复合地层泥水平衡顶管长距离曲线顶进施工关键技术

杨俊杰

摘 要：作为一种非开挖地下管道铺设施工技术，顶管法施工具有综合成本低、施工周期短、环境影响小、安全性高等特点，已逐渐成为一种广泛应用的地下管道施工技术。而在长距离深埋顶管隧洞施工中，顶管机遭遇不良地质和地下不明障碍物的概率大、风险高，相较于盾构法施工，顶管在不良地质应对和线路精度控制方面仍相对较弱。本文结合漳州某生态补水工程施工现场，通过研究总结顶管关键技术措施与实践经验，为类似工程提供借鉴。

关键词：复合地层；基岩侵限；洞内维修；脱困；长距离曲线顶管

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.07.091

0 引言

我国城市化建设日益加快，在提高社会经济发展的同时，也对城市生态水环境治理提出了更高要求。习近平总书记在党的二十大报告中指出：“持续深入打好蓝天、碧水、净土保卫战。统筹水资源、水环境、水生态治理，推动重要江河湖库生态保护治理”。着力推动水生态环境保护，已由污染治理为主向水资源、水环境、水生态协同治理、统筹推进转变。我国部分地区，由于城市内河缺乏有效地水源补充，河道上游及沿岸污水的排入，城市水质呈现恶化趋势，严重影响沿河两岸人民的生活质量和社会经济发展。水资源的有效利用和城市水网升级改造刻不容缓。

1 工程概况

工程位于漳州台商投资区北部，顶管段隧洞单线长2100.695m，双线布置，采用多台Ф3840泥水平衡顶管机施工，区间地质和施工环境复杂。

该工程最长区间隧洞单线长822m，线路平面曲率分别为20449m和34723m，上覆土层厚度132m～278m，顶管隧洞土体为强风化辉石闪长岩和全风化辉石闪长岩，岩土体存在不均匀问题，偶含有弱风化或强风化孤石和基岩凸起。地下水埋深46m～97m，顶管位于地下水位以下，地下水活动影响顶管掘进岩土体稳定。

第1台顶管机用于区间左线，顶管机外径3860mm，总长5400m，刀盘面板采用复合式平板，配置双刃滚刀、刮刀等，刀盘扭矩1850kNm，转速0～193r/min，电机功率37kw×7台，纠偏油缸200t×8台。

第2台顶管机用于区间右线，顶管机外径3880mm，总长6000m，刀盘采用复合面板式刀盘，配置单刃边滚刀、正面双刃滚刀等，刀盘扭矩1247kNm，转速0～227r/min，电机功率37kw×8台，纠偏油缸155t×8台。

2 需要解决的问题

区间右线顶进至第57节管时，顶管遇孤石，排泥量失控，致使隧洞上方覆土水土流失而形成“漏斗”状空洞，造成地面沉陷。顶进至第91节管时，机头前方遭遇基岩侵限，刀盘配置不具备基岩破除能力，导致停机被困。

区间左线顶进至第146节管时，顶管机主轴承密封出现渗漏，导致停机。

综上，有以下几个方面问题需研究解决：（1）孤石段顶推，排泥量如何有效控制。

（2）遇基岩凸起侵限，顶管机如何脱困。（3）顶管设备故障，洞内拆装维修方法。

（4）长时间停机如何避免管节抱死。（5）长距离曲线顶管施工关键技术。

3 施工关键技术研究应用

3.1 孤石段顶管机排泥量控制

由于顶管机破碎孤石过程慢，期间需不间断排泥，极易发生泥浆超排，造成机头前方土体失稳，影响地表建（构）筑物结构安全和管线安全。

（1）应通过加设管道流量计，记录实际排泥量，与理论排泥量对比分析。

（2）根据操作室仪表盘显示的进水排泥管道压力值、泵的频率和电流值推算实际排泥量，结合流量计数据分析评估。

（3）在排泥管出口进行渣样筛查分析，并统计砂石含量。

（4）测定临近超排时，应立即暂停顶进和排泥，通过机头刀盘中心孔向仓内加注膨润土泥浆反压并增强浮力，稳定掌子面的同时，能有效避免石块过度沉积在仓底。

（5）地面同步加强沉降监测，稳定后缓慢恢复顶进。

3.2 基岩侵限段预处理及顶管机脱困

在机头前方1m～2m位置设置竖井，井口设计尺寸以满足顶管机头整机吊出和竖井通道施工需求为主。围护结构根据地质情况选择混凝土灌注桩+高压旋喷桩止水+混凝土支撑。

竖井完成后，吊出被困顶管机，采用暗挖预处理侵限段基岩。基岩采用绳锯切割+破锤处理。

恢复顶进时，先用原工作井继续顶进，若顶力过大或无法顶进时，则将新增竖井作为始发井，重新布置始发场地，完成剩余区段的顶进。

3.3 顶管机洞内维修

顶管机主轴密封检修采用洞内拆解方案，主轴返厂维修并更换密封圈。（1）刀盘与前筒体用2cm厚的钢板满焊连接，采用斜撑将刀盘牛腿与前筒体焊接，三角钢板连接，将刀盘固定牢靠，防止主轴拆除时刀盘发生位移。

