山區(qū)長(zhǎng)距離大直徑復(fù)雜地質(zhì)頂管技術(shù)探討與實(shí)踐★

王清江 王 悅

(重慶工商職業(yè)學(xué)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(zhǎng)為24.965 km，設(shè)計(jì)無(wú)壓隧洞7座，總長(zhǎng)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(yù)制管，管壁厚26 cm，頂管施工技術(shù)，單口最長(zhǎng)頂推距離3.26 km。頂管工程見(jiàn)表1。

工程地質(zhì)情況：頂管穿越山嶺區(qū)，圍巖地質(zhì)為泥巖、粉砂巖夾砂巖、白云巖、灰?guī)r夾巖溶角礫巖等，巖體微風(fēng)化。

表1 頂管工程表

2 技術(shù)原理

1)頂管施工技術(shù)原理。輸水隧洞管節(jié)預(yù)制加工，每節(jié)長(zhǎng)2.5 m，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，吊放進(jìn)工作井，通過(guò)頂推設(shè)備，頂入巖層。頂推過(guò)程中，隧洞掌子面盾構(gòu)同步作業(yè)，向前掘進(jìn)，渣土由泥漿通過(guò)泥漿泵攜帶出洞外，同時(shí)為減少頂推阻力，頂推時(shí)隧洞管節(jié)背后注入觸變減摩泥漿[1]。2)觸變泥漿減阻原理，通過(guò)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(jìn)，以減少阻力，泥漿套厚度5 cm。3)中繼間接力頂進(jìn)原理[2]，每150 m設(shè)一處中繼間，接力頂進(jìn)，分段克服摩擦阻力。4)長(zhǎng)距離制導(dǎo)，采用高精度陀螺儀自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)。

3 技術(shù)方案

根據(jù)項(xiàng)目長(zhǎng)距離和地質(zhì)復(fù)雜的特點(diǎn)，經(jīng)比選，本項(xiàng)目采用泥水平衡頂管施工方案。泥水頂管機(jī)組成：微盾構(gòu)及配套系統(tǒng)、頂進(jìn)系統(tǒng)、陀螺儀導(dǎo)向定位系統(tǒng)、泥水輸送系統(tǒng)、潤(rùn)滑與灌漿裝置和泥水處理系統(tǒng)。

3.1 施工準(zhǔn)備

工作井長(zhǎng)13.5 m，寬8 m，工作井內(nèi)設(shè)基座與后背墻、主頂、始發(fā)洞、爬梯、集水坑等[3]。

1)基座安裝。導(dǎo)軌基座采用鋼結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌的坡度應(yīng)與設(shè)計(jì)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(jìn)方向的對(duì)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(mén)止水裝置。頂管施工過(guò)程中，為防止地下水、泥砂和觸變泥漿從管節(jié)與洞壁的間隙中流到工作井中，須安裝洞門(mén)止水密封板。

3.2 主頂系統(tǒng)

主頂系統(tǒng)主要由千斤頂、組合千斤頂架、液壓動(dòng)力泵站及管閥、頂鐵、泵站及控制系統(tǒng)組成。

1)千斤頂。a.主頂千斤頂應(yīng)對(duì)稱(chēng)安裝，以保證管節(jié)受力均勻，主頂油缸為6臺(tái)行程3 m、每臺(tái)頂力為350 t的千斤頂，固定在油缸架上，主頂力最大可達(dá)2 100 t。b.千斤頂合力的作用點(diǎn)必須在管道中心的垂直線上。

2)頂鐵。a.頂鐵應(yīng)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(yīng)采用緩沖材料襯墊。

3.3 微盾構(gòu)頂管機(jī)

機(jī)頭吊裝應(yīng)平穩(wěn)、避免碰撞(見(jiàn)圖1)。

3.4 中繼間安裝

中繼間采用鋼材制作，沿管環(huán)設(shè)置千斤頂[4]，通過(guò)加設(shè)中繼間，把原來(lái)需要一次性連續(xù)頂進(jìn)幾百米或者幾千米的長(zhǎng)距離頂管，分成若干個(gè)短距離的小段來(lái)分別加以頂進(jìn)(見(jiàn)圖2)。

