長距離巖石頂管施工關鍵技術

胡恒千

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400700)

1 頂管施工面臨的挑戰

我國頂管施工技術快速發展的同時，頂管裝備同步創新和進步，為頂管施工技術的進一步推廣奠定了技術基礎和裝備基礎，但與德國、日本等發達國家的先進頂管設備及施工技術相比，差距仍然較大。主要表現在：

(1)設備制造技術與國外還有差距。近年來，國產頂管設備發展較快，尤其長三角地區，生產廠家多總體規模大，頂管設備也在大量出口。但是總體質量不高，仍集中在中低端領域，以引進吸收為主，頂進距離短、自動化水平低。在高端市場尤其是技術難度大、頂進距離長、曲線頂管等領域，仍然以國外產品為主。國內生產企業的總體技術水平仍然與國際先進水平有不小的差距。

(2)地域上發展不平衡。我國東部地區頂管技術發展水平較高，僅廣東、上海、浙江、江蘇和山東5省市即占全國頂管施工工程量的3/4；中西部地區應用很少，局限于市政管網和西氣東輸項目。近年來，重慶市政、石油等行業也在逐步開始使用微盾構頂管施工技術，例如重慶市果園港排污管道，采用頂管掘進機施工，施工總長約4.7 km，單個工作面最長頂進長度約360 m，管道內徑1.65 m、外徑1.98 m，最大頂進速度15 m/d。

(3)行業上發展不平衡。目前國內頂管施工技術主要應用于市政、電力、石油等行業，在水利行業中較少使用。

(4)巖石地層長距離頂管相關研究較少。頂管施工在土質地層中應用時間長且廣泛，相關研究深入且理論完善；而在巖石地層中的頂管施工尤其是長距離巖石頂管施工的案例較少，相關的研究也不多，在地層適應性、設備選型、潤滑減阻機理、泥水平衡理論適應性等方面也需要進一步深入研究。

重慶觀景口項目初步設計為鉆爆法施工，由于工期要求緊、對地層擾動大、淺埋段多且對周邊居民影響大等原因，研究并應用了長距離巖石頂管施工技術。

2 工程概況

重慶市觀景口水利樞紐工程輸水線路位于重慶東溫泉鎮至茶園段，線路總長21.6 km。其中，10座隧洞全長15.6 km，單洞最長3 224 m，管節直徑為3.17 m，隧洞內徑2.65 m，采用先進的巖石頂管施工技術。要求單向最長頂進達到2 000 m，單向頂進超過1 000 m的段落共計11段，有3條隧洞需要對頂施工，施工難度極大，在國內乃至世界上都具有相當的挑戰。

輸水線路沿線主要穿越地層地質情況為泥巖、砂巖、泥質砂巖和灰巖，最大單軸飽和抗壓強度分別為20 MPa、70 MPa和90 MPa。線路存在巖溶、斷層及破碎帶等不良地質，隧洞最淺埋深3 m，絕大部分在15 m以上，最大埋深325 m。

本工程輸水隧洞施工存在如下特點：

(1)斷面小、單洞長。成型隧洞內徑2.65 m，3#隧洞長3.2 km，對各種施工方法都存在較大挑戰。

(2)環保要求高。本工程位于東溫泉附近，該處地熱資源豐富，施工環保要求高。

(3)地質條件復雜。隧洞埋深深/淺交互、軟/硬地層交互、局部存在巖溶、突水、突泥等不良地質。

3 頂管施工關鍵技術

3.1 巖石頂管機設備選型與設計

頂管機通常分為土壓平衡式和泥水平衡式兩種：土壓平衡式頂管機適用于地層條件相對好、地下水不豐富地段，對受到小斷面、長距離出渣運輸條件制約的隧洞不適用；泥水平衡式頂管機適用范圍廣，可通過對掘進泥渣進行改良變成泥水排出洞外，洞外進行泥漿制備和處理。充分研究工程特點，對設備合理選型與進行針對性設計是長距離巖石頂管施工成敗的關鍵。

本工程一次性距離長，存在溶洞、斷層、軟硬不均、富水、大量淺埋層等不良地質，并結合進度、安全要求，進行詳細的分析論證，確定選用泥水平衡式頂管施工方案。為確保安全順利通過，對設備提出如下設計要求：

