顶管工程在我国已处于蓬勃发展阶段。不同类型的顶管掘进机对不同地质及周边环境情况具有不同的适用性，同时不同类型的顶管掘进机施工过程中地层变形、施工效率、精度控制等也不完全相同，因此顶管施工能否顺利进行，顶管掘进设备的选型是一项重要因素。而顶管掘进机的选型必须要有详实的地质水文、周边环境以及风险控制指标(如地层沉降指标、建筑变形指标)等相关资料，并结合其自身特性来进行 ^[1,2,3]。国内外很多学者对顶管掘进机选型研究主要针对地质、水文、周边环境、顶管掘进机参数等方面，侧重于对地层的适用性进行分析。本研究结合太原市迎泽大街下穿火车站通道工程实践，对工程地质、水文、周边环境、地下障碍物、风险控制指标、顶管掘进机参数等进行分析，确定顶管掘进机的类型，为工程顺利完成奠定了基础。

　　 太原市迎泽大街下穿火车站通道建设工程是太原市向东拓展的控制性工程，是太原市向东拓展的主通道之一。根据规划，迎泽大街在太原站西广场分为上下行，分别从车站南北两端雨棚柱间下穿。主要工程为2座车行通道;通道采用新管幕法 ^[4]施工，管幕段总长207.5m，其中北侧通道管幕段长102.5m，南侧通道管幕段长105m。南、北侧通道管幕段根据工艺需要各顶进20根直径2.0m钢管，形成管幕，钢管间距16cm，覆土深2.7m。管幕钢管布置如图1所示。

　　 根据地质勘察报告及现场地质资料调查，拟建工程处的地层从上至下依次为:(1)₁杂填土松散～稍密，主要由建筑垃圾、黄土及少量碎石组成，表层可见20cm混凝土块。(2)₁新黄土软塑，主要成分为粉粒，土质均匀，偶见白色菌丝，微含姜石。(2)₂新黄土硬塑，主要成分为粉粒，土质均匀，偶见白色菌丝，微含姜石。

　　 勘察区域内地下水主要赋存于新黄土、填土中，主要接受大气降水补给;稳定水位埋深为6.2～13.6m，平均值9.98m，水位高程为795.990～801.050m，水位变化受大气降水的影响有升降变化。根据管幕位置，管幕下排钢管位于地下水位以下。

　　 新黄土渗透性等级为弱透水，杂填土及素填土渗透性等级为中等透水。通道地质及水文状况具体如图2所示。

　　 1)太原火车站站内有站台4座，正线、到发线10条，管幕顶距离钢轨顶最小距离3.5m。

　　 2)管幕从两雨棚柱基础之间穿过，管幕距离雨棚基础最小为1.35m。

　　 3)南通道需下穿既有行包地道出入口敞开段，竖向最小净距约1.2m。

　　 4)通道下穿4座站台，竖向最小净距约1.8m。

　　 5)通道下穿股道间列车上水给水管及排水管，竖向最小净距为1.5m。

　　 6)管幕结构距离接触网柱较近，平面最小净距1.93m。

　　 因车站为百年老站，经过多次站改，地下可能存在大量废旧构筑物、管线以及铁路设备等障碍物。为进一步明确障碍物位置和类型，并对管幕经过范围采取了地质雷达等方法进行综合探测。根据探测报告，管幕通过区域地下存在大量异常范围，结合工程资料调查，站内地下可能存在以下障碍物。

　　 1)在太原站采用无柱雨棚前，在站台上设置了钢筋混凝土雨棚，雨棚柱桩基采用1.2m挖孔灌注桩。桩深为10.0～13.8m，桩间距为10.2m，具体位置不能确定，但管幕范围内必定存在。