1)中斷間布設(shè)，第一個(gè)中繼間設(shè)置在頂管機(jī)后30 m位置，第二個(gè)中繼間及其以后中繼間根據(jù)頂推阻力進(jìn)行調(diào)整，一般每隔150 m布置一個(gè)虛擬中繼間，每隔300 m布置實(shí)體中繼間。2)中繼間拆除，由前向后依次拆除中繼間內(nèi)的頂進(jìn)設(shè)備，拆除的空間由后面的中繼間繼續(xù)向前頂進(jìn)，使管口相連接。

3.5 泥水系統(tǒng)

泥水系統(tǒng)包括泥水分離站、進(jìn)漿泵、排漿泵及管路[5]。

4 工程實(shí)踐

頂管施工工藝流程圖見(jiàn)圖3。

4.1 管道頂進(jìn)

1)頂進(jìn)作業(yè)流程。打開(kāi)旁通閥→啟動(dòng)排泥泵→啟動(dòng)進(jìn)泥泵→刀盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)→打開(kāi)止水閥→關(guān)閉旁通閥→主頂油缸頂進(jìn)。2)管節(jié)頂進(jìn)到位吊放下一管節(jié)前作業(yè)程序。主頂油缸停止頂進(jìn)→刀盤(pán)停止運(yùn)轉(zhuǎn)→打開(kāi)旁通閥→關(guān)閉止水閥→旁通狀態(tài)下運(yùn)行數(shù)分鐘→進(jìn)泥泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)→排泥泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。3)頂進(jìn)壓力值及糾偏。頂進(jìn)壓力值與覆土深度和巖土地質(zhì)情況相匹配，施工時(shí)，每節(jié)管節(jié)頂進(jìn)完成后，對(duì)機(jī)頭姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)生偏差，隨時(shí)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(tǒng)暫停進(jìn)、排泥漿，暫停掘進(jìn)系統(tǒng)，拆除排漿管道，風(fēng)管，觸變泥漿管，信號(hào)線，電源線，監(jiān)控線等管線，吊裝管節(jié)到井下、就位。連接已拆除的管道，啟動(dòng)頂推系統(tǒng)、泥水系統(tǒng)、掘進(jìn)系統(tǒng)等，繼續(xù)頂進(jìn)施工。2)管節(jié)間采取“F”型承插連接，管節(jié)吊裝采用專(zhuān)用夾具，管節(jié)吊裝前，檢查管節(jié)承插口尺寸，橡膠圈和襯墊板質(zhì)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(jiàn)圖4。

4.3 壓注觸變泥漿

為減少摩阻力，頂進(jìn)中向管節(jié)外壓注觸變泥漿，變固體間的滑動(dòng)摩擦為固液間的滑動(dòng)摩擦。

1)觸變泥漿。觸變泥漿由膨潤(rùn)土、純堿、粉末化學(xué)漿糊和水組成。一般泥漿配比見(jiàn)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(jiàn)圖5。3)注漿管。注漿主管為φ70 mm鋼管，沿線每間隔15 m設(shè)一個(gè)三通管，支管為φ25 mm橡膠管，連接管壁上預(yù)留的注漿孔。4)管道注漿孔。每5節(jié)普通管道布置1節(jié)帶注漿孔的管道，帶注漿孔管道設(shè)置三個(gè)注漿孔，呈120°平均分布，并配置帶注漿閥門(mén)開(kāi)關(guān)和塑料注漿管道。

表2 泥漿配比表

5 結(jié)語(yǔ)

大直徑頂管長(zhǎng)距離穿越山嶺區(qū)域時(shí)，因地質(zhì)復(fù)雜，常會(huì)遇到卡管無(wú)法推進(jìn)等問(wèn)題，但頂管施工對(duì)地層擾動(dòng)小，施工噪聲和空氣污染與傳統(tǒng)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(shí)地下水的流失及對(duì)水文環(huán)境的影響，保護(hù)施工地水資源。隨著人民對(duì)美好生活的需求，本技術(shù)應(yīng)用前景將越來(lái)越廣闊。