呂慶洲，唐夕明

(1.淮南聯(lián)合大學(xué)，安徽 淮南 232038；2.安徽唐興機(jī)械裝備有限公司，安徽 淮南 232009)

0 引言

通過回填方式形成的沿海陸地，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工時經(jīng)常遇到含有鋼筋的混凝土、編織袋、帆布等建筑垃圾和拋石、碎石組成的復(fù)雜回填土層。在這些地段實施頂管施工時，鋼筋類柔性雜物往往會引起頂管機(jī)刀盤纏繞、破碎不完全、進(jìn)渣孔和排渣管道或閥門堵塞、磨損等不良現(xiàn)象，引起頂管機(jī)負(fù)載增加、頂力增大、排渣困難、管道或閥門破壞等問題，嚴(yán)重時造成工程失敗。

含有建筑混凝土、拋石、碎石的復(fù)雜回填土層屬于土石混合體，其性質(zhì)隨著成分、含水率不同，具有明顯的非均勻性、離散性和各向異性。王凱[1]、宋上明[2]分析得出，在土石混合體地層進(jìn)行頂管穿越施工時，土石混合體地層嚴(yán)重影響著隧道的穩(wěn)定性，常引起塌方、冒頂、隆起等整體失穩(wěn)，并研究了穩(wěn)定性影響因素和失穩(wěn)防治措施。在復(fù)雜的回填土地層條件下采用盾構(gòu)和頂管施工的案例在國內(nèi)屢見不鮮，許多國內(nèi)同行在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。劉述林[3]研究了隧道穿越回填土層的施工技術(shù)；袁正中等[4]研究了土壓平衡頂管機(jī)在回填土地層中的應(yīng)用；何曉勇等[5]、潘國富[6]研究了泥水平衡機(jī)械頂管施工工藝的應(yīng)用及對比；劉麗花[7]研究了回填土層施工受阻處理技術(shù)。這些研究和應(yīng)用為回填土層進(jìn)行頂管施工提供了豐富的參考經(jīng)驗，但針對含有大量鋼筋等柔性雜物和混凝土、石塊在內(nèi)的復(fù)雜回填土層下的頂管施工方面的研究甚少。

為有效解決鋼筋等柔性雜物引起的頂管施工難題，通過分析鋼筋的破碎特性和復(fù)雜回填土地層的特點(diǎn)，對頂管機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對渣土排放設(shè)備進(jìn)行改造設(shè)計。該創(chuàng)新技術(shù)在深圳海斯比頂管工程中得到成功應(yīng)用，成功穿越了含有大量鋼筋等柔性雜物的建筑垃圾回填土層，以期為含有特殊柔性雜物地層的頂管技術(shù)研究提供借鑒。

1 復(fù)雜回填土層和鋼筋破碎特性分析

1.1 工程地質(zhì)情況

深圳南山區(qū)南海玫瑰園至海斯比污水排放頂管工程(簡稱海斯比頂管工程)采用DN1 350頂管，長400.7 m，穿越以建筑垃圾為主的特殊雜填土地層。經(jīng)地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)，填土層含有大量的混凝土塊、拋石、碎石，混凝土塊中含有大量的建筑鋼筋，其中還伴有大量的麻布、紡織袋、麻繩等柔性雜物，如圖1所示。

(a) 磚石、碎石 (b) 拋石

(c) 編制袋、麻繩 (d) 含有鋼筋混凝土圖1 回填土復(fù)雜地層Fig.1 Complex backfill strata

以建筑垃圾為主的雜填土地層土質(zhì)較松散，地層滲透系數(shù)大，施工時土層的擾動較大，加之地下水含量大，容易引起地表沉降甚至塌方。另外，由于地處填海區(qū)，海水與頂管施工的掌子面、注漿通道連通，海水會破壞注漿漿液的成分，改變漿液性能，嚴(yán)重影響注漿性能和效果，并對頂管施工設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕和破壞。

