长距离岩石顶管施工关键技术

胡恒千

(中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400700)

1 顶管施工面临的挑战

我国顶管施工技术快速发展的同时，顶管装备同步创新和进步，为顶管施工技术的进一步推广奠定了技术基础和装备基础，但与德国、日本等发达国家的先进顶管设备及施工技术相比，差距仍然较大。主要表现在：

(1)设备制造技术与国外还有差距。近年来，国产顶管设备发展较快，尤其长三角地区，生产厂家多总体规模大，顶管设备也在大量出口。但是总体质量不高，仍集中在中低端领域，以引进吸收为主，顶进距离短、自动化水平低。在高端市场尤其是技术难度大、顶进距离长、曲线顶管等领域，仍然以国外产品为主。国内生产企业的总体技术水平仍然与国际先进水平有不小的差距。

(2)地域上发展不平衡。我国东部地区顶管技术发展水平较高，仅广东、上海、浙江、江苏和山东5省市即占全国顶管施工工程量的3/4；中西部地区应用很少，局限于市政管网和西气东输项目。近年来，重庆市政、石油等行业也在逐步开始使用微盾构顶管施工技术，例如重庆市果园港排污管道，采用顶管掘进机施工，施工总长约4.7 km，单个工作面最长顶进长度约360 m，管道内径1.65 m、外径1.98 m，最大顶进速度15 m/d。

(3)行业上发展不平衡。目前国内顶管施工技术主要应用于市政、电力、石油等行业，在水利行业中较少使用。

(4)岩石地层长距离顶管相关研究较少。顶管施工在土质地层中应用时间长且广泛，相关研究深入且理论完善；而在岩石地层中的顶管施工尤其是长距离岩石顶管施工的案例较少，相关的研究也不多，在地层适应性、设备选型、润滑减阻机理、泥水平衡理论适应性等方面也需要进一步深入研究。

重庆观景口项目初步设计为钻爆法施工，由于工期要求紧、对地层扰动大、浅埋段多且对周边居民影响大等原因，研究并应用了长距离岩石顶管施工技术。

2 工程概况

重庆市观景口水利枢纽工程输水线路位于重庆东温泉镇至茶园段，线路总长21.6 km。其中，10座隧洞全长15.6 km，单洞最长3 224 m，管节直径为3.17 m，隧洞内径2.65 m，采用先进的岩石顶管施工技术。要求单向最长顶进达到2 000 m，单向顶进超过1 000 m的段落共计11段，有3条隧洞需要对顶施工，施工难度极大，在国内乃至世界上都具有相当的挑战。

输水线路沿线主要穿越地层地质情况为泥岩、砂岩、泥质砂岩和灰岩，最大单轴饱和抗压强度分别为20 MPa、70 MPa和90 MPa。线路存在岩溶、断层及破碎带等不良地质，隧洞最浅埋深3 m，绝大部分在15 m以上，最大埋深325 m。

本工程输水隧洞施工存在如下特点：

(1)断面小、单洞长。成型隧洞内径2.65 m，3#隧洞长3.2 km，对各种施工方法都存在较大挑战。

(2)环保要求高。本工程位于东温泉附近，该处地热资源丰富，施工环保要求高。

(3)地质条件复杂。隧洞埋深深/浅交互、软/硬地层交互、局部存在岩溶、突水、突泥等不良地质。

3 顶管施工关键技术

3.1 岩石顶管机设备选型与设计

顶管机通常分为土压平衡式和泥水平衡式两种：土压平衡式顶管机适用于地层条件相对好、地下水不丰富地段，对受到小断面、长距离出渣运输条件制约的隧洞不适用；泥水平衡式顶管机适用范围广，可通过对掘进泥渣进行改良变成泥水排出洞外，洞外进行泥浆制备和处理。充分研究工程特点，对设备合理选型与进行针对性设计是长距离岩石顶管施工成败的关键。

本工程一次性距离长，存在溶洞、断层、软硬不均、富水、大量浅埋层等不良地质，并结合进度、安全要求，进行详细的分析论证，确定选用泥水平衡式顶管施工方案。为确保安全顺利通过，对设备提出如下设计要求：

