顶管机刀头改进.docx

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顶管机刀头改进

1.编制范围、依据及参建单位

1.1编制范围

一、本工程为南昌阳明东变配套市政地下综合管沟工程A标，从变电站出线沿阳明东路穿越京九线至阳明东路洪都北大道路口3#井位，2#~3#井段：

阳明东路以西向东200米Φ3.5米的顶管隧道。

本工程施工内容包括线路管沟部分、隧道部分及其附属设施的土建工程施工。

1.2.编制依据

（1）业主提供的本工程设计施工图纸；

（2）本工程施工现场踏勘相关资料、岩土工程勘测报告

（3）施工技术规范和标准；

1、《顶管施工技术及验收规范》（试行）

2、《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246：

2008）

3、《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）

4、《市政地下工程施工质量验收规范》（DG/TJ08-236-2006）

5、《城市工程管线综合规划规范》（GB50289－98）

6、《建筑结构荷载规范》（GB50009－2012）

7、《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）

8、《基坑工程技术规范》（DG/TJ08-61-2010）

9、《地下工程防水技术规范》（GB50108－2008）

10、《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）

11、《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2011）；

12、《电气装置安装工程电缆施工及验收规范》（GB50168-2006）

13、《电气装置安装工程接地装置及验收规范》（GB50169-2006）

14、《建筑电气工程施工质量验收规范》（GB50303-2002）

15、《气体灭火系统施工及验收规范》（GB50263-2007）

16、《城市电力规划规范》（GB50293-1999）

17、《声环境质量标准》（GB3096-2008）

18、《环境空气质量标准》（GB3095-2012）

19、《建筑防排烟技术规程》（DGJ08-88-2006）

20、《安全防范工程技术规范》（GB50348-2004）其它相关的行业标准。

1.3.参建单位

工程名称：

南昌阳明东220KV输变电配套市政地下综合管沟工程A标

建设单位：

南昌轨道交通集团有限公司

设计单位：

江西省电力设计院

监理单位：

江西中昌工程咨询监理有限公司

施工总承包单位：

上海城建市政工程（集团）有限公司

2.工程概况

2.1工程总概况

本工程电缆构筑物分为隧道部分，隧道部分为：

非开挖顶管施工工艺（隧道由预制管段结合工作井构成）

1）顶管工程

本工程顶管总长为200m，由三号工作井至2号工作井。

顶管采用预制钢筋混凝土管，管径规格为DN3500。

2.2工程地质条件

2.2.1地形地貌

线路路径原始地貌为赣江冲积平原，现均为南昌市城区主要道路，地表已被砼固化，标高在18.6-20.6米之间。

2.2.2地基土的构成与特征

根据本次钻探揭露，拟建线路路径区出露地层按地质年代从新到老可分为：

第①层杂填土（Q4ml）：

灰褐色、杂色，湿，松散；主要由粘性土、砂砾石、砼碎块、碎砖块等组成，上部粗颗粒较多，下部大部分地地段主要以粘性土混砂砾组成。

第②层淤泥质土（Q4al）：

褐灰色，很湿，软塑，稍有腐臭味。

第③层粉质粘土（Q3al）：

灰褐色、黄褐色，湿，硬塑，底部局部呈可塑-硬塑状，韧性及干强度中等，无摇震反应，刀切面较光滑光滑。

大部分区域均有分布，及洪都大道体育公园大门口对面等地段、相思林公园一带局部地段缺失。

第④层粉质粘土混细砂（Q3al）：

褐黄色，湿，可塑，混约20-30%细砂，局部分布。

平均厚度为2.01米。

第⑤层中细砂（Q3al）：

褐黄色，很湿-饱和，稍密-中密，摇振反应迅速。

大部分地段分布，主要在洪都大道北侧一带局部地段缺失。

平均厚度为2.37米。

第（5-1）层淤泥质土（Q3al）：

褐灰色，很湿，软塑；稍有光泽，韧性中等，干强度较大，无摇震反应，可见腐殖质，稍有腐臭味。

此层为第⑤层中细砂的夹层，呈透镜体状分布，局部分布。

第⑥层粗砂混砾石（Q3al）：

褐黄色，饱和，密实，成分以石英长石为主，以粗砂为主，混约20-30%砾石。

第⑦层砾砂混卵石（Q3al）：

褐黄色，饱和，密实；混约20-50%砾石及卵石，局部砾卵石含量大于50%，呈圆砾状，其中卵石含量约10-20%，局部可达30%；砾石粒径约2-10mm，卵石粒径2-5cm,个别可达7-8cm,次磨圆，颗粒分布不均匀，密实度差异性也很大，全场地分布。