1.2 鋼筋破碎分析

混凝土中常見的鋼筋一般為HPB235和HRB335，但也會出現(xiàn)部分高強(qiáng)度鋼筋，其屈服強(qiáng)度可達(dá)400～500 MPa，延伸率可達(dá)25%左右,屬于韌性好、強(qiáng)度大的金屬材料。鋼筋混凝土的破碎與巖石破碎機(jī)制大不一樣，巖石型頂管機(jī)的刀盤布置有破巖滾刀，破巖滾刀以滾壓原理碎裂巖石[8]，也可破碎混凝土，但不易破碎鋼筋。滾刀擠壓鋼筋，能使之彎曲、變形，但很難使之?dāng)?、碎，因為滾刀在鋼筋上滾動只有滾動摩擦，其摩擦力很小，因此破碎鋼筋必須采用其他刀具切削和磨削的方法。盾構(gòu)切削鋼筋混凝土選擇的最佳刀具為貝殼刀[9-10]。貝殼刀形狀類似貝殼，刀身寬，且由多片硬質(zhì)合金組成，切削刃角小(見圖2)，因此抗沖擊能力強(qiáng)，磨削能力強(qiáng)，既能破碎混凝土、石塊，又能切削、磨削混凝土中的鋼筋。

圖2 貝殼刀具Fig.2 Shell cutter

1.3 貝殼刀切削、破碎機(jī)制

貝殼刀刀身寬、剛度大、耐磨性強(qiáng)，刀身前后對稱，可滿足正反方向切削。在盾構(gòu)上經(jīng)常應(yīng)用貝殼刀具破碎鋼筋混凝土樁，其切口為V形，刀具上鑲嵌合金的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼筋和混凝土的強(qiáng)度[11]。盾構(gòu)和頂管刀盤采用刀具合金一般為鎢鈷類(YG)和鎢鈷鈦類(YT)，其硬度為HRA89～91.5，抗彎強(qiáng)度為880～2 060 MPa；而鋼筋的最大屈服強(qiáng)度只有500 MPa左右，剪切屈服強(qiáng)度只有400 MPa左右。

刀具的切削鋼筋過程近似銑刀銑削鋼筋過程，切削功率

P=42.4×10-5D-0.3BS0.75t1.1Zn0.8。[12]

(1)

式中：D為刀盤直徑；B為銑削寬度，即貝殼刀刀具寬度；S為走刀量；t為切削深度，由頂進(jìn)缸控制；Z為齒數(shù)，即一周的刀具數(shù)；n為刀盤轉(zhuǎn)速。

因此，當(dāng)遇到鋼筋切削時，需要降低頂進(jìn)速度，減少進(jìn)給量，有利于鋼筋切斷。對應(yīng)的銑削力

F=CP·D-0.86·B·S0.72·t0.83·Z。[13]

(2)

式中CP為銑削力切削系數(shù)，當(dāng)銑削鋼筋時，CP=214。

例如DN1 350頂管機(jī)，其刀盤布置貝殼刀合金材料為YG6，硬度為HRA89.5，抗彎強(qiáng)度為1 450 MPa，屈服強(qiáng)度為640 MPa。刀具布置直徑以最小直徑計算，取相關(guān)數(shù)據(jù)為D=700 mm，t=10 mm，B=60 mm，Z=2，S=20 mm，n=4 r/min，計算最小切削環(huán)所需功率P=1.3 kW，所需切削力F=5 kN?？紤]整個刀盤布置5～7組直徑由小到大切削的同心切削環(huán)，估算整個貝殼刀所需動力小于10 kW，切削力小于40 kN。由于貝殼刀在刀面上的高度高于滾刀和其他刀具10～15 mm，因此在切削深度為10 mm的情況下，貝殼刀消耗動力為主要部分，而整臺頂管機(jī)動力為88 kW，因此切削鋼筋所需動力只占約11.4%，所需切削力也只占約20%。說明頂管機(jī)動力足夠，貝殼刀用于切削鋼筋的動力充足。

