硬巖中頂管施工的關鍵技術研究

韓 紅，李云龍，王 偉，祁 飛

（1.天津市薊州區(qū)水利工程項目服務中心，天津 301900；2.天津大學建工學院，天津 300350）

頂管技術是地下工程建設的關鍵技術之一，具有安全、可靠、環(huán)保及適應性強等特點[1]。近年來，隨著我國水利工程的快速興建，頂管技術研究逐漸深入。劉惠鵬[2]依托南水北調(diào)大興支線施工工程，研究了泥水平衡式頂管在水利工程中的應用；范春香[3]根據(jù)太原市水西關道路改造工程，研究了大直徑頂管的施工工藝；談力昕[4]等人以港珠澳大橋連線拱北隧道口工程為對象，研究了曲線頂管的施工情況。但是國內(nèi)頂管技術多用于土體或巖性較弱的巖體，對于強度高于80 MPa 的巖體，在巖石頂管機、頂進施工工藝和配套輔助系統(tǒng)設計等方面發(fā)展并不成熟[5]。本文結(jié)合薊州區(qū)輸水線路工程中硬巖頂管施工情況，探討了施工過程中形成的成套硬巖頂管施工工藝，并就盾構機選型、泥水處理系統(tǒng)等關鍵技術問題進行了深入研究。

1 工程概況

薊州區(qū)東后子峪地表水廠水源輸水線路工程是薊州區(qū)農(nóng)村飲水提質(zhì)增效工程中的一部分，主要任務是輸送生活用水，生活用水保證率為95%，設計日輸水量3 萬m3，輸水能力0.35 m3/s。輸水線路主要由兩段壓力管線和一段隧洞組成，引水隧洞前段638 m 采用頂管式掘進機開挖。開挖段巖體地質(zhì)情況復雜，巖性以頁巖、白云巖和砂巖為主，最大單軸抗壓強度可以達到80 MPa以上，對頂管施工工藝要求嚴格。

2 巖石頂管機造型與工作原理

本工程頂管施工具有以下特點：大直徑頂管，管徑2 000 mm；長距離頂管，一次最大頂進距離400 m。相較其他頂管施工工藝，泥水平衡式破巖頂管更加適合大直徑、長距離工程情況，所以被確定為本工程施工工藝。

2.1 巖石頂管機選型

巖石頂管機需要破碎頁巖、白云巖和砂巖等巖體，巖石強度高達80 MPa，本工程選用WNS-2000巖石頂管機作為頂進設備，主要性能參數(shù)詳見表1。

表1 頂管機主要性能參數(shù)

該巖石頂管機具有以下優(yōu)點：①控制便利，主頂、泥漿泵、糾偏系統(tǒng)等均由PLC可編程控制器直接控制，方便施工過程中的控制管理；②集成了先進的液壓、導向技術，可以實現(xiàn)在巖體中的快速、準確掘進；③全斷面、面板式刀盤設計，提高了機頭刀盤的整體性，使刀盤結(jié)構更加穩(wěn)固；④多個進漿噴射口設計，可以適應不同地層要求；⑤配備高效錐式二次破碎裝置，使巖體完全破碎；⑥設有艙門，艙門上裝有土壓傳感器和預留球閥，確保工作人員安全。該巖石頂管機的實物，如圖1所示。

圖1 巖石頂管機實物

2.2 巖石頂管機工作原理

（1）平衡原理。該頂管機是一種具有破碎能力的泥水平衡式頂管機，可以將切削下來的巖石在泥水倉中形成塑性體，以平衡土石壓力；同時，可以在泥水倉內(nèi)建立起高于地下水壓力10～20 kPa 的泥水、泥漿體系，以平衡地下水壓力；對于挖掘面完全巖石的土質(zhì)，不易形成塑性體，可在進水中添加適當比重的黏土成份，在巖體外側(cè)形成不透水泥膜，實現(xiàn)地下水壓力、土石壓力的平衡。

（2）初步破巖原理。頂管機的刀盤切割面裝有合金滾動滾刀和固定刮刀，刀座和刀盤采用耐磨焊條進行焊接，形成一個整體，頂管機的刀盤構造如圖2 所示。滾刀和刮刀在刀盤上呈全段面布置，施工過程中，刀盤在液壓裝置和電機裝置的驅(qū)動作用下邊轉(zhuǎn)動邊向前頂進，刀盤上的滾刀隨之在工作面巖體上滾動，刀尖對巖體滾動擠壓，使巖體出現(xiàn)破裂；同時，刮刀對破裂的巖體進行切割，使巖體脫落，實現(xiàn)對工作面巖體的初步破碎。

圖2 頂管機刀盤構造

（3）二次破巖原理。初步破巖后，會產(chǎn)生一些大塊堅硬石塊，經(jīng)刀盤開口進入二次破碎艙后，刀盤背部的牛腿與錐形破碎艙下部的突起耐磨破碎筋會組成剪切破碎結(jié)構進行二次破碎，二次破碎艙如圖3所示。耐磨破碎筋為破碎結(jié)構的固定端；刀盤牛腿為破碎結(jié)構的運動端。在刀盤的運動作用下，二者配合形成剪切系統(tǒng)，實現(xiàn)大塊石的二次破碎。