第（8-1）层强风化粉砂质泥岩（Exn）：

紫红色，强风化，岩石风化强烈，裂隙发育，岩芯多呈块状，遇水易软化，手可折断。

全场地分布。

第（8-2）层中风化粉砂质泥岩（Exn）：

紫红色，中风化，岩石风化较强烈，裂隙较发育，岩芯多呈柱状，遇水易软化，锤击易断。

全场地分布。

2.2.3地下水类型

线路路径原始地貌为赣江冲积平原，地下水有二层，上部为第四系孔隙水，为上层滞水，埋藏相对较浅，一般在3.5米以内，水量一般，其补给来源主要为大气降水、地表水及生活污水，排泄方式主要为蒸发及向低处渗透，水位随季节变化较大；下部地下水为第四系孔隙潜水，微承压，埋藏相对较深，根据勘测期间所测水位，一般在6.0-9.0米左右，水量丰富，其补给来源主要大气降水及赣江水系泾流补给；此层地下水位随季节变化而变化，变化幅度一般在1-3米之间，据本地经验，随着城市地下水限采，地下水取水逐渐减少，水位有缓慢上升的趋势；设计施工时应既要考虑上部上层滞水又要考虑砂层中所含孔隙潜水及对基坑开挖的影响，应采取措施防止基坑塌坍和涌水涌砂的现象。

2.2.4不良地质条件

根据现场踏勘、钻探，拟建线路路径范围内无可溶岩，不存在溶洞，地层稳定，无滑坡、崩塌、泥石流等不良地质作用；但存在较厚填土及淤泥质土等软土，基坑开挖时应采取支护措施。

2.3顶管管径较大，管道深度较深

重、难点：

本工程顶管管径为DN3500,顶管覆土深度达到10～11ｍ。

因此本工程顶管管径较大、管道深度较深。

如何保证顶管工程的正常进行及施工质量作为本工程的重点之一。

应对措施：

（1）顶进采用平衡性好的顶进工具，采用土压平衡式顶管机顶进。

（2）对顶管纠偏，进出洞口措施，根据土层的土质情况，制定切实有效的技术措施。

依据机头折角、倾斜仪基数和走动趋势、前后尺读数比较、机尾处地面沉降量等等决定纠偏操作方案。

（3）当发现沉降量接近控制量，立即停止推进，调整土压力控制值，并采取相应的跟踪注浆措施。

（4）主要施工技术参数的控制

顶管顶进速度是保证切口土压力稳定、正面出土量均匀的主要手段，所以在顶进时，应对顶进速度作不断的调整，找出顶进速度、正面土压力、出土量三者的最佳匹配值，以保证顶管的顶进质量，也能让顶进设备以最和顺状态工作。

（5）顶进轴线的控制

顶管在正常顶进施工过程中，必须密切注意顶进轴线的控制。

在每节管节顶进结束后，必须进行机头的姿态测量，并做到随偏随纠，且纠偏量不宜过大，以避免土体出现较大的扰动。

（6）管节减摩

制定合理的压浆工艺，严格按压浆操作规程进行。

为使顶进时形成的建筑间隙及时用润滑泥浆所填补，形成泥浆套，达到减少摩阻力及地面沉降。

压浆时必须坚持“随顶随压、逐孔压浆、全线补浆、浆量均匀”的原则，注浆压力控制在0.5kg/cm2左右。

（7）顶进技术措施

①穿越前对全套机械设备进行彻底检查，保证其顶进时具有良好的性能。

②严格控制顶管的施工参数，防止超、欠挖。

③顶管顶进的纠偏量越小，对土体的扰动也越小。

因此在顶进过程中应严格控制顶管顶进的纠偏量，尽量减小对正面土体的扰动。

④施工过程中顶进速度不宜过快，一般控制在15mm/min左右，尽量做到均衡施工，避免在途中有较长时间的耽搁。

⑤在穿越过程中，必须保证持续、均匀压浆，使出现的建筑空隙能被迅速得到填充，保证管道上部土体的稳定。

（8）在施工设计中，根据铁路保护要求，合理布置监测点。

现改进顶管刀头的理由：

由于青山湖隧道下有锚杆土钉，原有设计管线标高为了避开锚杆土钉设计，设计较深，现由于考虑到2号井与3号井开挖难度较大，现设计抬高3号井抬高2.5m，2号井抬高3m，顶管线路也相应抬高，可能切入青山湖隧道原施工开挖时护坡的锚杆土钉的范围，故对原有顶管机的刀头进行改良，确保可切除较为密集的锚杆土钉的需要，保证顶管施工的顺利推进。