2 頂管機(jī)破碎結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計

2.1 刀盤結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計

含有石塊和混凝土等硬塊的回填土層的頂管施工，一般選用復(fù)合式巖石類頂管機(jī)進(jìn)行施工[13]。但深圳海斯比工程雜填土地層屬于特殊復(fù)雜的回填土地層，含有大量高強(qiáng)度的鋼筋等柔性雜物，頂管施工中必須解決鋼筋的切斷、破碎和排放問題。因此，頂管機(jī)的刀盤采用了特殊結(jié)構(gòu)和刀具配置的復(fù)合式巖石刀盤，其刀盤盤面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 復(fù)合式巖石刀盤盤面結(jié)構(gòu)Fig.3 Compound rock cutterhead

盤面配置滾刀、貝殼刀、切刀和刮刀，釆用貝殼刀和切刀作為先行刀，先行刀與刮刀高低配置。選配滾刀，主要為了破碎拋石和混凝土塊；選配貝殼刀，主要為了破碎混凝土和鋼筋。貝殼刀不僅刀身剛度大、耐磨性強(qiáng)，且刀身前后對稱,可滿足刀盤正反轉(zhuǎn)需求。合金刀刃布置在同一高度和同一條線上，可以連續(xù)切削鋼筋[11，14-15]；布置多組貝殼刀，可以將鋼筋切斷，方便進(jìn)入泥艙；配置稍低位置的切刀，可以對殘余鋼筋及混凝土實現(xiàn)全斷面切割和剝離。

為了減少鋼筋等柔性雜物在刀盤面上的纏繞，以便于未完全破碎的鋼筋順利進(jìn)入泥艙，刀盤開口率比正常刀盤開口率增大20%左右，且刀盤開口呈現(xiàn)由里向外逐漸擴(kuò)大。

2.2 二次破碎結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

進(jìn)入泥艙的石塊、混凝土塊和細(xì)長的鋼筋條很難直接通過排泥孔道輸出，需進(jìn)一步破碎成碎塊或碎片才能有利于排放。為了充分將硬塊和鋼筋等徹底破碎，對頂管機(jī)的二次破碎結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計。針對特殊柔性雜物鋼筋需要采用切、撕、磨等方法才能破碎的問題，在頂管機(jī)的二次破碎結(jié)構(gòu)中采用了旋轉(zhuǎn)錐形扭腿破碎結(jié)構(gòu)[16]，如圖4所示。所謂“扭腿”是指連接刀盤和動力輸入軸之間的部分，在此連接部分之間設(shè)有泥艙，為了減少阻力，增強(qiáng)泥艙的攪拌能力，在動力軸與刀盤之間建立類似支撐腿式的連接結(jié)構(gòu)，故也稱為“支撐扭腿”。這個支撐扭腿非常強(qiáng)壯，能夠輸出強(qiáng)大的轉(zhuǎn)矩用于克服刀盤上由于切削巖土帶來的阻力矩。

圖4 旋轉(zhuǎn)錐形扭腿破碎結(jié)構(gòu)Fig.4 Rotating tapered twisted leg crushing structure

多根刀盤支撐扭腿在空間形成一個錐體，與泥艙內(nèi)錐筒體形成一定間隙。在刀盤支撐扭腿相對內(nèi)錐筒面設(shè)置硬質(zhì)破碎刀條，在固定內(nèi)筒錐體設(shè)置固定刀條，兩者之間構(gòu)成破碎間隙或破碎空間。當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)時，進(jìn)入破碎空間的石塊、鋼筋或其他雜物將被扭腿上的旋轉(zhuǎn)刀體剪切、沖擊、擠壓、摩擦破碎；破碎后較小的碎塊通過內(nèi)筒錐體上布置的排渣孔，通過渣漿泵排出艙內(nèi)，向外排放。為了增強(qiáng)扭腿旋轉(zhuǎn)時切斷、撕裂鋼筋等韌性雜物的能力，進(jìn)一步將刀口設(shè)計成折線狀，如圖5所示。

圖5 扭腿式二次破碎刀口折線結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Twist leg type secondary crushing knife edge polyline structure crusher

