观景口水利枢纽输水隧洞长距离硬岩顶管施工工艺

李一樊

（中铁十八局集团隧道工程有限公司，400707，重庆）

一、工程概况

重庆市观景口水利枢纽主要由水库工程和输水线路工程组成。其中，输水工程线路总长在优化后达到21.197 km，输水线路工程中主要以隧洞为主，包括9座无压隧洞和2条有压隧洞，需顶管施工的隧洞段全长14.983 km，其中两条隧洞采用顶管对顶施工，最长对顶施工隧洞长度为3 224 m，输水隧洞流量设计值为4.76 m3/s，最大输水流量为5.76 m3/s。

二、长距离硬岩顶管施工工艺特点

①施工速度快。最高月进尺达到608 m，开挖和衬砌一次完成，隧洞一次成型。

②施工自动化程度高。观景口水利枢纽采用国际先进的硬岩顶管机，设备掘进时，管节顶进、泥水出渣以及管壁注浆可以在洞外操作室完成操作；在掘进过程中，泥水参数、设备系统参数可以实时监控，实现了顶管施工的自动化，施工效率较高。

③一次顶进距离长。观景口水利枢纽输水线路中掘进超过1 000 m的隧洞段有8条，其中最长单向顶进掘进1 701 m。

④地质及工程适用性强。本工艺的顶管机刀盘采用复合式刀盘，刀具采用背装式滚刀、刮刀和齿刀的组合方式，开挖刀盘适用于软岩、中硬岩地层掘进；为满足长距离施工出渣要求，采用泥水方式进行出渣，有效解决了长距离隧洞出渣效率问题；在对顶施工隧洞段，顶管机设计为可回退结构，成功解决了超长距离隧洞掘进顶管机可退回问题。

⑤安全环保。顶管施工使用的预制管道接口形式采用密封结构，与地层有效隔绝，阻止地层中的有害气体进入隧洞，并且能够防止隧洞地质灾害对施工人员的影响，保证施工人员和设备安全。泥水平衡顶管机施工对地层扰动小，具有保压功能，可有效减少地下水渗出和对环境的影响，保护地下环境的相对稳定。

三、泥水平衡型顶管机工作原理

泥水平衡型顶管机工作原理：在顶管过程中采用改变泥水仓的送、排泥水量和顶进速度，使泥水仓内的泥水压力值稳定并控制在所设定的范围之内，从而达到开挖面的稳定。

触变泥浆减阻原理：通过在管壁外压注触变泥浆，形成一定厚度的泥浆套，使顶管在泥浆套中顶进，以减少阻力。

中继间接力顶进原理：中继间接力顶进，也就是在管道中间设置中继环，分段克服摩擦阻力，从而解决长距离施工顶力不足的问题。中继间的千斤顶组在高压油路的作用下，以其后部管道为支撑点，将其前段管道向前推进，然后再将管道分段逐次推进，从而实现长距离顶管施工。

长距离制导：通过高精度陀螺仪自动导向系统，实时将机头位置反馈至操作室的监视屏上，指导纠偏施工，确保顶进线路与高程准确。

四、施工工艺流程

顶管施工工艺流程：施工准备→设备安装与调试→始发→顶进→测量导向与纠偏→中继间安装→主机回退/拆卸与转场（若一轮进行完毕又重新回到设备安装与调试）→中继间拆除→泥浆置换与接缝处理。

施工过程中，通过地面操作室控制，实现自动化施工，顶管设备组成示意见图1。

图1 顶管系统组成示意

1.施工准备

（1）工作井施工布置

工作井基坑采用明挖形式进行开挖，开挖完成后进行混凝土墙体施工，工作井的尺寸主要考虑到管道下放、各种设备进出、人员的上下、井内操作、测量、风筒等设备布置要求，工作井采用方形，尺寸为8 m（宽）×13.5 m（长），工作井内主要有基座与后背墙、主顶、始发洞、爬梯、集水坑等。

（2）基座与后背墙安装

顶管导轨基座采用钢结构预制装配式导轨，按所设定的轴线高程安装固定，导轨安装必须稳固，定位必须准确，以确保在顶进过程中不变形、不位移、不沉降。导轨定位必须经常复核，以确保导轨在顶进过程中轴线的精度，导轨设计的坡度应与管道坡度一致。