圖3 二次破碎倉

3 頂管施工工藝

硬巖頂管施工工藝流程，如圖4所示。

圖4 施工工藝流程

3.1 頂進前準備

頂進系統(tǒng)結(jié)構如圖5 所示，在頂管施工前，需要對頂進裝置進行安裝，包括導軌、千斤頂、油泵和頂鐵等。

圖5 頂進系統(tǒng)結(jié)構

（1）導軌安裝。選用鋼制材料導軌，順直、平行、等高地進行安裝。縱坡與管道設計坡度一致，安裝后對導軌進行檢查，確保導軌牢固，不會在使用中產(chǎn)生滑動。

（2）千斤頂安裝。千斤頂以管線中心所在垂線為對稱軸進行安裝，確保頂進合力作用在管道中心線上，不會出現(xiàn)頂進偏移。

（3）油泵安裝。油泵安裝在千斤頂附近，油管盡量順直，減少轉(zhuǎn)角；油泵與千斤頂配套使用，配備備用油泵，防止頂進過程中出現(xiàn)意外情況導致油泵失效；油泵安裝完畢后，先進行試運轉(zhuǎn)，再進行施工。

（4）頂鐵安裝。選用足夠剛度、整體澆筑而成的頂鐵，若采用焊接成型的頂鐵，要確保焊縫低于表面且沒有脫焊，防止在頂進過程中損壞；頂鐵安裝時相鄰面要互相垂直；在頂鐵上應當設置鎖定裝置，確保頂進過程安全。

3.2 初始穿墻頂進

基坑的鋼筋混凝土底板施工完成后，利用機械切割法在井壁開孔。在洞口處安裝止水鋼圈，上設置止水膠圈，達到止水效果。洞口安裝好止水圈后，將工具頭吊起，用環(huán)形頂鐵對準工具頭尾部，利用千斤頂將工具頭緩緩推進到井壁洞內(nèi)。安裝好所有管線（電力電纜、信號線、油管、觸變泥漿管）后，轉(zhuǎn)動刀盤，向工作倉注入一些泥漿，進入正常頂進工序。進洞口的止水圈和初始穿墻頂進的現(xiàn)場施工，如圖6所示。

圖6 初始穿墻頂進

頂管穿墻時，要注意防止工具管的下跌。在穿墻初期，由于工具管入土距離較小，管道的自重僅由導軌和入土后較淺的土體兩點承擔。此時作用于土體支撐面上的應力可能會超過土體的允許承載力，造成工具頭下跌。因此，在初頂穿墻時，可采用一個向上的初始角進行頂進（約5'），同時在穿墻管下部進行支托，加強管段之間的連接作用。

工具管的推進一定要迅速。穿墻管內(nèi)的土體暴露時間越長，施工過程中危險性越大，頂管穿墻位置處必須做好止水，防止孔口因減阻泥漿的流失導致減阻失效，甚至發(fā)生孔口塌陷。

3.3 正常頂進

正常頂進過程中，頂進一節(jié)管道結(jié)束后，先回縮千斤頂，然后拆開水、電、氣、通風、泥漿等管線，吊入下一節(jié)的管段，調(diào)直對中，安裝好接頭的止水材料和頂鐵，再接通各管線，開動油泵頂進一個千斤頂?shù)木嚯x，對頂進過程進行測量和糾偏，安放頂鐵繼續(xù)頂進，直至頂進一個管節(jié)，再重復本過程。正常頂進要伴隨觸變泥漿的注入，遵循邊注漿邊頂進、不注漿不頂進的原則；在重新開始頂進前，要先對整個管路進行補漿。

3.4 頂入接收井

當頂管接近接收井位置時，先對本段管道的實際長度與設計長度進行復測，符合設計值后，通過測量得出頂管機出口的具體位置。利用機械切割法鑿除出口位置的混凝土護壁，確保頂管機可以破碎洞口處的巖石。頂管機入洞時要快速頂進。遇到地下水豐富的情況，要用棉紗對管和洞口間的空隙做封堵處理，等頂管機完全出洞后再用水玻璃或水泥漿壓住止水。在頂管機出洞后，要及時將機頭與管道分離，將機頭吊出井外，并及時處理井內(nèi)泥漿和洞口的封門止水。

3.5 注意事項

（1）保持壓力平衡。施工過程中要保持土倉內(nèi)開挖面和水土壓力的動態(tài)平衡，無論是掘進階段還是停止掘進階段，必須動態(tài)設定切口壓力，防止切口壓力波動，從而保證土體穩(wěn)定。