(1)顶管设备应能满足一次性顶进2 km的能力，整机应性能可靠、稳定，并确保其成洞质量满足设计要求。

(2)满足切削最大饱和抗压强度为90 MPa岩石的能力。

(3)泥浆性能应能满足长距离顶进施工要求。

(4)方向调整与纠偏能力及导向系统的精度和设备的可操控性应能保证高精度贯通。

(5)顶管机应具备快速回退功能，满足在顶管施工中无吊出工作井的情况下，实现快速拆卸、回退和下一次组装。同时，需要考虑不良地质等极端情况下无法继续顶进施工的应急处理措施及处理能力。

(6)顶管机应具备在一定范围内变径的功能，以实现在尽可能少的改动情况下，适应一定断面范围内的施工。

根据以上要求，本工程所选的岩石顶管机装机功率1 150 kV·A；主驱动采用液压驱动，驱动功率250 kW，最大扭矩780 kN·m；开挖直径3 236 mm，超挖间隙33 mm。刀盘采用“4+1”的结构形式，即4块边块+1块中心块。为适应不同的岩石强度，刀盘采用面板型复合式结构，配置13英寸滚刀和刮刀。其中，10把双刃滚刀+5把单刃滚刀，18把刮刀。

3.2 润滑减阻技术

3.2.1 岩石地层顶管施工润滑减阻存在的问题

常规顶管施工中，管节外壁摩阻力远大于正面阻力，摩阻力与顶进长度成正比关系，适量注入触变泥浆，变固体间的滑动摩擦为固液间的滑动摩擦，将极大地减小阻力，所以顶进施工中，适量使用触变泥浆是减小顶进阻力的重要措施[1]。

触变泥浆通过两种途径注入管节壁后：一是随顶管机尾部的同步注浆一并加注；二是利用管节上多点对称预留孔均匀地向管节壁后注入，使之填充于管节外壁和周围土体间的空隙，形成泥浆套，减小管壁与土体间的摩阻力[2]。触变泥浆刚注入时为胶状液体，具有很好的流动性和润滑性；静置一定时间后，泥浆呈胶凝状，对土体形成一定的支撑作用；继续顶进时泥浆被触动，在其特性作用下，再变为胶状液体。顶管施工过程中，触变泥浆呈液态—凝胶状—液态交替循环变化，直到顶进贯通。

触变泥浆减阻和泥浆套的理论在土层顶进中已得到验证，在岩石地层中尚无应用实例。结合观景口项目长距离岩石顶管施工实践，分析认为存在以下不同：

由于岩石的自稳能力强，隧洞与管节外壁之间的间隙一直存在并形成前后连通的通道，受地下水及其流动性的影响，无法有效形成泥浆套，且大量膨润土流入刀盘被循环泥浆带走。

顶进过程中，掌子面破岩形成的石渣会通过超挖间隙向后流动进入管节外壁与洞壁间隙，使管节上浮，严重时会使管节与拱顶岩面直接接触。石渣与膨润土混合较长时间后，底部石渣与触变泥浆的混合物长期受到管道重量挤压、水分流失后会形成泥饼，从而使摩阻力急剧增大。

围岩破碎的洞段，触变泥浆会渗入到岩石裂隙，在其润滑性的作用下，加大围岩失稳风险。

富水段和裂隙发育地层中，触变泥浆漏失严重，无法提供有效润滑。

3.2.2 应对措施

确定触变泥浆配比。触变泥浆的成分为膨润土、CMC(粉末化学浆糊)、纯碱和水，不同地质需要对应的配合比，最终通过试验确定。

触变泥浆的性状指标与要求参见表1。

根据本工程的围岩情况和水文地质条件，经配比试验，初定触变泥浆配比为膨润土∶水∶纯碱∶ CMC=1∶6∶0.035∶0.015，该浆液触变性能良好、稳定、稠度适宜。

表1 触变泥浆的性状指标与要求

施工中，触变泥浆配比需要结合顶管机的顶进参数和围岩情况，在试验分析基础上结合实践合理调整。

控制出渣泥水压力和触变泥浆压力。在完整围岩中顶进时，在确保正常循环的前提下尽量降低出渣系统掌子面的泥水压力，采用常压模式，泥水仓水位保持在半仓左右，以减少开挖石渣回流进入管壁与洞壁间隙的几率。同时，适当降低触变泥浆的注入压力，减少其进入刀盘而流失的几率。