后背墙位于顶管工作井顶进方向的对面，是顶进管节时为顶管工作井提供反作用力的一种结构。后背墙在顶管施工中必须保持稳定，具有足够的强度和刚度，并与管道顶进方向垂直。在后背墙与主顶油缸之间，安装一块特殊的钢制后座，管节顶进时油缸的反力，通过钢后靠均匀地传递到工作井井壁上，避免井壁受力不均或局部受力过大造成井壁结构破坏。

（3）洞口密封止水

在顶管施工过程中，为防止地下水、泥沙和触变泥浆从管材与洞壁的间隙流入工作井中，必须安装洞门止水密封。洞口止水圈由预埋螺栓、钢压环及橡胶圈组成。橡胶的强度要求：拉伸量＞300%，肖氏硬度在50°±5°范围内，还须具有一定的耐磨性和较大的扯断拉力。

2.设备安装与调式

（1）主顶系统安装与调试

主顶设备主要由千斤顶、组合千斤顶架、顶铁、液压动力泵站及管阀、泵站和控制系统组成。主顶油缸安装时应对称安装，以确保管道受力均匀，主顶油缸为6根行程3 m、每根顶力为350 t的活塞杆，将杆固定在油缸架上，主顶力最大可达2 100 t；主顶动力单元为55 kW液压动力站，采用变量泵控制，以实现泵速与顶进速度相匹配。

主顶油缸在安装前必须检查其参数是否一致，油缸油路管件必须连接稳定，不得出现松动，防止液压系统在运行时出现高压伤人事件，安装后的油缸合力作用点必须在管道中心线的垂直面上。

（2）泥水平衡顶管机安装与调试

顶管机主机总重量35 t，用80 t汽车吊1次吊装。顶管机机头吊装时应平稳、缓慢、避免冲击、碰撞，并由专人指挥，机头安放在导轨上后，应测定前后端的中心方向偏差，并做好记录，机头与导轨的接触面必须平稳、吻合，电路、油路、操纵、监测等各系统部件连接牢固并安装正确，不得发生渗漏，应对各分系统进行认真检查和试运行。

操作室、主顶动力站安装在工作井边便于观察井下整体情况。

（3）中继间系统安装与调试

中继间是长距离顶管中用于分段顶进而设在管段中间的封闭环形小室，通过加设中继间的方法，就可以把原来需要一次性连续顶进几百米或者上千米的长距离顶管，分成若干个短距离的小段来分别加以顶进。中继间由钢材和混凝土制作，沿管环设置千斤顶。中继间油缸布置如图2所示。

图2 中继间油缸环形布置

中继间设置由总顶力决定，满足以下一个条件时应设置中继间：①总顶力大于主顶液压装置；②总顶力管大于允许的轴向力；③总顶力大于工作井后座最大土抗力。

根据经验，在顶管管径D＜1000mm时，应着重考虑顶管的允许轴向力；而在D≥1 000 mm时，则应着重考虑后座最大土抗力，所以本工程在施工设置中继间时，需要考虑后背墙的最大抗力。

（4）泥水系统安装与调试

泥水系统安装包括泥水分离站、进浆泵、排浆泵及管路组成。各部件安装必须正确、牢固不渗漏，并认真检查和分项调试，所有设备安装完毕后，必须进行联合调试，如果出现问题应立即停机，进行检查和修复。

（5）触变泥浆系统安装与调试

触变泥浆系统设备主要由洞外部分和洞内部分组成，洞外设备安装于工作井附近，由注浆泵、拌浆和储浆罐组成；洞内部分主要由管路及注浆控制单元组成。洞外拌浆和储浆罐设备在结构设计时采用一体化设计，方便安装和转场运输，洞内管路及注浆控制单元随管道顶进按需进行安装。

3.始发

分体式始发：由于微盾构机主机长4.3 m，后备套长29 m，而工作井长14 m，工作井的长度尺寸不能满足微盾构顶管机的后配套一次安装，只能采用分体式始发方式。当主机在井内组装完成后，将配套设备放置在井外并与主机连接，具备施工条件后开始顶进，顶进一定距离后，管材的长度足以满足放置后配套时，再将后配套设备与主机断开，全部转移至洞内的管材中，经过调试后进入正常顶进施工阶段。

