逆向反顶法在顶管机故障中的应用.docx

逆向反顶法在顶管机故障中的应用 摘要：本文介绍在某城市地下管廊建设过程中顶管施工顶管机头出现故障，顶管机由于主轴承破损，必须返厂维修的情况下，不设置临时工作井，采用逆向反顶的方法将已顶进的管节及顶管机头反顶至始发工作井吊出返厂维修的处理案例关键词：顶管；机械故障；逆向反顶1 顶管机故障分析经顶管机厂家人员检查发现：ID3000顶管机刀盘启动主轴承无支点运动，后方减速器有明显摆动；主轴明显后退5mm以上，与后轴承底座互相摩擦；刀盘启动后有明显金属挤压摩擦现象；后密封盖及齿轮箱内不断有清水流出；经厂家及现场管理人员综合判断，二次破碎顶管机轴承碎裂，进而导致顶管机密封失效因顶管机构造原因，轴承无法在地下完成更换维修，只能将顶管机头取出返厂维修2 处理方案的选择鉴于顶管机主轴承损坏，顶管机在地下无法像盾构机一样开仓维修，只能将机头取出返厂，故处理方案有两种：①设置临时工作井，开天窗，将机头吊出；②利用千斤顶逆向反顶，将机头及已顶进的管节反向拔出本例中顶管管节顶进7节，每节2.5m，共计17.5m，机头距离顶管始发井较近由于顶管通道距离高铁和道路较近，不允许采取大开挖方式，设置临时工作井必需进行咬合支护桩施工及开挖，工期较长，施工费用较高，故第一种方式不可取。

经慎重计算分析，决定尝试采取利用千斤顶逆向反顶的方式，将机头和已顶进管节反向拔出3 工艺原理及计算3.1 顶管机内的型钢焊接位置、焊缝计算3.1.1 顶管机头处槽钢连接安装采用上下共四根40a工字钢焊接在机头内，槽钢与每节管节上的预埋铁环焊接连接，增加整体、牢固、稳定的作用3.1.2 顶管机内的型钢焊缝计算机头部分焊接处如上图图所示：上下各2处，共8处，一般焊缝强度160n/mm2，每处焊缝约(400mm+400mm+142mm)*10.5mm=9891mm2，合计强度：9891*160*8=12660480n≈1266t另槽钢与每节管节上的预埋件也进行焊接连接，形成一个整体，增加整体、牢固、稳定的作用3.1.3 钢连续梁计算[ 基本信息 ] 左支座自由 右支座自由跨号跨长（m）截面名称11.700热轧普通工字钢(GB706-88):xh=I40a(型号) xh=I40a22.000热轧普通工字钢(GB706-88):xh=I40a xh=I40a31.700热轧普通工字钢(GB706-88):xh=I40a xh=I40a[ 计算结果 ] 跨号: 1左中右上部弯矩(kN-m)0.000075.3383501.3533下部弯矩(kN-m)0.00020.00000.0000剪　　力(kN　)-0.0001-500.7961-501.5921[ 计算结果 ] 跨号: 2左中右上部弯矩(kN-m)501.3532500.8849501.3532下部弯矩(kN-m)0.00000.00000.0000剪　　力(kN　)0.93650.0000-0.9365[ 计算结果 ] 跨号: 3左中右上部弯矩(kN-m)501.353375.33830.0000下部弯矩(kN-m)0.00000.00000.0001剪　　力(kN　)501.5921500.79610.0001[各跨最大应力]跨号正应力(上侧)(N/mm2)正应力(下侧)(N/mm2)剪应力(N/mm2)1256.710.0097.662256.710.0097.663256.710.0097.66[容许安全系数] 抗弯强度安全系数： 1.00000 抗剪强度安全系数： 1.00000[最小安全系数]跨号抗弯强度抗剪强度安全状态11.1491.741安全21.1491.741安全31.1491.741安全[各跨截面几何特性]跨号面 积(cm2)惯性矩Ix(cm4)抵抗矩WxA(cm3)抵抗矩WxB(cm3)回转半径ix(cm)惯性矩Iy(cm4)抵抗矩WyA(cm3)抵抗矩WyB(cm3)回转半径iy(cm)面积矩Sx(cm3)γx1γx21119.3046500.001860.001860.0019.701120.00141.77141.773.071086.401.051.052119.3046500.001860.001860.0019.701120.00141.77141.773.071086.401.051.053119.3046500.001860.001860.0019.701120.00141.77141.773.071086.401.051.05注：WxA—截面上部对x轴的抵抗矩； WxB—截面下部对x轴的抵抗矩；WyA—截面左侧对y轴的抵抗矩； WyB—截面右侧对y轴的抵抗矩；γx1—截面上部的塑性发展系数； γx2—截面下部的塑性发展系数。

[各跨材料特性]跨号抗拉强度(N/mm2)抗压强度(N/mm2)抗弯强度(N/mm2)抗剪强度(N/mm2)屈服强度(N/mm2)弹性模量(N/mm2)1295.00295.00295.00170.00345.002060002295.00295.00295.00170.00345.002060003295.00295.00295.00170.00345.002060003.1.4 逆向反顶施工计算顶力计算以DN3000顶管距离21m（W4-W3），工作井段顶管计算：F=F1+F2其中F——总推力，F1——迎面阻力（逆向反顶无迎面阻力）F2——顶进阻力F1=0T（逆向反顶无迎面阻力）F2=πD*f*L式中：f—管外表面综合摩阻力，取0.78T/M2D—管外径3.6mL—顶距21m管外表面综合摩阻力取0.78T/M2依据如下：顶进方向土压力：γh*0.42（地勘报告）*3.14/4*3.6^2=1384N四个油缸总推力：*3.14/4*300^2*12（顶进记录）*4=3391N反推实际摩阻力：（3391-1384）/3.6*3.14*22.5=0.78T/M2F2=3.14*3.6*0.78*21=185.2T因此，总推力F=F1+F2=0+185.2=185.2T，现场主顶计划使用四台200T级油缸，在推进时，每台油缸的最大顶力不超过200T，通过油泵压力来控制千斤顶总推力。