（2）在减速箱下方用15cm×20cm的方钢搭建坚固滑道平台，上方铺设走道板，平台上方与主减速箱底部预留5mm空隙并保证水平，以便后期安装刀盘时微调。

（3）主轴承拆除。利用各吊点进行吊拆运，清理隧洞底部的障礙物，在专用拖车前方150米处用2T卷扬机连接，将主轴运送至井口，吊装返厂维修处理。

3.4 长时间停机管理

对顶管机头和成型隧洞范围外壁持续加注减磨泥浆，防止地层变形挤压管节而造成侧摩阻力增大，进而造成顶力过大或无法顶进。

3.5 长距离曲线顶管施工关键技术

3.5.1 地面隆起沉陷控制

选取典型断面建立顶管施工三维有限元模型分析，研究顶管施工引起的地表不均匀沉降。

软弱地层顶管施工过程中，地表竖向沉降变形呈漏斗状分布，且顶管推进对其轴线上方的地表位移影响最大。（1）应合理控制施工过程中的顶推推力与顶进速度。（2）在上覆土层较厚且地表起伏较大的地段，顶管施工前可采取地表预加固等必要工程措施，提高软弱地层强度。

3.5.2 测量精度控制

曲线段无法实现激光直接导向。人工导线测量误差较大。管节持续移动，影响稳定测量控制点设置，前后测量结果偏差大，顶管机姿态调整频繁。

（1）应通过提高测量频次，减少测量偏差，及时调整顶管机姿态，按趋势勤纠缓纠。

（2）对控制点、顶管机姿态进行人工复核，遇曲率较小的曲线段和接收阶段应加密复测频率。

3.5.3 顶力控制

顶管机通过曲线段，随着顶进长度和曲线转角越来越大，顶进推力会越来越大。（1）合理控制泥浆注入压力和注入量，及时加注减磨泥浆，增加泥套减磨效果。优化触变泥浆配比，拌和用水采用纯净水，PH值宜體现在9～10的弱碱性范围。（2）顶管机开挖直径应大于管节外径，通过扩孔减阻。（3）合理配置中继间数量。中继间应根据顶管机迎面阻力及估算摩阻力确定，可根据下式计算：

S′=k（F3-F2）/（πDf）

式中：

S′＝中继间的间隔距离（m）；

F3＝最大允许顶力（kN）；

F2＝顶管机的迎面阻力（kN）；

f＝管道外壁与土的平均摩阻力（kN/m2）；

D＝管道外径（m）；

k＝顶力系数。

3.5.4 开仓换刀

实际顶进过程中开仓换刀往往为被动开仓换刀。上部地层松散，稳定性差时，需采用带压开仓作业。

（1）对沿线进行加密地质补勘，尽量摸清孤石分布情况，针对性开展主动开仓查换刀具。

（2）开仓前，预加固地层，保证掌子面地层稳定和仓内作业安全。

（3）在保证刀具应换尽换的前提下，应尽量缩短开仓时长。

4 顶管施工现场实施效果

目前两台被困顶管机正按照既定方案稳步推进。从已完成顶管隧洞施工参数来看，隧洞成型质量良好，轴线误差均在可控范围内，满足相关规定及验收标准要求。

5 结语

通过上述研究成果和关键技术应用，目前投入的第3台顶管机采用同样施工技术在类似水文地质情况下，已成功完成另一区间全部361m顶进任务，区间线路平面曲率1800m，各项参数稳定，对类似工程具有较高的借鉴价值。另外，还有以下经验教训和建议供参考：（1）在地表建筑物密集和地下管线密布地带，常规地质补勘方法难以实施，可采用钻注一体机斜孔探测和低频地质雷达深层探测。（2）全面地层适应性分析和设备选型应作为顶管施工先决条件，刀盘刀具配置宁强勿弱，电机数量和总功率也应足够强大。（3）当顶管隧洞距离长，顶力临近最大允许顶力时，安装中继间，并考虑足够富余量。长时间停机时，应持续加注减磨泥浆。（4）同一工作井内存在两个及以上方向隧洞时，应优先贯通较短一侧隧洞，再以贯通隧洞布设后期较长隧洞的测量控制线，以提高测量精度。（5）对于施工环境复杂且敏感的长距离隧洞工程建设，尤其是在地质条件不明的情况下，推盾法施工在灵活性、适应性以及应对不良地质和曲线线路方面，均优于纯顶管施工。

参考文献

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