3 頂管機(jī)其他系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計

3.1 排渣系統(tǒng)增加高壓水沖洗裝置和雜物收集箱設(shè)備

石塊、混凝土和柔性雜物的碎塊、碎片在通過排渣系統(tǒng)時，經(jīng)常引起管道的堵塞、滯排以及通過閥門、泵口的纏繞。為了防止鋼筋等柔性雜物堵塞排泥口，首先，設(shè)置了排泥管道逆流沖洗裝置，解決柔性雜物堵塞或滯留在排泥口的問題；其次，在排泥口增設(shè)了高壓水沖洗結(jié)構(gòu)[17]，發(fā)現(xiàn)輕微的堵塞或滯排現(xiàn)象時，可用高壓水流沖散排泥口堵塞或滯留雜物，同時不影響泥水排放；再次，在排泥閥門后設(shè)置了雜物收集箱，可以定時開箱手工清理較大的石塊、混凝土塊以及鋼筋、紡織品、麻繩等柔性雜物，解決管道堵塞問題；最后，為防止破碎后的鋼筋堵塞和磨損管道，在收集箱底安裝了磁鐵，收集破碎的鋼筋。雜物收集箱如圖6所示。

圖6 雜物收集箱Fig.6 Sundry collection box

3.2 泥艙人工處理進(jìn)艙結(jié)構(gòu)設(shè)計

柔性雜物纏繞刀盤會造成刀盤旋轉(zhuǎn)阻力、負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，甚至導(dǎo)致刀盤不能旋轉(zhuǎn)；泥艙內(nèi)排泥孔堵塞無法疏通，會造成無法排放、頂進(jìn)；刀具磨損嚴(yán)重不能破碎、切削，需要及時更換刀具?？紤]到極端情況下，為了保證人能夠進(jìn)入泥艙清理柔性雜物堵塞、纏繞或更換刀具，解決施工中可能出現(xiàn)的難題，需在頂管機(jī)內(nèi)開設(shè)人孔艙門。深圳海斯比工程中，由于頂管管徑(DN1 350)較小，可利用空間較少，因此頂管機(jī)采用回轉(zhuǎn)支承齒圈式動力傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計，替代傳統(tǒng)的中心傳動方式，如圖7所示。即將動力部件布置在頂管機(jī)筒體四周，充分利用筒體的中心空間開設(shè)人孔。這種回轉(zhuǎn)支承方式不僅可增大頂管機(jī)可用空間，在頂管機(jī)中心開設(shè)進(jìn)艙人孔，還能增強(qiáng)刀盤支撐錐體二次破碎結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性，提高刀盤的承載、驅(qū)動和抗沖擊能力。

圖7 回轉(zhuǎn)支撐式結(jié)構(gòu)Fig.7 Rotary support structure

為了保證進(jìn)入泥艙清障或換刀人員的生命安全和工作面的穩(wěn)定，頂管機(jī)均設(shè)置了快開式常壓密閉艙結(jié)構(gòu)。在前艙和后艙分別設(shè)置快開式密封艙門，在人員進(jìn)入泥艙進(jìn)行換刀、清理雜物作業(yè)時，利用密封艙氣壓維持頂管機(jī)工作面的穩(wěn)定，保持艙內(nèi)壓力，保障維修人員的生命安全。

4 采用特殊控制系統(tǒng)和施工工法

4.1 采用泥艙壓力自動平衡控制系統(tǒng)

為了防止排泥管道堵塞或地下水壓突然變化造成施工失誤或失控，引起大幅度的地表沉降，在頂管機(jī)PLC控制系統(tǒng)中增加了泥艙壓力、排泥、進(jìn)水管道流量實時監(jiān)測系統(tǒng)，同時用檢測獲得的信號控制進(jìn)水泵輸入流量和排渣泵輸出流量，達(dá)到穩(wěn)定泥艙壓力、實現(xiàn)智能控制的目的，出現(xiàn)異常時立即報警。

4.2 配制特殊體積分?jǐn)?shù)的抗腐蝕泥漿和實施管道、閥門的循環(huán)沖洗

在深圳海斯比頂管工程中，為了防止海水對頂管機(jī)部件的腐蝕和穩(wěn)定泥漿的工作性能，施工時有針對性地配置抗海水腐蝕工作泥漿和潤滑泥漿。由于鋼筋、石塊、混凝土密度大，配置體積分?jǐn)?shù)較大的工作泥漿形成較高壓力，從而浮起重粒，便于輸送。當(dāng)泥艙排渣孔堵塞時，采用高壓水對排渣孔進(jìn)行沖洗。經(jīng)常對排渣管道進(jìn)行逆循環(huán)沖洗，一方面可以減少雜物堵塞，另一方面可以減少海水對進(jìn)排泥水管道、閥門的浸襲和腐蝕。