后背在顶力作用下，产生压缩，压缩方向与顶力作用方向一致当停止顶进，顶力消失，压缩变形随之消失这种弹性变形迹象是正常的，顶管中，后背不应当破坏，产生不允许的压缩变形后背不允许出现上下或左右的不均匀压缩3.1.5 千斤顶的选型（受力点同步均匀，机器整体平推出）现场选用 6台Φ300mm 200t千斤顶（如下图所示）（1）龙门洞处4台同时开启推进，平行推进2）后方2台同时开启但不进行推进，为防止前方拔管突然回退3）试顶前对受力点进行调试受力，待四个受力点受力均匀后同时开启四个千斤顶进行拔管作业，开展首节试推工作3.1.6 纠偏控制，管片与管片之间的转接3.1.6.1 竖直方向纠偏控制顶进方向的主要方法时改变单侧纠偏油缸行程，槽钢与每节管节上的预埋铁环焊接连接形成一个整体增加整体、牢固、稳定的作用当顶管机出现下俯时，可加大上侧纠偏油缸行程，当顶管机出现上仰时，可加大下侧纠偏油缸行程，来进行纠偏3.1.6.2 水平方向纠偏与竖直方向纠偏的原理一样，左偏时加大右侧纠偏油缸行程，右偏时则加大左侧纠偏油缸行程3.1.6.3 纠偏注意事项：（1）要随时根据工作面地层情况及时调整逆向反顶参数，修正反顶方向，避免偏差越来越大。

2）反顶时要及时进行纠偏，消除偏差后，再继续逆向反顶3.1.7 注浆减摩，壳体周边保持润滑拔管前对壳体周边注入触变泥浆保持润滑，减少管壁摩擦阻力顶管的推力就是顶管过程管道受的阻力，包括工具管切土正压力、管壁摩擦阻力及工具管气水压力为了减小顶压进阻力，增大顶进力，并且为了防止出现塌方，顶管过程中，采用在管壁与土壁的缝隙间注入触变泥浆，形成泥浆护套，减少管壁与土壁之间的摩擦力泥浆在输送和灌注过程中具有流动性、可泵性3.1.8 填充物的选择为避免对地面造成沉降影响，逆向反顶的同时对空体进行注浆填充在注浆前做注浆材料的配合比试验和强度检测，方便下次顶进刀具配置进行参考注浆浆液的配比为：1：0.5（初凝时间短，粘度高适合再次顶进）水：砂：粉煤灰：膨润土：石灰：外加剂=100：210：87.5：18：15：1.125，粉煤灰中除二氧化硅和氧化铝外，含10%以上的氧化钙，本身具有一定的水硬性由于粉煤灰的容重（表观密度）只有水泥的2/3左右，而且粒形好，能填充得更密实；能对水泥颗粒起物理分散作用，使其分布得更均匀3.1.9 注浆施工工艺要求（1）察看现场情况，规划好设备、钢管的摆放和位置清理、平整好场地，接通水、电管线，做好安全防护措施。

2）注浆管采用Φ40钢管，每根长18米，壁厚3.5mm，总长度与顶管道长度相同钢管采用螺纹套筒连接，在钢管两端用套丝机械套丝，并用套丝机油进行润滑，不得用水或其他液体代替为保证钢管螺纹根部的壁厚，必须严格控制管道螺纹的轴向螺纹偏差和轴向倾斜制作好的钢管应保护好螺纹丝道，保持丝道干净、无杂物，丝道不受损害连接时应在丝道上涂适量的黄油，起润滑、保护、密封作用用管钳拧紧，但不得过于使劲，以防丝道破坏，出现滑丝现象3）把连接好的注浆钢管固定在拖头上，采用焊接，应焊接牢固，可用钢板适当加强接头处的强度钢管位置应尽量靠近顶管，布置在两侧，有利于拖拉，减少阻力4）拖管前应检查管道连接是否牢固，钻机是否正常，喷泥浆头是否顺畅拉管时要求匀速向前，中间严控停顿，严格按照规范要求操作钻机操作手应密切注意钻机回拖力、扭矩变化，采取措施尽可能的减少管材与孔壁的摩擦阻力进管口要有人查看管道拖拉过程中是否平顺，有无扭曲，让注浆管和顶管尽量靠拢当注浆钢管拖出来后，从拖头上拆下注浆钢管，用钻机单独再拖出来一节6m松开套筒，卸下第一根注浆钢管5）当注浆满足要求后，停止注浆拆下进浆管接口，用钻机拖出下一根注浆钢管，接上进浆接口。

重复以上第四步（制浆、注浆）如此循环，直到注浆钢管全部完成6）注浆管下部开孔，上部应采用粘土密封7）反顶至龙门洞口处，停止拔管，此段1米采用增加水玻璃注浆材料双液注浆加固，水玻璃为速凝材料，可以起到快速凝结的作用8）洞口注浆料达到凝固强度后，机头吊出后，洞口用轻型钢板直接焊接封闭，并设置临时支撑加固根据以上计算和分析，倒拔顶管施工风险可控，工期短，造价低5 逆向反顶质量控制要点顶管机头与型钢焊接必须严格遵守相关焊接规程，焊接完成后必须进行探伤检测，保证钢结构焊接强度在施工过程中严格控制注浆料配合。