3.刀头的特性及原理介绍

刀头依附于刀盘，刀盘是顶管机的关键部分，位于顶管机前端，直接与土层接触，主要功能是破碎工作面的岩土。

通常有四种形式的刀盘，如图一。

1.辅刀外边刀：

较常见，多在粘土、粉砂等软土层中使用。

2.主切刀：

顶管机多采用。

3.贝壳刀：

适用于砂层、含砾石层等较硬土层。

4.粉碎滚刀：

可用于在坚硬的岩石中掘进。

刀盘破碎岩土的方式一般分为两种，第一种是铲刮式的切削，采用平刃刮刀，刀头前端焊接超硬合金块，靠刀盘旋转，将土层刮削破碎，适于各种土质，如粘土、砂土、砂砾等；第二种是滚动式切割，采用滚刀，刀刃镶有超硬合金，靠刀头的滚动切割地层，可对付坚硬的岩石。

顶管机掘进过程中对地层的破碎是一个十分复杂的过程，受许多因素的影响，包括管道直径、刀盘形式、切削方式等，其中起决定作用的是掘进地层的土质及强度，施工中按不同的土质选择不同形式的刀盘与刀头，大体上可将地层分为如下几种类型：

1．粘土层：

如粘土质的泥、页岩和粘土层等，粒度细小，质地较软，机械强度较低，对刀头的磨损小。

切削下来的粘土颗粒经常会粘结在一起，将切削刀牢牢地糊住，增加了刀盘阻力，引起驱动刀盘的电机电流增大，严重时刀盘电机不能起动，给施工带来麻烦。

2．砂土层：

粘性小，粒度中等，在掘进过程中，这类地层并没有被真正意义的破坏，只是颗粒之间的相互联系被切断，如果其质地较为坚硬、堆积较紧密时，对刀头会产生较大的磨蚀作用。

3．砾石层：

无粘性，粒度大，质地坚硬，机械强度大，掘进时不但对刀头有较大的磨蚀作用、而且对刀头有极大的冲击作用，常常将刀头的硬质合金部分磕裂、磕碎。

4．硬岩层：

使用普通的铲刮式平刃刀头不能对颗粒之间已经紧密胶结成坚硬的岩石进行破坏，需要安装专门破碎岩石的滚动刀头，利用刀头的转动及掘进机的顶推挤压作用，可将岩石挤压破碎成为岩屑。

4．刀头的改进方案

目前，其他区段所采用的顶管刀头中没有采用粉碎滚刀考虑到锚杆有一定强度现改良方案如下图：

如上改进后，首先增加了56套粉碎滚刀，大大加强顶管对坚硬障碍物的粉碎能力。

在实际工作中刀头的耐磨性确实大大增强，但在砾石层及含砾的砂层中施工后，发现许多合金块缺失，而刀座却较为完整，切削刀头、中心刀头、边缘刀头均有此现象出现。

分析后认为，合金块的缺失不是磨损造成，而是刀盘旋转时遇到了土体中粒度大、质地坚硬的砾石，砾石磕碰合金块，使刀块断裂、脱落。

硬质合金的硬度大，耐磨性能好，但是脆性较大，抗冲击能力差，硬质合金与刀座的接合面有两个，在旋转刮削土体的过程中，硬质合金块受到坚硬砾石的冲击，合金块易发生断裂。

如果将刀块倾斜45°安装，刀块与刀座之间形成三个接合面，硬质合金被完全被包裹在刀座之中如下图，增加了接触面积，刀座采用45＃工具钢，韧性大，抗冲击能力强，合金块被刀座有效地保护起来，增强了抗冲击磕碰的能力，延长了刀头的使用寿命。

为了最大限度地增加刀盘抗砾石冲击的能力，我们将边缘刀、切削刀、中心刀全部做成了这种形式。

经过以上改进完成后，使用改进后的刀头，我们顺利地完成了该项在穿越锚杆区域长距离的顶进任务。

5.刀头的加工方法

刀头由刀座与硬质合金块两部分组成，刀座选用45#工具钢制造，将40毫米厚的钢板，切割成刀座的形状；在安装硬质合金块的部位，按合金块的尺寸，用铣床加工出倾斜45º的凹槽；合金块选用坚硬耐磨材料，我们使用的型号是YG8-A；采用铜焊方式将硬质合金块固定到凹槽内；使用硬质堆焊焊条，沿合金块与刀座的接合线堆焊，将合金块完全包裹，然后，在刀座上焊出数条耐磨焊线，最后，将整个刀头焊接到掘进机刀盘旋臂边缘的恰当位置。

附件《3500刀盘刀布局图》

上海城建市政工程（集团）有限公司

南昌阳明东变配套市政地下综合管沟工程A标

3#至2#井顶管顶进

刀盘改良方案

编制：

审核：

审定：

上海城建市政工程（集团）有限公司

南昌阳明东变配套市政地下综合管沟工程A标项目经理部

2015年5月24日