山區長距離大直徑復雜地質頂管技術探討與實踐★

王清江 王 悅

(重慶工商職業學院，重慶 401520)

1 工程概況

重慶市某水利樞紐工程，輸水工程線路總長為24.965 km，設計無壓隧洞7座，總長18 965.2 m，隧洞斷面凈空直徑2.65 m，外徑3.17 m。采用鋼筋混凝土預制管，管壁厚26 cm，頂管施工技術，單口最長頂推距離3.26 km。頂管工程見表1。

工程地質情況：頂管穿越山嶺區，圍巖地質為泥巖、粉砂巖夾砂巖、白云巖、灰巖夾巖溶角礫巖等，巖體微風化。

表1 頂管工程表

2 技術原理

1)頂管施工技術原理。輸水隧洞管節預制加工，每節長2.5 m，運至現場，吊放進工作井，通過頂推設備，頂入巖層。頂推過程中，隧洞掌子面盾構同步作業，向前掘進，渣土由泥漿通過泥漿泵攜帶出洞外，同時為減少頂推阻力，頂推時隧洞管節背后注入觸變減摩泥漿[1]。2)觸變泥漿減阻原理，通過在管壁外壓注觸變泥漿，形成泥漿套，使頂管在泥漿套中頂進，以減少阻力，泥漿套厚度5 cm。3)中繼間接力頂進原理[2]，每150 m設一處中繼間，接力頂進，分段克服摩擦阻力。4)長距離制導，采用高精度陀螺儀自動導向系統。

3 技術方案

根據項目長距離和地質復雜的特點，經比選，本項目采用泥水平衡頂管施工方案。泥水頂管機組成：微盾構及配套系統、頂進系統、陀螺儀導向定位系統、泥水輸送系統、潤滑與灌漿裝置和泥水處理系統。

3.1 施工準備

工作井長13.5 m，寬8 m，工作井內設基座與后背墻、主頂、始發洞、爬梯、集水坑等[3]。

1)基座安裝。導軌基座采用鋼結構，導軌的坡度應與設計管道坡度相一致，軸線位移控制在±3 mm，平面高程控制在0 mm～±3 mm。2)后背墻施工。后背墻位于頂管工作井頂進方向的對面，采用雙排32工字鋼和5 cm厚鋼板，30 cm厚C30鋼筋混凝土墻。3)洞門止水裝置。頂管施工過程中，為防止地下水、泥砂和觸變泥漿從管節與洞壁的間隙中流到工作井中，須安裝洞門止水密封板。

3.2 主頂系統

主頂系統主要由千斤頂、組合千斤頂架、液壓動力泵站及管閥、頂鐵、泵站及控制系統組成。

1)千斤頂。a.主頂千斤頂應對稱安裝，以保證管節受力均勻，主頂油缸為6臺行程3 m、每臺頂力為350 t的千斤頂，固定在油缸架上，主頂力最大可達2 100 t。b.千斤頂合力的作用點必須在管道中心的垂直線上。

2)頂鐵。a.頂鐵應有足夠的剛度，并且頂鐵的相鄰面相互垂直。b.頂鐵與管口之間應采用緩沖材料襯墊。

3.3 微盾構頂管機

機頭吊裝應平穩、避免碰撞(見圖1)。

3.4 中繼間安裝

中繼間采用鋼材制作，沿管環設置千斤頂[4]，通過加設中繼間，把原來需要一次性連續頂進幾百米或者幾千米的長距離頂管，分成若干個短距離的小段來分別加以頂進(見圖2)。

1)中斷間布設，第一個中繼間設置在頂管機后30 m位置，第二個中繼間及其以后中繼間根據頂推阻力進行調整，一般每隔150 m布置一個虛擬中繼間，每隔300 m布置實體中繼間。2)中繼間拆除，由前向后依次拆除中繼間內的頂進設備，拆除的空間由后面的中繼間繼續向前頂進，使管口相連接。

3.5 泥水系統

泥水系統包括泥水分離站、進漿泵、排漿泵及管路[5]。

4 工程實踐

頂管施工工藝流程圖見圖3。

4.1 管道頂進

1)頂進作業流程。打開旁通閥→啟動排泥泵→啟動進泥泵→刀盤運轉→打開止水閥→關閉旁通閥→主頂油缸頂進。2)管節頂進到位吊放下一管節前作業程序。主頂油缸停止頂進→刀盤停止運轉→打開旁通閥→關閉止水閥→旁通狀態下運行數分鐘→進泥泵停止運轉→排泥泵停止運轉。3)頂進壓力值及糾偏。頂進壓力值與覆土深度和巖土地質情況相匹配，施工時，每節管節頂進完成后，對機頭姿態進行測量，發生偏差，隨時糾偏。

4.2 管道安裝

1)頂推千斤頂暫停，且后退油缸，泥水系統暫停進、排泥漿，暫停掘進系統，拆除排漿管道，風管，觸變泥漿管，信號線，電源線，監控線等管線，吊裝管節到井下、就位。連接已拆除的管道，啟動頂推系統、泥水系統、掘進系統等，繼續頂進施工。2)管節間采取“F”型承插連接，管節吊裝采用專用夾具，管節吊裝前，檢查管節承插口尺寸，橡膠圈和襯墊板質量，檢查合格后，在接口處涂抹薄層油脂，以減少阻力。管道安裝見圖4。

4.3 壓注觸變泥漿

為減少摩阻力，頂進中向管節外壓注觸變泥漿，變固體間的滑動摩擦為固液間的滑動摩擦。

1)觸變泥漿。觸變泥漿由膨潤土、純堿、粉末化學漿糊和水組成。一般泥漿配比見表2。2)觸變泥漿壓注。采用高壓泵壓注泥漿，最高壓力5.8 MPa，見圖5。3)注漿管。注漿主管為φ70 mm鋼管，沿線每間隔15 m設一個三通管，支管為φ25 mm橡膠管，連接管壁上預留的注漿孔。4)管道注漿孔。每5節普通管道布置1節帶注漿孔的管道，帶注漿孔管道設置三個注漿孔，呈120°平均分布，并配置帶注漿閥門開關和塑料注漿管道。

表2 泥漿配比表

5 結語

大直徑頂管長距離穿越山嶺區域時，因地質復雜，常會遇到卡管無法推進等問題，但頂管施工對地層擾動小，施工噪聲和空氣污染與傳統工程施工方法相比小的多，且頂管施工為保壓模式，可有效減少施工時地下水的流失及對水文環境的影響，保護施工地水資源。隨著人民對美好生活的需求，本技術應用前景將越來越廣闊。