（2）合理控制速度。在同步注漿及管節(jié)壁后注漿充足、環(huán)流系統(tǒng)通暢的情況下可以加快施工速度，快速頂進及早為管節(jié)背后注漿創(chuàng)造條件，以利于管道的穩(wěn)定和地表沉降的控制。當頂管穿過地面建筑、管道、管線等下方時，減緩頂進速度，密切關注頂管推力和掘進速度變化，確保頂進過程的安全性。根據(jù)施工段工程條件，設置合理施工速度。

（3）保護刀盤刀具。刀盤刀具的磨損情況是制約施工的重要因素之一。在施工過程中用小推力低轉(zhuǎn)速推進，保護刀盤的受力結(jié)構；對施工中的頂管機溫度和泥漿處理設備的出漿口溫度進行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立刻停止作業(yè)，保護刀片安全；確保頂管機密封艙可靠密閉性，防止漏水、漏漿、涌水、噴水、噴砂等現(xiàn)象損壞刀盤刀片。同時，可以采取適當加厚滾刀刀刃、增加耐磨焊條等措施提高刀片的抗磨性能。

4 施工輔助系統(tǒng)

4.1 泥水循環(huán)系統(tǒng)

泥漿對頂管施工過程中工作面的穩(wěn)定起著重要作用。泥漿濃度越高，工作面穩(wěn)定效果越好，但流體運輸設備和泥水處理設備的負擔也會增加，需要良好的泥水循環(huán)系統(tǒng)。泥水循環(huán)系統(tǒng)的組成如下。①送排泥管路：送排泥管路是頂管機和泥水處理設備間的輸送管路，為施工過程運送泥漿。②接力泵：接力泵是泵送過程中的二次供能裝置。隨著管道的延長，排泥管泥水密度增大，輸送壓力降低，不利于出漿。接力泵可以防止排泥壓力降低導致的泵送失敗。③排礫裝置：當排泥管中混入礫石或其他固結(jié)物體時，會影響泥水輸送效率，造成管道堵塞。礫石破碎裝置可以將其破碎，消除排泥管中的礫石堵塞。④旁通管：遇到軟弱土層時，切削后的泥土會造成排泥管口堵塞，通過旁通管排出堵塞泥土，確保施工安全。

4.2 泥水處理系統(tǒng)

泥水處理系統(tǒng)是對泥水平衡過程中排出的泥水進行分離的系統(tǒng)。系統(tǒng)采用泥漿凈化裝置與旋流器組合進行分離，如圖7 所示。由泥漿凈化裝置和旋流器分離出來的的砂石泥土集中裝車，運至場外垃圾消納點處理。經(jīng)過泥漿凈化裝置和旋流器處理完成的泥漿（大部分是水）重新循環(huán)使用。

圖7 組合泥水分離器

4.3 測量系統(tǒng)

（1）平面控制網(wǎng)建立。地面上根據(jù)設計的井位軸線控制樁定位。工作井施工結(jié)束后，按工作井穿墻孔實際坐標與設計終點的坐標測量放線，定出管道頂進軸線并投放到工作井測量平臺和井壁上。在工作井四周建立測量控制網(wǎng)，并定期復核各控制點。投放頂管測量始測點和2 個后視點，始測點設在頂管后座專用測量平臺上，后視點設于穿墻孔上部的井壁上，定期互相校核。

（2）管道軸向測量。采用高精度激光經(jīng)緯儀對管道進行軸向測量。測量采用導線測量法，測量平臺設在頂管后座處。測量光靶安裝在掘進機尾部，測量時用激光經(jīng)緯儀直接測量機頭尾部的測量光靶位置，并根據(jù)機頭內(nèi)的傾斜儀計算機頭實際狀態(tài)。

（3）管道水準測量。在地面上把永久性水準引測至井邊，通過垂直吊鋼尺引測至井下，設臨時水準點，在管道內(nèi)架設水準儀測至機尾部標靶，得到機頭高程偏差。為確保機頭準確進洞，在頂進的最后30~50 m，通過人工測量方式對管道進行全線復核。

4.4 糾偏系統(tǒng)

糾偏系統(tǒng)主要包括糾偏千斤頂、油泵站、位移傳感器和傾斜儀，控制施工中的頂管機推進方向。通過地面操作室的操作臺遠程控制糾偏系統(tǒng)，利用安放在糾偏千斤頂上的位移傳感器來實現(xiàn)糾偏量的控制，通過一個糾偏千斤頂?shù)慕M合式動作實現(xiàn)糾偏動作。

5 結(jié)語

薊州區(qū)東后子峪地表水廠水源輸水線路工程在施工過程中，通過硬巖頂管機選型，具體施工工藝設計如施工前準備工作、初始穿墻頂進、正常頂進過程、頂入接收井等工藝設計，以及施工過程中的配套輔助系統(tǒng)設計，實現(xiàn)了80 MPa 巖體硬巖頂管施工，形成了一套較為成熟的硬巖頂管施工工藝。這為類似的大斷面、長距離硬巖頂管施工提供了借鑒。