(1)頂管設備應能滿足一次性頂進2 km的能力，整機應性能可靠、穩定，并確保其成洞質量滿足設計要求。

(2)滿足切削最大飽和抗壓強度為90 MPa巖石的能力。

(3)泥漿性能應能滿足長距離頂進施工要求。

(4)方向調整與糾偏能力及導向系統的精度和設備的可操控性應能保證高精度貫通。

(5)頂管機應具備快速回退功能，滿足在頂管施工中無吊出工作井的情況下，實現快速拆卸、回退和下一次組裝。同時，需要考慮不良地質等極端情況下無法繼續頂進施工的應急處理措施及處理能力。

(6)頂管機應具備在一定范圍內變徑的功能，以實現在盡可能少的改動情況下，適應一定斷面范圍內的施工。

根據以上要求，本工程所選的巖石頂管機裝機功率1 150 kV·A；主驅動采用液壓驅動，驅動功率250 kW，最大扭矩780 kN·m；開挖直徑3 236 mm，超挖間隙33 mm。刀盤采用“4+1”的結構形式，即4塊邊塊+1塊中心塊。為適應不同的巖石強度，刀盤采用面板型復合式結構，配置13英寸滾刀和刮刀。其中，10把雙刃滾刀+5把單刃滾刀，18把刮刀。

3.2 潤滑減阻技術

3.2.1 巖石地層頂管施工潤滑減阻存在的問題

常規頂管施工中，管節外壁摩阻力遠大于正面阻力，摩阻力與頂進長度成正比關系，適量注入觸變泥漿，變固體間的滑動摩擦為固液間的滑動摩擦，將極大地減小阻力，所以頂進施工中，適量使用觸變泥漿是減小頂進阻力的重要措施[1]。

觸變泥漿通過兩種途徑注入管節壁后：一是隨頂管機尾部的同步注漿一并加注；二是利用管節上多點對稱預留孔均勻地向管節壁后注入，使之填充于管節外壁和周圍土體間的空隙，形成泥漿套，減小管壁與土體間的摩阻力[2]。觸變泥漿剛注入時為膠狀液體，具有很好的流動性和潤滑性；靜置一定時間后，泥漿呈膠凝狀，對土體形成一定的支撐作用；繼續頂進時泥漿被觸動，在其特性作用下，再變為膠狀液體。頂管施工過程中，觸變泥漿呈液態—凝膠狀—液態交替循環變化，直到頂進貫通。

觸變泥漿減阻和泥漿套的理論在土層頂進中已得到驗證，在巖石地層中尚無應用實例。結合觀景口項目長距離巖石頂管施工實踐，分析認為存在以下不同：

由于巖石的自穩能力強，隧洞與管節外壁之間的間隙一直存在并形成前后連通的通道，受地下水及其流動性的影響，無法有效形成泥漿套，且大量膨潤土流入刀盤被循環泥漿帶走。

頂進過程中，掌子面破巖形成的石渣會通過超挖間隙向后流動進入管節外壁與洞壁間隙，使管節上浮，嚴重時會使管節與拱頂巖面直接接觸。石渣與膨潤土混合較長時間后，底部石渣與觸變泥漿的混合物長期受到管道重量擠壓、水分流失后會形成泥餅，從而使摩阻力急劇增大。

圍巖破碎的洞段，觸變泥漿會滲入到巖石裂隙，在其潤滑性的作用下，加大圍巖失穩風險。

富水段和裂隙發育地層中，觸變泥漿漏失嚴重，無法提供有效潤滑。

3.2.2 應對措施

確定觸變泥漿配比。觸變泥漿的成分為膨潤土、CMC(粉末化學漿糊)、純堿和水，不同地質需要對應的配合比，最終通過試驗確定。

觸變泥漿的性狀指標與要求參見表1。

根據本工程的圍巖情況和水文地質條件，經配比試驗，初定觸變泥漿配比為膨潤土∶水∶純堿∶ CMC=1∶6∶0.035∶0.015，該漿液觸變性能良好、穩定、稠度適宜。

表1 觸變泥漿的性狀指標與要求

施工中，觸變泥漿配比需要結合頂管機的頂進參數和圍巖情況，在試驗分析基礎上結合實踐合理調整。

控制出渣泥水壓力和觸變泥漿壓力。在完整圍巖中頂進時，在確保正常循環的前提下盡量降低出渣系統掌子面的泥水壓力，采用常壓模式，泥水倉水位保持在半倉左右，以減少開挖石渣回流進入管壁與洞壁間隙的幾率。同時，適當降低觸變泥漿的注入壓力，減少其進入刀盤而流失的幾率。