监控摩阻力指导顶进施工。通过监测主顶和中继间顶力变化，分析不同段落的摩阻系数：宜控制摩阻力不大于3 kN/m2；摩阻力大于5 kN/m2时应引起警觉；摩阻力超过8 kN/m2时，必须采取如清理沉渣等处理措施降低摩阻力。

控制触变泥浆粘度。正常洞段触变泥浆的马氏粘度约为90 s；围岩破碎洞段触变泥浆的马氏粘度不低于120 s，以减少漏失量；必要时添加高分子材料，进一步增加粘度，提升保水率，减少漏失量。

保持触变泥浆润滑效果。围岩较好的富水段，根据实践，触变泥浆流失量大，被稀释后几乎失去应有的润滑效果，可以选择性停止注浆或者单纯注入高分子材料。

3.3 长距离导向与纠偏施工技术

3.3.1 陀螺仪导向系统工作原理

顶管测量采用陀螺仪+静力水准仪进行控制测量。顶管导向系统属于惯性导航系统。惯性导航系统(INS)是在开始时给予移动物体一个坐标以及方向，再根据物体后续移动的方向和速度计算出它的最新坐标以及方向。

3.3.2 顶管施工方向控制

在长距离顶管施工中方向控制至关重要，与设计轴线偏差幅度及变化趋势不但影响摩阻力的变化，同时也直接决定了工程质量。顶管机配置的陀螺仪导向系统，实时测量并显示顶进速度、机头旋转、水平倾角等参数，用以指导操作人员控制轴线。导向系统实时显示的水平偏差为相对值，是根据控制测量的水平偏差、漂移值(drift值)和水平趋势通过特定的算法求得。

顶进贯通后管道允许偏差参见表2。

表2 顶管管道允许偏差

方向控制操作要点如下：

(1)严格控制趋势值。操作人员根据导向系统实时显示的偏差值及趋势值，来判断机器当前所处的真实姿态，并尽可能的保持趋势接近“0”位，趋势值通常要保持在±3 mm/m以内。

(2)合理确定控制测量漂移值。根据两次控制测量之间的水平偏差，判断顶管机在两次控制测量之间所发生的姿态变化，并结合经验确定水平偏差变化的补偿量，即漂移值，输入导向系统。漂移值的取值范围是0～1，“差之毫厘谬以千里”，不同的漂移值，对顶进方向控制的影响显著，必须严格控制、合理取值。漂移值取值是否合理，将在下一次控制测量时得以验证，因而务必加强数据积累和分析，这是合理取值的基础和依据。

(3)加强顶进与控制测量的密切配合。顶进操作与控制测量相互配合非常重要，控制测量中尽可能准确测得顶管机实际姿态，合理确定漂移值；顶进操作中依据导向系统数据及时调整顶管机姿态，并严格控制调整幅度，禁止大幅度调整。如果发现姿态异常应继续保持原来的姿态并要求再次控制测量，综合判定后调整顶管机姿态。

(4)结合地质条件，总结经验。顶进操作和控制测量均需在施工中加强总结分析，积累经验，探索不同地质条件下推进的方向变化规律，掌握合理确定漂移值和顶进操作调向经验，更准确地控制顶进方向。

(5)复核测量。顶进过程中，需经常复核测量顶进轴线，确保轴线偏差在允许误差范围内，通常每顶进20～30 m复测1次，导向系统数据变化较大的情况下，应适当加大复核频率。为了保证测量精度，需定期或不定期复核控制点。

3.3.3 纠偏技术

(1)纠偏原则。实现管节按设计轴线顶进，做好顶进轴线偏差的控制和纠偏量的控制是关键。及时调节铰接油缸的行程，使其能持续控制在轴线范围内。顶管操作纠偏控制原则：“勤纠、缓纠、提前纠”，要注意掌握轴线变化规律，多次纠偏，每次少量纠正；在出现大的突变的情况下或者变化较大的情况下，不急于纠偏，以较长的距离来实现纠偏，确保顶管能顺利推进；纠偏要在实际操作中摸索规律，掌握提前量。需严格控制纠偏幅度和操作流程，要求顶进过程中小幅多次持续纠偏，使顶进方向逐渐复位，严禁一次性大幅纠偏。