4.3 建立頂管施工云服務(wù)平臺

頂管施工云服務(wù)平臺基礎(chǔ)設(shè)置有頂管實時檢測系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)和自動跟蹤系統(tǒng)，如圖8所示。實時檢測系統(tǒng)實時監(jiān)測頂進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)矩、頂進(jìn)推力和注漿流量等重要參數(shù)，顯示頂管機(jī)平衡和排放狀態(tài)；視頻系統(tǒng)實時監(jiān)控流量、壓力和重要部件等工作變化情況；導(dǎo)向系統(tǒng)顯示、跟蹤和自動調(diào)整頂進(jìn)方向。利用基礎(chǔ)設(shè)置建立的實時跟蹤、自動報警、數(shù)據(jù)顯示，有利于操作人員現(xiàn)場操作和分析，同時通過計算機(jī)存儲和網(wǎng)絡(luò)傳輸，及時將頂管機(jī)和施工信息傳輸?shù)绞┕けO(jiān)控單位，進(jìn)而傳遞到施工設(shè)備管理單位，對信息的共享、儲存、分析和安全管控起到了關(guān)鍵性的作用。

圖8 云服務(wù)信息管理平臺Fig.8 Cloud service information management platform

5 工程進(jìn)展情況

深圳海斯比頂管工程于2016年10月開始施工，2016年12月底順利貫通，歷時45 d，平均進(jìn)尺9 m/d。進(jìn)艙更換滾刀2次；收集箱收集了大量雜物如帆布、鋼筋、編織袋、貝殼、流木等，如圖9所示。由于施工前對施工可能遇到的困難和要求已考慮周全，頂管掘進(jìn)設(shè)備設(shè)計具有針對性，施工工藝科學(xué)合理，加上預(yù)防措施到位，問題處理及時，雖然地層復(fù)雜，但工程進(jìn)展順利，實現(xiàn)完美貫通，是一個穿越含有大量鋼筋等高強(qiáng)度柔性雜物的沿海復(fù)雜回填土層的頂管施工成功案例。

(a) 破碎鋼筋 (b) 破碎水泥塊

(c) 帆布 (d) 編織袋圖9 收集箱中收集的雜物Fig.9 Sundries collected

6 結(jié)論與建議

1)采用貝殼刀和錐體式二次破碎結(jié)構(gòu)可以有效地破碎建筑垃圾回填土層中的大量鋼筋類柔性雜物。針對含有大量鋼筋混凝土、拋石、碎石等的復(fù)雜回填土層，選擇配置了由滾刀、貝殼刀、切刀和刮刀等組成的復(fù)合式巖石刀盤；為了破碎高強(qiáng)度柔性雜物鋼筋，分組配置貝殼刀組做為先行刀；設(shè)計帶有折線的扭腿二次破碎結(jié)構(gòu)，有效地破碎了高強(qiáng)度、高韌性的鋼筋。

2)采取高壓水、逆沖洗、收集箱以及人工清除等多種方式可以有效地提升頂管機(jī)排除雜物、清理雜物的能力。在泥水管道中設(shè)置集物箱，及時排除雜物，避免纏繞和堵塞問題；在泥艙中設(shè)計沖洗高壓水裝置，有效解決了排泥孔清洗和堵塞問題；設(shè)置人工艙門，為特殊情況下進(jìn)艙清理雜物、刀盤纏繞和換刀開辟了人工通道。

目前針對含有柔性雜物復(fù)雜地層的頂管技術(shù)還不成熟，還不能保證完全成功穿越，需要進(jìn)一步研究。另外，針對特殊情況下在含有柔性雜物復(fù)雜地層的頂管施工，還需要進(jìn)一步開發(fā)新設(shè)備、新結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研究科學(xué)的施工工藝。