始发要求：①全部设备必须经过检查并经过试运转。检查主要包括液压、电器、压浆、气压、水压、照明、通信、通风等操作系统是否正常，各种电表、压力表、换向阀、传感器、流量计等是否能正确显示其处于正常工作状态，然后进行联动调试，确认没有故障后，方可准备顶管始发。②检查顶管掘进机是否在导轨的中心线上，坡度和高程是否符合规定。③检查洞口止水圈与机头外壳的环形间隙是否保持均匀、密封良好、无泥浆流入。

4.顶管施工

（1）顶管施工工序

顶管施工工序：顶进前的准备工作→管道顶进→主顶油缸收回→安装顶铁（循环1次重新回到管道顶进）→顶铁移除→管线拆除→下管→管线连接（整个程序进行完毕后再进行下一循环顶进）。

（2）顶管机顶进

在确认管节拼装良好，所有机械运转正常的情况下，即可开始顶进。

①顶进操作

顶进操作按下列循序操作：打开旁通阀（此时止水阀关闭）→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。

一节管到位后或下顶铁时按下列顺序停止顶进：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。

在顶进过程中，机内操作人员和机外操作人员必须密切配合，利用通信工具加强与管内外的沟通联系，避免出现误操作。

②压力值的设定

在顶管施工过程中，要针对不同的覆土深度和岩体土质情况及时调整设定压力值，以确保顶进的顺利进行。

③维修保养

在顶管施工前，应对顶管系统进行认真检查和调试，从顶管运转开始直到停止，各操作人员需紧密配合，按操作程序进行，发生故障要及时排除。

④及时纠偏

施工时根据仪表出现的情况及时调整土压及顶进速度。顶管机出洞后的轴线方向与姿势对以后的顶进起关键作用，因此要实现管节按顶进设计轴线顶进，必须做好顶进轴线偏差的控制和纠偏量的控制。要及时调节顶管机纠偏千斤顶，顶进纠偏可采取调整纠偏千斤顶的办法进行编组操作，如管道偏左则千斤顶采用左伸右缩方法，反之亦然。随时根据顶进曲线图以及顶管机姿态分析发展趋势，严格按操作规程进行，发现问题及时纠偏，同时要严格控制顶管机大幅度纠偏以免造成顶进困难。如偏差超过质量标准应通知停止顶进，在摸清情况后再采取有效措施，方可继续顶进。

在顶进过程中对机头的转角要密切注意，机头一旦出现微小转角，应立即采取刀盘反转、加压铁等措施回纠。

（3）下管

顶管施工顶进一节管道或者顶进油缸到达行程（在顶铁已使用情况下），需要地面吊管道到井下。管道安装工序是顶管必不可少的工序。

管道安装施工内容：首先后顶系统暂停顶进，且后退油缸，泥水系统暂停进、排泥浆；暂停掘进系统；拆除管道内管道连接，包括进、排浆管道，风管，触变泥浆管，信号线，电源线，监控线等；地面汽车吊吊装管道到井下，然后就位；连接已拆除的管道；启动后顶系统、泥水系统、掘进系统等；开始正式顶管施工。下管示意如图3所示。

图3 管道安装示意

（4）顶管出洞

顶管机刀盘至接收井9 m的范围为出洞段，顶管机在出洞前根据地形、地质特点做好出洞前的准备工作，在掘进过程中应控制合理的掘进参数，防止顶进作业对出洞口的破坏，并且加强顶管机测量频次，保证顶管机沿设计轴线的范围内前进，顶管机主机出洞后，顶管管材应超过出口断面一定距离。

①在顶管机到达距接收井6 m时，开始停止第一节管节的压浆，并在以后顶进中到达压浆位置时逐渐后移，保证顶管管材形成完好的6 m左右的土塞，避免顶管机出洞时减摩泥浆大量流失造成管节周边摩阻力骤然上升。

②在顶管机主机进入接收井洞口时，应适当减慢顶进速度，调整排浆量，逐渐减小刀盘正面压力，以确保顶管机设备完好和洞口结构稳定。

③机头全部进入接收井时，暂停顶进，此时要掌握好实际顶进距离和主顶压的关系，使顶管机安全、稳定出洞。

（5）顶管贯通吊出

顶管施工贯通后，用汽车吊吊出顶管机到地面，然后转运至下一个施工区域进行检修、安装、调试等工作。

五、结 语

综上所述，观景口水利枢纽隧洞工程在施工中形成了一套成熟的超长距离硬岩顶管施工工艺，为水利工程中小断面、长距离隧洞工程施工提供了切实有效的机械施工方法，具有一定的借鉴意义。