　　 2)下穿范围内可能存在旧接触网基础，为钢筋混凝土基础，基础埋深约3～4m。

　　 3)站改时可能部分物料埋入地下，如旧木枕、旧混凝土枕、旧钢轨、废旧混凝土块、浆砌片石块等。

　　 根据相关规范并结合设备运营管理单位要求，本工程风险控制指标为:地表沉降(隆起)<10mm;管线及周边建筑沉降<10mm;周边建筑倾斜<1/1 000。

　　 目前顶管掘进机按其维持开挖面稳定的性能分为敞开式和平衡式两大类。敞开式顶管掘进机工作面上及其后没有压力封闭区，操作人员可以直接接近开挖面。平衡式顶管掘进机在工作面与盾体之间设置1道封闭的压力仓，通过压力仓建立压力来平衡水土压力，防止开挖面变形、坍塌。根据建立平衡压力的介质不同，平衡式顶管掘进机分为土压平衡顶管掘进机、泥水平衡顶管掘进机及气压平衡顶管掘进机3种。

　　 当在地下水位以上，并且挖掘面能够自立的土质，可采用敞开式顶管掘进机，当增加其他辅助措施后(如地层降水、顶管掘进机增设网格等)，就能增加土质适应范围。这种顶管掘进机施工后地面沉降相对较大，但其最大特点是在地下障碍物较多且加大的情况下，排除障碍的可能性最大，条件最好 ^[5]。

　　 当在地下水位以下或所穿越的土层是不稳定土层时，顶管掘进机的仓内压力与开挖掘进面水土压力相等时，才能保持开挖掘进面稳定，故在这种地层中的顶管掘进机采用平衡式顶管掘进机。平衡式顶管掘进机一般地面沉降相对较小，但难以处理较大石块或障碍物。

　　 顶管掘进机选型包括前期准备、中期论证、论证结论三部分。前期通过地质条件及周边环境条件总结归纳设计要求，中期从工程适应性论证，确定可选择的顶管掘进机，最后从经济性、安全性、工期等方面进行综合评价。依据本工程地质和水文、周边建筑物、地下障碍物、风险控制指标、工期、安全等情况，参照国内外相关工程实例、规范，按照可靠性、通用性、经济性、先进性相统一的原则，对顶管掘进机进行设计选型。本工程对顶管掘进机有如下要求。

　　 1)顶进精度要求高钢管间距16cm，偏差过大会造成后续钢管无法顶进。

　　 2)具备处理障碍物的能力站内地下存在大量障碍物，顶进时需要穿越障碍物。

　　 3)可有效控制地表变形为保证车站正常运营，必须达到相关规范及设备管理单位要求的风险控制指标。

　　 4)具备在浅覆土、杂填土地质中顶进能力站内地质为杂填土，覆土深度为2.7m。

　　 5)多台机组间通用性好发生刀具、机组零部件、配套设施损坏时可调换使用，大大降低设备风险 ^[6]。

　　 6)综合经济性要好顶管掘进机除具备良好的顶进功能外，经济方面也应在可接受范围内。

　　 针对本工程地质水文情况及周边复杂环境等因素，对不同的地层区域选择不同的顶管掘进机。

　　 目前关于盾构越障的研究主要集中在大中型施工方面，其越障方法不一定完全适用于工作空间小、破障能力有限的微型盾构(顶管掘进机) ^[7]。

　　 由于地层上部为杂填土，可能存在桩基等障碍物，将所有障碍物从地面开挖清除或采用回转钻机拔除(如废旧桩基)，因影响车站正常运营而无法实施。用主驱动强大和坚固的刀盘可能是一个直接穿过地下障碍物的解决方案，但是这样最大的风险是:由于坚硬的障碍物存在于杂填土中，强大的动力及坚固的刀盘在通过障碍物时必然造成障碍物及顶管掘进机振动甚至移动，这样很难预测和控制由于障碍物及顶管掘进机振动和移动导致的路基沉降，同时顶进精度难以控制，因此，从项目沉降、精度要求考虑不能选择该设备。

