長距離巖石頂管施工關鍵技術研究

劉 正 中交一公局華南工程有限公司

1 前言

我國在長距離巖石地層污水導排系統施工方面，通常采用頂管技術，而且獲得了顯著的成效，但是因為長距離巖石頂管施工結構非常復雜，對技術有著較高的要求，所以必須全面掌握巖石頂管機設備、刀盤和刀具的選擇，并完善潤滑減阻技術、長距離導向和糾偏施工技術，從而提高經濟效益和社會效益。

頂管技術主要指使用各種設施設備的頂力，來緩解附近土壤中的摩擦力，將管道按照規定的坡度頂到土壤里面，并完成土方的轉運，反復操作就可以達到持續施工的目的，需要結合具體工程的地勢地貌、地質條件、附近環境和施工情況等因素來選擇合理的頂管施工技術[1]。對于長距離的管道，應選擇封閉式的頂管，通過有多次破碎功能的巖盤泥水頂管機對前方的巖體進行切削，而后方應使用油缸筒或者氣壓倉等輔助完成。

2 巖石頂管機設備的選擇

頂管機主要包括土壓平衡式和泥水平衡式兩種，前者應用在地層條件比較好、地下水含量較少的區域，不適用于小斷面、長距離、運輸條件較差的隧洞；后者的應用范圍非常廣泛，能夠將掘進泥渣轉變為泥水并排出洞外，以便在洞外展開泥漿制備和處理。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。巖石頂管機設備的選擇對于長距離巖石頂管的施工質量發揮著決定性的作用，具體應滿足以下要求：第一，頂管設備必須要具備一次性頂進2km的能力，而且整個設備的性能必須穩定可靠，并保證其成洞質量符合標準要求；第二，切削最大飽和抗壓強度應達到90MPa；第三，泥漿性能必須符合長距離頂進的施工標準；第四，設備的可操控性必須靈活、精度要高；第五，頂管機必須攜帶快速回退功能，以便在施工過程中出現無法吊出工作井的現象時，能夠快速拆卸、回退和后續的組裝，如果地質條件非常惡劣，該功能還能夠及時應對施工過程中出現的緊急情況；第六，頂管機還要有一定的變徑功能。

3 刀盤和刀具的選擇

施工過程中所用的刀盤和刀具，應結合當地的地質條件和巖層硬度進行選擇，如果巖盤泥水頂管機是大口徑、全斷面的，通常使用面板式的刀盤，在刀盤上往往會配備刀具刀座、碴石出口、添加劑注入口和連接在主軸承的小零件[2]。刮刀或者刮碴板通常處于面板的碴石出口兩邊，并且滾刀布置面板也就是刀座。滾刀是為了破碎巖體，通過刀具在快速滾動過程中形成的沖擊力和碾壓力來破碎巖石。滾刀只能滾動，無法進行其他處理，而且在安裝方面必須重視其周邊滾刀的角度，才能維持滾刀的固定切削直徑狀態，并增加滾刀的使用期限。在配置方面，應盡可能多的增加滾刀，同時每個滾刀中的間距必須合理，以免由于間距過大而出現“巖脊”的情況以及由于間距過小而出現的碎石，進而影響破巖效果。具體來說，正刀的刀間距應控制在50mm～120mm，軟巖層應選擇最大值，硬巖層應選擇最小值；石灰巖地層的刀間距應控制在80mm；花崗巖地層應控制在50mm；整體布置時最好控制在70mm；在刀盤的中心處應添加多刃組合的滾刀。

4 潤滑減阻技術

4.1 巖石地層頂管施工潤滑減阻存在的問題

在常規頂管施工過程中，管節外壁摩阻力較強，遠遠超過正面阻力，摩阻力會隨著頂進長度的不斷增加而逐漸增大，在對其注入適量觸變泥漿后，變固體間的滑動摩擦為固液間的滑動摩擦，通過此種方式，能夠有效地降低阻力。基于此，在頂進施工過程中，通過采用適量的觸變泥漿，能夠促使頂進阻力在此作用下逐漸減小，降低安全事故的發生概率，并且作為降低阻力的重要手段。

觸變泥漿注入管節壁，通常情況下最常采用兩種方式：其一，與頂管機尾部同步進行注漿并加注；其二，通過采用管節上多點對稱預留孔向管節璧均勻注入，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。通常在剛注入觸變泥漿的情況下，其會形成膠裝液體，流動性與潤滑性相對較為良好；當經過一定的時間靜置后，泥漿會逐漸形成膠凝狀，對土體具有較強的支撐作用；繼續頂進時泥漿被觸動，在其相關特性充分發揮作用的情況下，從而形成膠裝液體。在具體頂管施工的過程中，觸變泥漿呈液態一凝膠狀一液態交替循環變化，直到頂進貫通。通過觸變泥漿減阻和泥漿套的理論能夠在土層頂進中得到良好的驗證，在巖石地層中尚無應用實例。

