長距離巖石頂管施工關(guān)鍵技術(shù)

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(zhàn)

我國頂管施工技術(shù)快速發(fā)展的同時，頂管裝備同步創(chuàng)新和進步，為頂管施工技術(shù)的進一步推廣奠定了技術(shù)基礎(chǔ)和裝備基礎(chǔ)，但與德國、日本等發(fā)達(dá)國家的先進頂管設(shè)備及施工技術(shù)相比，差距仍然較大。主要表現(xiàn)在：

(1)設(shè)備制造技術(shù)與國外還有差距。近年來，國產(chǎn)頂管設(shè)備發(fā)展較快，尤其長三角地區(qū)，生產(chǎn)廠家多總體規(guī)模大，頂管設(shè)備也在大量出口。但是總體質(zhì)量不高，仍集中在中低端領(lǐng)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(shù)難度大、頂進距離長、曲線頂管等領(lǐng)域，仍然以國外產(chǎn)品為主。國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的總體技術(shù)水平仍然與國際先進水平有不小的差距。

(2)地域上發(fā)展不平衡。我國東部地區(qū)頂管技術(shù)發(fā)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(qū)應(yīng)用很少，局限于市政管網(wǎng)和西氣東輸項目。近年來，重慶市政、石油等行業(yè)也在逐步開始使用微盾構(gòu)頂管施工技術(shù)，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(nèi)徑1.65 m、外徑1.98 m，最大頂進速度15 m/d。

(3)行業(yè)上發(fā)展不平衡。目前國內(nèi)頂管施工技術(shù)主要應(yīng)用于市政、電力、石油等行業(yè)，在水利行業(yè)中較少使用。

(4)巖石地層長距離頂管相關(guān)研究較少。頂管施工在土質(zhì)地層中應(yīng)用時間長且廣泛，相關(guān)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(guān)的研究也不多，在地層適應(yīng)性、設(shè)備選型、潤滑減阻機理、泥水平衡理論適應(yīng)性等方面也需要進一步深入研究。

重慶觀景口項目初步設(shè)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(yīng)用了長距離巖石頂管施工技術(shù)。

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(zhèn)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(jié)直徑為3.17 m，隧洞內(nèi)徑2.65 m，采用先進的巖石頂管施工技術(shù)。要求單向最長頂進達(dá)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(nèi)乃至世界上都具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)。

輸水線路沿線主要穿越地層地質(zhì)情況為泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖和灰?guī)r，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(zhì)，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(nèi)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(zhàn)。

(2)環(huán)保要求高。本工程位于東溫泉附近，該處地?zé)豳Y源豐富，施工環(huán)保要求高。

(3)地質(zhì)條件復(fù)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(zhì)。

3 頂管施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 巖石頂管機設(shè)備選型與設(shè)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(shè)備合理選型與進行針對性設(shè)計是長距離巖石頂管施工成敗的關(guān)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(zhì)，并結(jié)合進度、安全要求，進行詳細(xì)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(shè)備提出如下設(shè)計要求：

(1)頂管設(shè)備應(yīng)能滿足一次性頂進2 km的能力，整機應(yīng)性能可靠、穩(wěn)定，并確保其成洞質(zhì)量滿足設(shè)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(yīng)能滿足長距離頂進施工要求。

(4)方向調(diào)整與糾偏能力及導(dǎo)向系統(tǒng)的精度和設(shè)備的可操控性應(yīng)能保證高精度貫通。

(5)頂管機應(yīng)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(xiàn)快速拆卸、回退和下一次組裝。同時，需要考慮不良地質(zhì)等極端情況下無法繼續(xù)頂進施工的應(yīng)急處理措施及處理能力。

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

根據(jù)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(qū)動采用液壓驅(qū)動，驅(qū)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(jié)構(gòu)形式，即4塊邊塊+1塊中心塊。為適應(yīng)不同的巖石強度，刀盤采用面板型復(fù)合式結(jié)構(gòu)，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(shù)

