岩石抗压强度超过60MPa。并且由于场地有限，工程设计采用曲线顶管施工工艺进行电力管道的铺设。工程效果如图7所示。
工程实例二：厦门枋湖- 钟宅湾片区220kV 架空线缆化改造工程
工程周期：2010 年5 月～2010年7月，厦门枋湖钟宅湾片区220kV 架空线缆化改造工程，横穿金尚路顶管工程，采用Φ3200mm钢筋砼管顶管专用管，顶管长度76m，并设工作井1 座、接收井1 座。工程施工区域地质情况如图8所示。
工程特点：顶管管道口径大，顶进地层同样也有高强度岩石地层。工程效果如图9 所示。

图6 工程施工区域地质剖面图及现场平面图

图7 110kV 半曾域回尧半将域回尧半鸿域回线路开断进金榜变工程
1顶管顶进中，2顶管段内支架，3顶管机操作台，4双级油缸顶中，5顶进接收井，6地面通风口

图8 工程施工区域地质剖面图及现场平面图

图9 厦门枋湖-钟宅湾片区220kV 架空线缆化改造工程
1双级油缸顶进中，2顶进接收井，3顶管完工设备起吊，4顶管段内支架，5泥浆分离系统
5 结论和展望
（1）对顶管技术的适用性认识不够
随着国民建设对非开挖技术的需求，如何根据不同的环境、地质条件等要求正确选用不同的机型和工艺，以减少盲目投入而造成的损失，是目前社会投资的通病。
（2）相关政府主管、设计等部门缺乏系统化了解和学习
非开挖工艺的发展与我国改革开放大环境息息相关，但一些政府主管部门、设计、规划等未经正规、系统专业的培训，缺少对该工艺的正确认识。
（3）工程队伍水平差异太大
非开挖工艺80 年代末在我国发达、沿海城市发展以来，早期进入此行业的已形成行业领军，但由于机制的问题，一些游兵散将带出的队伍形成了二流三流队伍，出了不该出的一些问题，难以规范管理。
（4）法规不健全
无国家权威性施工与验收技术规程；无预决算定额标准或不健全（大口径）；针对以上存在的问题，我们希望行业在未来的发展过程中，加强以下发展，才能更好的推进顶管技术的发展和完善；加强政府对顶管企业、工程等规范化管理；如何合理应用地下空间；建立顶管单位资质制度；行业系统化培训和继续学习教育；建立区域顶管技术专家库等。
《非开挖技术》2013（2）P57-62