根據相關項目長距離巖石頂管施工實踐效果，對以下所存在的差異性進行分析。巖石具備較強的自穩能力，由于隧洞和管節外幣之間存在了一定的間隙始終存在，長此以往成為前后連通的通道，在地下水等其他流動性影響下，不能成為泥漿套，在大量膨潤土流入刀盤后，循環泥漿會將其帶走。在頂進過程中，由于掌子面破巖，從而使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。當膨潤土與石渣不斷長期混合后，底部石渣與觸變泥漿的混合物由于長期受到管道重量擠壓、水分流失后會從而形成泥餅，導致摩阻力不斷快速增強。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，加大圍巖失穩的風險。富水段和裂隙發育地層中，觸變泥漿漏失嚴重，不能更好地提供潤滑作用。

4.2 應對措施

4.2.1 確定觸變泥漿配比

觸變泥漿的成分主要有膨潤土、粉末化學漿糊、純堿和水，應根據當地的地質條件進行針對性配比，根據相關研究表明，觸變泥漿配比為膨潤土∶水∶純堿∶粉末化學漿糊＝1∶6∶0.035∶0.015，這樣的漿液具有良好、穩定的觸變性能，而且稠度合理。在實際的施工過程中，還應根據頂管機的各項參數和巖層狀態對觸變泥漿的配比進行調整。

4.2.2 控制出渣泥水壓力和觸變泥漿壓力

在完整巖層中進行頂進時，必須在維持正常循環的基礎上，最大限度地降低出渣系統掌子面的泥水壓力，選擇常壓模式，泥水倉水位應控制在大約半倉，以免開挖石渣回流到管壁和洞壁之間的縫隙中，同時，還應合理調整觸變泥漿的注入壓力，以免進入刀盤而造成流失。

4.2.3 監控摩阻力指導頂進施工

通過對主頂和中繼間頂力變化的監測，分析各個段落的摩阻系數，摩阻力最好調整為每平方米3kN；如果摩阻力超過每平方米5kN，必須提高重視；如果摩阻力超過每平方米8kN，應通過清理沉渣等對策來降低摩阻力。

4.2.4 控制觸變泥漿黏度

正常洞段觸變泥漿的馬氏黏度在90s左右；巖層破碎洞段觸變泥漿的馬氏黏度應大于120s，以免增加漏失量；在特殊情況下可以添加高分子材料，以增加黏度，提高保水率。

4.2.5 保持觸變泥漿潤滑效果

如果巖層較好而且地下水豐富，觸變泥漿流失量較大，經過稀釋會大大降低潤滑效果，應針對性的停止注漿或者只注入高分子材料。

5 長距離導向和糾偏施工技術

5.1 陀螺儀導向原理

在進行頂管測量的時候，所利于的儀器為陀螺儀+靜力水準儀，測量方法在于控制測量。頂管導向系統作為一種科學的慣性導航系統，工作時，需要以移動物體作為目標和方向，然后根據物體的移動速度對其坐標進行計算。

5.2 頂管施工方向的控制

頂管施工技術可以適用于直線和曲線管道中，然而在實際施工過程中必須要展開針對性的控制。對直線頂進工作來說，應稍微降低頂進路線的偏差；對曲線頂進來說，必須控制其施工方向。巖石地層的頂管控制通常在刀盤轉動切削過程中完成，或者進行在調整千斤頂的過程中，不同于常規的頂管控制，常規的頂管是以停止刀盤轉動的方式來控制的，而巖石地層的頂管應根據刀盤轉動前進的方向和各個關節之間木環襯墊的彈性展開調整。對直線巖石地層的頂管施工來說，最難的是怎么樣才能預防由于細小巖粒和巖粉進入管道而發生機頭卡住現象。所以，刀盤的間隙應控制在70mm～80mm。對彎曲巖石地層的頂管施工來說，應根據具體的曲線半徑來增加刀具間的間隙，如果管道的彎曲半徑為300m，應將刀具的間隙控制在大約50mm，然而整條管道都應根據刀盤的切削路徑展開前進，從而使鋪設的管線滿足標準要求[3]。