3.2.1 巖石地層頂管施工潤滑減阻存在的問題

常規(guī)頂管施工中，管節(jié)外壁摩阻力遠(yuǎn)大于正面阻力，摩阻力與頂進長度成正比關(guān)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(jié)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(jié)上多點對稱預(yù)留孔均勻地向管節(jié)壁后注入，使之填充于管節(jié)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(xù)頂進時泥漿被觸動，在其特性作用下，再變?yōu)槟z狀液體。頂管施工過程中，觸變泥漿呈液態(tài)—凝膠狀—液態(tài)交替循環(huán)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(yīng)用實例。結(jié)合觀景口項目長距離巖石頂管施工實踐，分析認(rèn)為存在以下不同：

由于巖石的自穩(wěn)能力強，隧洞與管節(jié)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(huán)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(jié)外壁與洞壁間隙，使管節(jié)上浮，嚴(yán)重時會使管節(jié)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(wěn)風(fēng)險。

富水段和裂隙發(fā)育地層中，觸變泥漿漏失嚴(yán)重，無法提供有效潤滑。

3.2.2 應(yīng)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(xué)漿糊)、純堿和水，不同地質(zhì)需要對應(yīng)的配合比，最終通過試驗確定。

觸變泥漿的性狀指標(biāo)與要求參見表1。

根據(jù)本工程的圍巖情況和水文地質(zhì)條件，經(jīng)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(wěn)定、稠度適宜。

表1 觸變泥漿的性狀指標(biāo)與要求

施工中，觸變泥漿配比需要結(jié)合頂管機的頂進參數(shù)和圍巖情況，在試驗分析基礎(chǔ)上結(jié)合實踐合理調(diào)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(huán)的前提下盡量降低出渣系統(tǒng)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(dāng)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(jiān)控摩阻力指導(dǎo)頂進施工。通過監(jiān)測主頂和中繼間頂力變化，分析不同段落的摩阻系數(shù)：宜控制摩阻力不大于3 kN/m2；摩阻力大于5 kN/m2時應(yīng)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(jù)實踐，觸變泥漿流失量大，被稀釋后幾乎失去應(yīng)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(dǎo)向與糾偏施工技術(shù)

3.3.1 陀螺儀導(dǎo)向系統(tǒng)工作原理

頂管測量采用陀螺儀+靜力水準(zhǔn)儀進行控制測量。頂管導(dǎo)向系統(tǒng)屬于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)是在開始時給予移動物體一個坐標(biāo)以及方向，再根據(jù)物體后續(xù)移動的方向和速度計算出它的最新坐標(biāo)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(guān)重要，與設(shè)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(zhì)量。頂管機配置的陀螺儀導(dǎo)向系統(tǒng)，實時測量并顯示頂進速度、機頭旋轉(zhuǎn)、水平傾角等參數(shù)，用以指導(dǎo)操作人員控制軸線。導(dǎo)向系統(tǒng)實時顯示的水平偏差為相對值，是根據(jù)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(yán)格控制趨勢值。操作人員根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)實時顯示的偏差值及趨勢值，來判斷機器當(dāng)前所處的真實姿態(tài)，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(nèi)。

(2)合理確定控制測量漂移值。根據(jù)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(fā)生的姿態(tài)變化，并結(jié)合經(jīng)驗確定水平偏差變化的補償量，即漂移值，輸入導(dǎo)向系統(tǒng)。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(yán)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(wù)必加強數(shù)據(jù)積累和分析，這是合理取值的基礎(chǔ)和依據(jù)。

(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(zhǔn)確測得頂管機實際姿態(tài)，合理確定漂移值；頂進操作中依據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)及時調(diào)整頂管機姿態(tài)，并嚴(yán)格控制調(diào)整幅度，禁止大幅度調(diào)整。如果發(fā)現(xiàn)姿態(tài)異常應(yīng)繼續(xù)保持原來的姿態(tài)并要求再次控制測量，綜合判定后調(diào)整頂管機姿態(tài)。