(2)纠偏技术措施。顶管偏差校正以预防为主，不能等到产生明显超差时再进行校正。陀螺仪导向系统由于其显示偏差为计算值，在顶进过程中容易出现测量设备偏航角与实际偏航角不一致的情况，就会出现较大的偏差。因此，为了尽可能减小偏差，20 ～40 m进行一次控制测量。顶进距离1 000 m以上，因测量误差几率增大，应根据实际偏差进行控制测量，必要时10 m测量一次。

顶进中发现管位偏差30 mm左右，即应进行校正，左右铰接油缸的差值每次宜调整2 mm，左右铰接油缸偏差值不应超过20 mm。上下铰接油缸的差值每次宜调整2 mm，最大偏差不应超过15 mm。在方向较难调整的情况下，每掘进1～2 m左右调整一次。如果出现其他异常情况，应上报技术主管，共同商讨确定调整方案。

要结合实际工况严格执行操作规程，勤测量、勤纠偏、控幅度、勤复核，避免大幅纠偏造成顶进困难、管节异常损坏。单次纠偏量宜控制在5 mm内。

3.4 中继间布置

顶进力主要由顶管机前端的迎面阻力和管壁的摩阻力组成，其力学模型示意如图1所示。

图1 顶管力学模型示意图

通常认为，迎面阻力由刀盘的切削阻力和泥水仓内的泥水压力组成[3]。由上覆土荷载、管土间粘聚力、管段自重等共同作用产生的管壁摩阻力，与管土接触面积、摩擦系数、水土压力等直接相关。总顶进力中迎面阻力占比很小，且不受顶进长度影响；管壁摩阻力对顶进力起控制性作用，随顶管长度的增加而增加。

参考文献[4]，岩石地层顶管的顶力如公式(1)所示：

(1)

式中：Ffri表示顶管所受摩阻力；uint表示管岩接触面残余摩擦系数；φr表示岩体的残余摩擦角，r表示管道半径；γ为岩体重度；D表示管道外直径；L为顶进长度。其中，uint、γ与φr均可通过试验获得，r以及D为管道已知尺寸，这样理论上Ffri与顶进距离成正比。

考虑到顶管顶力需要有一定的安全储备，两中继间的距离应该满足如下公式：

式中：F0为中继间油缸能提供的最大顶力；P为顶力安全储备系数(大于1)。

对于本工程，结合中继间油缸顶进能力与现场经验取值F0为17 000 kN，其他参数按照室内试验结果与经验综合取值。其中：P取值为2.0，uint为0.3，γ为21.5 kN/m3，r为1.585 m，D为3.17 m，φr为23～30°(围岩越稳定则φr越大)，试算可得L0=101.7～152.8 m。可见，在围岩较稳定段，两中继间的距离可以取值约150 m；在围岩较破碎段，两中继间的距离则可以取值约100 m。该计算结果被用于指导中继间的布置，取得了良好的工程应用效果。

考虑到长距离岩石顶管的施工风险，为确保顶力满足需求，在断层/破碎带等卡管风险极高的段落，需要增加管道应力监测手段，以便及时掌握管节外部摩阻力状态，同时应提前加密中继间布置作为储备。

4 应用效果

本工程选用AVN2000型泥水平衡顶管机，其中1#顶管机在2#无压隧洞试验段单次连续顶进1 258 m，2#顶管机在3#无压隧洞单次连续顶进1 702 m，圆满完成既定目标任务，并创造了单洞3 224 m的世界硬岩顶管施工的新纪录，最高日进尺32 m，最高月进尺488 m。截至目前已完成顶管隧洞总长度超过12 km。通过观景口项目输水隧洞成功应用，证明了选型的正确性，并且为后续施工奠定坚实的基础。部分隧洞贯通偏差见表3。

表3 部分隧洞贯通偏差

5 结束语

长距离岩石顶管隧道施工技术在我国水利工程领域的应用会越来越广，同时工程条件对顶管机设计技术与施工技术的要求会越来越高。在如何有效应对断层破碎带、高压富水、围岩收敛与掉块、触变泥浆长期稳定性以及提出适应岩石顶管施工的指导理论等问题上，仍需结合后续工程继续系统研究、不断积累经验。只有真正解决了长距离岩石顶管工程在设计和施工过程中遇到的难题，才能持续推动岩石顶管技术的发展，从而为我国的基础设施建设做出更大贡献。