表1 頂管管道允許偏差

方向控制要點：

（1）對于趨勢值的控制要嚴格。操作人員需要從控制實際出發，根據導向系統進行偏差值和趨勢值的計算，然后根據設備的實際狀態來判斷其趨勢是否接近“o”位，趨勢值需要控制在±3mm/m范圍中。

（2）對漂移值進行確定。在確定漂移值的時候，需要將水平方向的偏差給予掌握，然后確定頂管機在測量過程中所發生的姿態變化，根據實際的標準分析偏差角度，設定補償值，也就是需要確定的漂移值，再進行導向系統的輸入。漂移值的設定范圍控制在0～1，取值的微小差異都會對方向的確定造成較大影響，所以需要嚴格進行控制，保證取值合理，方便對下一次的測量值進行驗證，數據分析時，必須要做好數據的累計，然后保證取值符合基礎數據。

（3）做好頂進和控制測量配合。在進行頂進操作的時候，要注意保證和測量值之間的配合作用，保證頂管機處于一種實際的姿態，保證漂移值的精確確定；頂進操作的過程中，需要嚴格的根據數據信息系統，對頂管機的姿態確定，然后嚴格控制調整幅度，一旦發現頂管機存在異常，就要再次進行二次測量，保證頂管機最后處于一種正常姿態。

（4）根據當地地質條件總結經驗。頂進操作和控制測量需要在符合當地實際的條件下進行確定，然后對施工的經驗進行總結，探索不同地質條件下的不同方向變化，從而掌握合理的漂移值，控制頂進方向。

（5）復核測量十分關鍵。為了保證方向控制的準確性，就要在頂進過程中，復核測量頂進軸線，保證軸線之間沒有太大差異，在導向系統數據變化大的背景下，需要將復核的頻率加大，保證測量的經確定。

5.3 糾偏技術

5.3.1 糾偏原則

實現管節按設計軸線頂進，應當更加注重控制頂進軸線的偏差，同時有效控制糾偏量。及時對鉸接油缸的行程進行良好的調節，確保將其持續控制在軸線的標準范圍內。頂管操作糾偏控制的主要原則為：“勤糾、緩糾、提前糾”，同時，對軸線變化的自然規律加以重視、關注，多次進行糾偏，每一次盡可能地少量糾正；一旦出現較大的圖片或是變化情況較為嚴重的情況下，對于糾偏情況不要操之過急，根據較長的距離進行糾偏，保證頂管的推進的順利性；在具體糾偏過程中，應當在實操時對相關規律進行有效的摸索與拿捏，提前對量度進行掌握、分析。對糾偏的幅度進行嚴格的控制，確保正規的操作流程，全程操作應當按照相關標準與要求進行，在頂進過程中，需要按照小幅并多次的持續糾偏為標準進行，使頂進方向能夠逐漸復位，杜絕一次性大幅糾偏，避免造成不利影響。

5.3.2 糾偏技術措施

糾正頂管的偏差，最重要的就是做好預防工作，不要在嚴重超差后才展開糾正。陀螺儀導向系統因為其顯示的偏差就是計算值，在頂進過程中有極大的可能發生測量設備偏航角和實際偏航角不符的現象，從而導致超差嚴重。因此，為了最大限度地避免超差問題，應按照實際偏差實施控制測量，在需要的情況下，每10m做一次測量。在頂進過程中，如果管位偏差大約為30mm，必須進行校正，將左右鉸接油缸的差值最好1次調整2mm，左右鉸接油缸偏差值不能高于20mm；上下鉸接油缸的差值最好1次調整2mm，最大偏差不能高于15mm。如果方向很難控制，應在每掘進1m～2m時做1次調整[4]。一旦發生特殊情況，必須及時告知技術主管，以便一起制定控制計劃，同時應根據實際施工情況，嚴格按照標準操作步驟進行多次測量、多次糾偏、多次復核。為了防止糾偏范圍過大而增加頂進難度，并損壞管節，每次糾偏范圍最好控制在5mm以內。

6 結束語

隨著長距離巖石頂管施工技術在我國的水利工程領域日益普及，工程條件對施工技術有了更高的要求，尤其是對于斷層破碎帶、高壓富水段、巖層收斂和掉塊、觸變泥漿的配比、巖石頂管施工的指導理論等方面，依舊需要根據未來的工程不斷進行系統性的研究，只要持續積累經驗，完全掌握長距離巖石頂管施工中的關鍵技術，才能促進巖石頂管技術的長遠發展，從而為我國的基礎設施建設奠定堅實的基礎。