監控摩阻力指導頂進施工。通過監測主頂和中繼間頂力變化，分析不同段落的摩阻系數：宜控制摩阻力不大于3 kN/m2；摩阻力大于5 kN/m2時應引起警覺；摩阻力超過8 kN/m2時，必須采取如清理沉渣等處理措施降低摩阻力。

控制觸變泥漿粘度。正常洞段觸變泥漿的馬氏粘度約為90 s；圍巖破碎洞段觸變泥漿的馬氏粘度不低于120 s，以減少漏失量；必要時添加高分子材料，進一步增加粘度，提升保水率，減少漏失量。

保持觸變泥漿潤滑效果。圍巖較好的富水段，根據實踐，觸變泥漿流失量大，被稀釋后幾乎失去應有的潤滑效果，可以選擇性停止注漿或者單純注入高分子材料。

3.3 長距離導向與糾偏施工技術

3.3.1 陀螺儀導向系統工作原理

頂管測量采用陀螺儀+靜力水準儀進行控制測量。頂管導向系統屬于慣性導航系統。慣性導航系統(INS)是在開始時給予移動物體一個坐標以及方向，再根據物體后續移動的方向和速度計算出它的最新坐標以及方向。

3.3.2 頂管施工方向控制

在長距離頂管施工中方向控制至關重要，與設計軸線偏差幅度及變化趨勢不但影響摩阻力的變化，同時也直接決定了工程質量。頂管機配置的陀螺儀導向系統，實時測量并顯示頂進速度、機頭旋轉、水平傾角等參數，用以指導操作人員控制軸線。導向系統實時顯示的水平偏差為相對值，是根據控制測量的水平偏差、漂移值(drift值)和水平趨勢通過特定的算法求得。

頂進貫通后管道允許偏差參見表2。

表2 頂管管道允許偏差

方向控制操作要點如下：

(1)嚴格控制趨勢值。操作人員根據導向系統實時顯示的偏差值及趨勢值，來判斷機器當前所處的真實姿態，并盡可能的保持趨勢接近“0”位，趨勢值通常要保持在±3 mm/m以內。

(2)合理確定控制測量漂移值。根據兩次控制測量之間的水平偏差，判斷頂管機在兩次控制測量之間所發生的姿態變化，并結合經驗確定水平偏差變化的補償量，即漂移值，輸入導向系統。漂移值的取值范圍是0～1，“差之毫厘謬以千里”，不同的漂移值，對頂進方向控制的影響顯著，必須嚴格控制、合理取值。漂移值取值是否合理，將在下一次控制測量時得以驗證，因而務必加強數據積累和分析，這是合理取值的基礎和依據。

(3)加強頂進與控制測量的密切配合。頂進操作與控制測量相互配合非常重要，控制測量中盡可能準確測得頂管機實際姿態，合理確定漂移值；頂進操作中依據導向系統數據及時調整頂管機姿態，并嚴格控制調整幅度，禁止大幅度調整。如果發現姿態異常應繼續保持原來的姿態并要求再次控制測量，綜合判定后調整頂管機姿態。

(4)結合地質條件，總結經驗。頂進操作和控制測量均需在施工中加強總結分析，積累經驗，探索不同地質條件下推進的方向變化規律，掌握合理確定漂移值和頂進操作調向經驗，更準確地控制頂進方向。

(5)復核測量。頂進過程中，需經常復核測量頂進軸線，確保軸線偏差在允許誤差范圍內，通常每頂進20～30 m復測1次，導向系統數據變化較大的情況下，應適當加大復核頻率。為了保證測量精度，需定期或不定期復核控制點。

3.3.3 糾偏技術

(1)糾偏原則。實現管節按設計軸線頂進，做好頂進軸線偏差的控制和糾偏量的控制是關鍵。及時調節鉸接油缸的行程，使其能持續控制在軸線范圍內。頂管操作糾偏控制原則：“勤糾、緩糾、提前糾”，要注意掌握軸線變化規律，多次糾偏，每次少量糾正；在出現大的突變的情況下或者變化較大的情況下，不急于糾偏，以較長的距離來實現糾偏，確保頂管能順利推進；糾偏要在實際操作中摸索規律，掌握提前量。需嚴格控制糾偏幅度和操作流程，要求頂進過程中小幅多次持續糾偏，使頂進方向逐漸復位，嚴禁一次性大幅糾偏。