(4)結(jié)合地質(zhì)條件，總結(jié)經(jīng)驗。頂進操作和控制測量均需在施工中加強總結(jié)分析，積累經(jīng)驗，探索不同地質(zhì)條件下推進的方向變化規(guī)律，掌握合理確定漂移值和頂進操作調(diào)向經(jīng)驗，更準(zhǔn)確地控制頂進方向。

(5)復(fù)核測量。頂進過程中，需經(jīng)常復(fù)核測量頂進軸線，確保軸線偏差在允許誤差范圍內(nèi)，通常每頂進20～30 m復(fù)測1次，導(dǎo)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)變化較大的情況下，應(yīng)適當(dāng)加大復(fù)核頻率。為了保證測量精度，需定期或不定期復(fù)核控制點。

3.3.3 糾偏技術(shù)

(1)糾偏原則。實現(xiàn)管節(jié)按設(shè)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(guān)鍵。及時調(diào)節(jié)鉸接油缸的行程，使其能持續(xù)控制在軸線范圍內(nèi)。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(guī)律，多次糾偏，每次少量糾正；在出現(xiàn)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(xiàn)糾偏，確保頂管能順利推進；糾偏要在實際操作中摸索規(guī)律，掌握提前量。需嚴(yán)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(xù)糾偏，使頂進方向逐漸復(fù)位，嚴(yán)禁一次性大幅糾偏。

(2)糾偏技術(shù)措施。頂管偏差校正以預(yù)防為主，不能等到產(chǎn)生明顯超差時再進行校正。陀螺儀導(dǎo)向系統(tǒng)由于其顯示偏差為計算值，在頂進過程中容易出現(xiàn)測量設(shè)備偏航角與實際偏航角不一致的情況，就會出現(xiàn)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(yīng)根據(jù)實際偏差進行控制測量，必要時10 m測量一次。

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

要結(jié)合實際工況嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，勤測量、勤糾偏、控幅度、勤復(fù)核，避免大幅糾偏造成頂進困難、管節(jié)異常損壞。單次糾偏量宜控制在5 mm內(nèi)。

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(xué)模型示意如圖1所示。

圖1 頂管力學(xué)模型示意圖

通常認(rèn)為，迎面阻力由刀盤的切削阻力和泥水倉內(nèi)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(chǎn)生的管壁摩阻力，與管土接觸面積、摩擦系數(shù)、水土壓力等直接相關(guān)?？傢斶M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(shù)；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(yīng)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(shù)(大于1)。

對于本工程，結(jié)合中繼間油缸頂進能力與現(xiàn)場經(jīng)驗取值F0為17 000 kN，其他參數(shù)按照室內(nèi)試驗結(jié)果與經(jīng)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(wěn)定則φr越大)，試算可得L0=101.7～152.8 m?？梢?，在圍巖較穩(wěn)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(jié)果被用于指導(dǎo)中繼間的布置，取得了良好的工程應(yīng)用效果。

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

4 應(yīng)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(xù)頂進1 258 m，2#頂管機在3#無壓隧洞單次連續(xù)頂進1 702 m，圓滿完成既定目標(biāo)任務(wù)，并創(chuàng)造了單洞3 224 m的世界硬巖頂管施工的新紀(jì)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(yīng)用，證明了選型的正確性，并且為后續(xù)施工奠定堅實的基礎(chǔ)。部分隧洞貫通偏差見表3。

表3 部分隧洞貫通偏差

5 結(jié)束語

長距離巖石頂管隧道施工技術(shù)在我國水利工程領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣，同時工程條件對頂管機設(shè)計技術(shù)與施工技術(shù)的要求會越來越高。在如何有效應(yīng)對斷層破碎帶、高壓富水、圍巖收斂與掉塊、觸變泥漿長期穩(wěn)定性以及提出適應(yīng)巖石頂管施工的指導(dǎo)理論等問題上，仍需結(jié)合后續(xù)工程繼續(xù)系統(tǒng)研究、不斷積累經(jīng)驗。只有真正解決了長距離巖石頂管工程在設(shè)計和施工過程中遇到的難題，才能持續(xù)推動巖石頂管技術(shù)的發(fā)展，從而為我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)做出更大貢獻。