　　 小直径土压平衡顶管掘进机可以配备舱门，人员可以进入开挖舱。但由于舱门尺寸小，开挖舱内空间狭小，刀盘支持开挖面，进入舱内移除障碍物特别困难。移除一部分障碍物后掘进机需要继续向前掘进，这样才能接着移除剩下的障碍物并对开挖面提供更好的支撑，这只有在开挖舱内没有人作业时才可以进行，因此整个移除障碍物的过程是困难和缓慢的。

　　 既然该管幕上部没有地下水且地层较为稳定，采用敞开式顶管掘进机是解决地质为杂填土且存在障碍物的最佳方案。

　　 敞开式适用于含极少量或不含地下水的均质和几乎稳定的地层。由于设计特别简单，可以很容易地对这种掘进技术加以改装，以适应地质条件变化，既可用于疏松土壤，也可用于坚硬岩石。对于松散的土壤可以使用铲斗。根据具体的地质条件，多功能挖掘铲臂可装配挖掘铲、齿形铲斗等挖掘工具。铣挖臂则适用于较为坚硬的岩石地层，即单轴抗压强度高达80MPa的岩石。不论采用哪种挖掘臂技术，挖掘工具磨损后都可快捷简便地更换。渣土经皮带输送机运至后部的输送系统。敞开式顶管掘进机优势是操作员的工作位置离敞开的开挖面仅有几米距离，这样就可以精确地控制挖掘操作，对地层变化做出快速反应并采取必要的措施。譬如说，遇到漂石或其他障碍时，无须开挖另外的竖井，只需对障碍物周边土体进行注浆加固后即可人工破除障碍物。由于可以直接目视地质状况，方向掌控也更加容易。同时敞开式顶管掘进机配有与泥水和土压平衡顶管掘进机一样的主动铰接、导向、纠偏系统，这将使钢管顶进精度更准确。

　　 为保证顶进安全，同时敞开式顶管掘进机采取其他安全措施。

　　 1)加长盾体

　　 在无地下水的地层条件中，敞开式顶管掘进机依靠的是土壤的静止角这一物理特性。通常，这种直径的掘进机前盾部分长度约为1.5m。针对本项目，将前盾增长约50cm，并对挖掘头的位置进行了调整，将静止角增加到约35°。

　　 2)使用盾体封闭支撑架分台阶开挖

　　 在地层更松散的情况下，可在前盾部分加装盾体封闭支撑架，支撑架将开挖面分为上下2个台阶进行开挖。

　　 3)封闭开挖面

　　 当遇到地下水、开挖面涌泥及其他紧急情况时，可以在盾体封闭支撑架上安装钢板封闭开挖面，同时钢板上设孔洞，通过孔洞对开挖面进行超前注浆加固土体。

　　 下部原状土区域因位于地下水位以下，不适合采用敞开式顶管掘进机。泥水平衡顶管掘进机、土压平衡顶管掘进机均适用的土质范围广，从软黏土到砂砾土都能适用，能保持挖掘面稳定，地面变形极小，对地面建筑物、构造物、埋设物影响较小。土压平衡顶管掘进机其设备成本低、质量轻、结构简单，弃土运输处理方便，作业环境好。小直径土压平衡顶管掘进机可以在大约水压为0.1～0.2MPa的地层工作，也可以在覆土很浅的情况下工作，而泥水平衡顶管掘进机设备成本相对较高，施工覆土太浅时，易冒顶和漏浆，同时在黏粒太多的土层中工作，泥水分离困难，成本高，因此针对本项目特点，选用土压平衡顶管掘进机(EPB)较泥水平衡顶管掘进机更适合。

　　 土压平衡式掘进机的特点是将开挖出的渣土直接用作支护介质。装有刀具的旋转刀盘抵住开挖面削挖土体。渣土通过刀盘上的开口进入开挖舱，与开挖舱内已有膏状渣土混合。安装于刀盘和土舱压力舱板的搅拌臂对渣土进行搅拌，使其达到所需要的质地。压力舱板将推进油缸的推力传给开挖舱内的膏状土体，当开挖舱内的土体压力与周围土壤和地下水的压力相等时，就实现了必要的土压平衡。