(2)糾偏技術措施。頂管偏差校正以預防為主，不能等到產生明顯超差時再進行校正。陀螺儀導向系統由于其顯示偏差為計算值，在頂進過程中容易出現測量設備偏航角與實際偏航角不一致的情況，就會出現較大的偏差。因此，為了盡可能減小偏差，20 ～40 m進行一次控制測量。頂進距離1 000 m以上，因測量誤差幾率增大，應根據實際偏差進行控制測量，必要時10 m測量一次。

頂進中發現管位偏差30 mm左右，即應進行校正，左右鉸接油缸的差值每次宜調整2 mm，左右鉸接油缸偏差值不應超過20 mm。上下鉸接油缸的差值每次宜調整2 mm，最大偏差不應超過15 mm。在方向較難調整的情況下，每掘進1～2 m左右調整一次。如果出現其他異常情況，應上報技術主管，共同商討確定調整方案。

要結合實際工況嚴格執行操作規程，勤測量、勤糾偏、控幅度、勤復核，避免大幅糾偏造成頂進困難、管節異常損壞。單次糾偏量宜控制在5 mm內。

3.4 中繼間布置

頂進力主要由頂管機前端的迎面阻力和管壁的摩阻力組成，其力學模型示意如圖1所示。

圖1 頂管力學模型示意圖

通常認為，迎面阻力由刀盤的切削阻力和泥水倉內的泥水壓力組成[3]。由上覆土荷載、管土間粘聚力、管段自重等共同作用產生的管壁摩阻力，與管土接觸面積、摩擦系數、水土壓力等直接相關。總頂進力中迎面阻力占比很小，且不受頂進長度影響；管壁摩阻力對頂進力起控制性作用，隨頂管長度的增加而增加。

參考文獻[4]，巖石地層頂管的頂力如公式(1)所示：

(1)

式中：Ffri表示頂管所受摩阻力；uint表示管巖接觸面殘余摩擦系數；φr表示巖體的殘余摩擦角，r表示管道半徑；γ為巖體重度；D表示管道外直徑；L為頂進長度。其中，uint、γ與φr均可通過試驗獲得，r以及D為管道已知尺寸，這樣理論上Ffri與頂進距離成正比。

考慮到頂管頂力需要有一定的安全儲備，兩中繼間的距離應該滿足如下公式：

式中：F0為中繼間油缸能提供的最大頂力；P為頂力安全儲備系數(大于1)。

對于本工程，結合中繼間油缸頂進能力與現場經驗取值F0為17 000 kN，其他參數按照室內試驗結果與經驗綜合取值。其中：P取值為2.0，uint為0.3，γ為21.5 kN/m3，r為1.585 m，D為3.17 m，φr為23～30°(圍巖越穩定則φr越大)，試算可得L0=101.7～152.8 m。可見，在圍巖較穩定段，兩中繼間的距離可以取值約150 m；在圍巖較破碎段，兩中繼間的距離則可以取值約100 m。該計算結果被用于指導中繼間的布置，取得了良好的工程應用效果。

考慮到長距離巖石頂管的施工風險，為確保頂力滿足需求，在斷層/破碎帶等卡管風險極高的段落，需要增加管道應力監測手段，以便及時掌握管節外部摩阻力狀態，同時應提前加密中繼間布置作為儲備。

4 應用效果

本工程選用AVN2000型泥水平衡頂管機，其中1#頂管機在2#無壓隧洞試驗段單次連續頂進1 258 m，2#頂管機在3#無壓隧洞單次連續頂進1 702 m，圓滿完成既定目標任務，并創造了單洞3 224 m的世界硬巖頂管施工的新紀錄，最高日進尺32 m，最高月進尺488 m。截至目前已完成頂管隧洞總長度超過12 km。通過觀景口項目輸水隧洞成功應用，證明了選型的正確性，并且為后續施工奠定堅實的基礎。部分隧洞貫通偏差見表3。

表3 部分隧洞貫通偏差

5 結束語

長距離巖石頂管隧道施工技術在我國水利工程領域的應用會越來越廣，同時工程條件對頂管機設計技術與施工技術的要求會越來越高。在如何有效應對斷層破碎帶、高壓富水、圍巖收斂與掉塊、觸變泥漿長期穩定性以及提出適應巖石頂管施工的指導理論等問題上，仍需結合后續工程繼續系統研究、不斷積累經驗。只有真正解決了長距離巖石頂管工程在設計和施工過程中遇到的難題，才能持續推動巖石頂管技術的發展，從而為我國的基礎設施建設做出更大貢獻。