山区长距离大直径复杂地质顶管技术探讨与实践★

王清江 王 悦

(重庆工商职业学院，重庆 401520)

1 工程概况

重庆市某水利枢纽工程，输水工程线路总长为24.965 km，设计无压隧洞7座，总长18 965.2 m，隧洞断面净空直径2.65 m，外径3.17 m。采用钢筋混凝土预制管，管壁厚26 cm，顶管施工技术，单口最长顶推距离3.26 km。顶管工程见表1。

工程地质情况：顶管穿越山岭区，围岩地质为泥岩、粉砂岩夹砂岩、白云岩、灰岩夹岩溶角砾岩等，岩体微风化。

表1 顶管工程表

2 技术原理

1)顶管施工技术原理。输水隧洞管节预制加工，每节长2.5 m，运至现场，吊放进工作井，通过顶推设备，顶入岩层。顶推过程中，隧洞掌子面盾构同步作业，向前掘进，渣土由泥浆通过泥浆泵携带出洞外，同时为减少顶推阻力，顶推时隧洞管节背后注入触变减摩泥浆[1]。2)触变泥浆减阻原理，通过在管壁外压注触变泥浆，形成泥浆套，使顶管在泥浆套中顶进，以减少阻力，泥浆套厚度5 cm。3)中继间接力顶进原理[2]，每150 m设一处中继间，接力顶进，分段克服摩擦阻力。4)长距离制导，采用高精度陀螺仪自动导向系统。

3 技术方案

根据项目长距离和地质复杂的特点，经比选，本项目采用泥水平衡顶管施工方案。泥水顶管机组成：微盾构及配套系统、顶进系统、陀螺仪导向定位系统、泥水输送系统、润滑与灌浆装置和泥水处理系统。

3.1 施工准备

工作井长13.5 m，宽8 m，工作井内设基座与后背墙、主顶、始发洞、爬梯、集水坑等[3]。

1)基座安装。导轨基座采用钢结构，导轨的坡度应与设计管道坡度相一致，轴线位移控制在±3 mm，平面高程控制在0 mm～±3 mm。2)后背墙施工。后背墙位于顶管工作井顶进方向的对面，采用双排32工字钢和5 cm厚钢板，30 cm厚C30钢筋混凝土墙。3)洞门止水装置。顶管施工过程中，为防止地下水、泥砂和触变泥浆从管节与洞壁的间隙中流到工作井中，须安装洞门止水密封板。

3.2 主顶系统

主顶系统主要由千斤顶、组合千斤顶架、液压动力泵站及管阀、顶铁、泵站及控制系统组成。

1)千斤顶。a.主顶千斤顶应对称安装，以保证管节受力均匀，主顶油缸为6台行程3 m、每台顶力为350 t的千斤顶，固定在油缸架上，主顶力最大可达2 100 t。b.千斤顶合力的作用点必须在管道中心的垂直线上。

2)顶铁。a.顶铁应有足够的刚度，并且顶铁的相邻面相互垂直。b.顶铁与管口之间应采用缓冲材料衬垫。

3.3 微盾构顶管机

机头吊装应平稳、避免碰撞(见图1)。

3.4 中继间安装

中继间采用钢材制作，沿管环设置千斤顶[4]，通过加设中继间，把原来需要一次性连续顶进几百米或者几千米的长距离顶管，分成若干个短距离的小段来分别加以顶进(见图2)。

1)中断间布设，第一个中继间设置在顶管机后30 m位置，第二个中继间及其以后中继间根据顶推阻力进行调整，一般每隔150 m布置一个虚拟中继间，每隔300 m布置实体中继间。2)中继间拆除，由前向后依次拆除中继间内的顶进设备，拆除的空间由后面的中继间继续向前顶进，使管口相连接。

3.5 泥水系统

泥水系统包括泥水分离站、进浆泵、排浆泵及管路[5]。

4 工程实践

顶管施工工艺流程图见图3。

4.1 管道顶进

1)顶进作业流程。打开旁通阀→启动排泥泵→启动进泥泵→刀盘运转→打开止水阀→关闭旁通阀→主顶油缸顶进。2)管节顶进到位吊放下一管节前作业程序。主顶油缸停止顶进→刀盘停止运转→打开旁通阀→关闭止水阀→旁通状态下运行数分钟→进泥泵停止运转→排泥泵停止运转。3)顶进压力值及纠偏。顶进压力值与覆土深度和岩土地质情况相匹配，施工时，每节管节顶进完成后，对机头姿态进行测量，发生偏差，随时纠偏。

4.2 管道安装

1)顶推千斤顶暂停，且后退油缸，泥水系统暂停进、排泥浆，暂停掘进系统，拆除排浆管道，风管，触变泥浆管，信号线，电源线，监控线等管线，吊装管节到井下、就位。连接已拆除的管道，启动顶推系统、泥水系统、掘进系统等，继续顶进施工。2)管节间采取“F”型承插连接，管节吊装采用专用夹具，管节吊装前，检查管节承插口尺寸，橡胶圈和衬垫板质量，检查合格后，在接口处涂抹薄层油脂，以减少阻力。管道安装见图4。

4.3 压注触变泥浆

为减少摩阻力，顶进中向管节外压注触变泥浆，变固体间的滑动摩擦为固液间的滑动摩擦。

1)触变泥浆。触变泥浆由膨润土、纯碱、粉末化学浆糊和水组成。一般泥浆配比见表2。2)触变泥浆压注。采用高压泵压注泥浆，最高压力5.8 MPa，见图5。3)注浆管。注浆主管为φ70 mm钢管，沿线每间隔15 m设一个三通管，支管为φ25 mm橡胶管，连接管壁上预留的注浆孔。4)管道注浆孔。每5节普通管道布置1节带注浆孔的管道，带注浆孔管道设置三个注浆孔，呈120°平均分布，并配置带注浆阀门开关和塑料注浆管道。

表2 泥浆配比表

5 结语

大直径顶管长距离穿越山岭区域时，因地质复杂，常会遇到卡管无法推进等问题，但顶管施工对地层扰动小，施工噪声和空气污染与传统工程施工方法相比小的多，且顶管施工为保压模式，可有效减少施工时地下水的流失及对水文环境的影响，保护施工地水资源。随着人民对美好生活的需求，本技术应用前景将越来越广阔。