　　 螺旋输送机将开挖舱底部的渣土转送到皮带输送机上，通过螺旋输送机速度与土压平衡式掘进机前进速度的平衡，确保精确控制膏状渣土的支护压力。开挖舱内的平衡由土压传感器持续监控。因此，土压平衡式掘进机操作员即使在地质条件不断变化的情况下，也能够微调所有的掘进参数，从而取得较高的掘进速度，并使地表隆起或沉降的风险降到最低。

　　 本工程所采用的土压平衡顶管掘进机具有如下技术特点。

　　 1)盾体直径为2 026mm，盾体厚度25mm，舱板上设边长450mm的正方形舱门，采用4卡锁耐用铰链开关系统。

　　 2)主驱动采用中心电动马达驱动，驱动功率为2×30kW变频驱动，额定扭矩150kN·m，最大扭矩190kN·m;主轴承密封型式为3道唇形密封，工作承压能力为0.3MPa，设计承压能力0.45MPa。

　　 3)土舱内配置土压传感器，并能够将土舱内的土压力传送到操作台的显示屏上，并且能自动的与设定土压力进行比较，土压过高或过低都会报警，可很好地控制土压平衡，减少地面变形。

　　 4)刀盘结构为四辐条式软土刀盘，开挖直径为2 045mm，开口率为66%。

　　 5)刀盘上有2个注浆孔，2个搅拌棒上各设有1个注浆孔，并在土舱舱板上设10个不同的备用注浆孔，可注泡沫改良开挖面的土体并处理掘进过程中存在的问题。

　　 6)纠偏油缸布置在45度方向上，油缸缸径140mm，行程60mm，最大推力4×770kN,4组纠偏油缸具有优良的纠偏功能，保证了顶进精度 ^[8]。每组2个纠偏油缸，并且油路串联，纠偏时调整油缸，按照“勤测量，多微调”的原则控制上下左右纠偏 ^[9]。

　　 7)螺旋输送机采用液压动力驱动，带轴叶片型式，叶片直径400mm，渣土最大通过粒径136mm。

　　 8)电器、液压元件质量稳定，防水性能好，响应迅捷，能适应管道内特殊环境。

　　 1)顶进精度通过分析所有顶管轴线偏差，单管最大偏差≤50mm，说明设备具有优良的纠偏能力，能够满足本工程顶进精度要求，随机选取3,9,11号3根钢管轴线偏差如图3所示。

　　 2)在浅覆土、杂填土地质中顶进能力及处理障碍物能力敞开式顶管掘进机在上排超浅埋顶管施工过程中多次遇到废旧钢筋混凝土桩基，通过注浆加固周边土体，凿除障碍物，按照设计顶进轨迹顺利完成。

　　 3)对周边环境的影响通过对站内轨道及周边建筑监测，单根钢管地表、管线及周边建筑沉降最大值2mm，周边建筑倾斜为0，表明管幕施工对周边建筑及地层的扰动较小，在允许范围内。

　　 4)顶进速度及施工进度本工程敞开式顶管掘进机正常顶进速度为80～100mm/min，土压平衡顶管掘进机正常顶进速度为60～80mm/min。敞开式顶管掘进机正常施工进度为8d/根，土压平衡顶管掘进机正常施工进度为10d/根。

　　 本文对顶管掘进机的重要性及分类进行了阐述，并以复杂环境下超浅埋大直径管幕下穿特级火车站工程为研究背景，对顶管掘进机的选型、技术特点、技术参数等进行了研究与探讨，选择了适合的顶管掘进机类型，通过现场实践证明，该工程顶管顶进精度、地面变形、障碍物处理能力等均满足现场需要，说明该工程顶管掘进机选型合理，为该工程顺利实施提供了设备保障，并为今后类似工程提供借鉴。