成都地區電力隧道機械頂管法選型探討

朱文美

(上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092)

1 成都地區典型地質情況

成都平原發源于川西北高原的岷江、沱江及其支流等8個沖積扇重疊聯綴而成的復合沖積扇平原[1]，地形地質形成了自身的特點?？傮w上成都地基土均勻性較差，自穩性差，地層存在以下特點：

（1）卵石含量高：卵石層粒徑一般以20～100mm為主，最大粒徑100 mm以上，卵石含量均大于50%。

（2）含水量高：地下水主要賦存于卵石層中，為松散巖類孔隙潛水，主要受地下徑流及大氣降水補給，其泄水方式主要以地下徑流及蒸發為主。

（3）土質松散，自穩性差：卵石間充填物以中、細砂為主，次為泥質。

各巖土層圍巖基本分級如表1所列。

表1 典型的巖土層圍巖基本分級表

2 機械頂管法的特點

頂管法具有安全、快速、高效、對施工周圍環境影響小等優點，在城市隧道施工中被廣泛采用。

機械頂管法前端采用頂管機掘土，頂管機是集機械、液壓、電控等為一體的自動化程度較高的地下隧道施工機械[2]。主要由工具管、刀盤、刀盤驅動、螺旋輸送系統、管段拼裝等系統組成，配備了機電一體化的液壓驅動系統、同步注漿系統、工業空氣系統、電控系統、泡沫設備、膨潤土注入設備及激光導向等設備。在主控室內可對工具管的掘進姿態實時監控，還可在地面監控室對頂管作業實時監控。

3 選型分析

頂管機作為頂管法施工的核心機械設備，其選型的合理與否不僅關系到頂管施工的成本和效益，還關系到頂管施工的質量與安全。機械頂管機應具備以下功能：掘進、防坍塌、出泥和導向等，根據給排水工程結構設計手冊[3]，其分類如表2所列。

表2 頂管機基本分類表

國內常用的頂管機有泥水平衡式、土壓平衡式及氣壓平衡式。氣壓平衡式機械頂管投資大，一般用于長距離頂管，對每隔約200 m就需設置通風井的電力隧道不具有經濟性，本文僅對泥水平衡和土壓平衡這兩種平衡方式進行比選。

3.1 泥水平衡式機械頂管的特點

泥水平衡式機械頂管的優點：

（1）適用的土質范圍比較廣；在地下水壓力很高，以及變化范圍較大的條件下也能適用；對管道周圍的土體擾動較小，引起的地面沉降也較小。

（2）與其他類型頂管比較，泥水平衡頂管施工時的總推力較小，尤其是在粘土層則表現得更為突出，所以適宜于較長距離頂管。

（3）由于泥水輸送棄土的作業是連續不斷地進行的，所以作業進度比較快。

泥水平衡式機械頂管的缺點：

（1）棄土的運輸和存放比較困難，運輸成本較高。

（2）管徑越大，泥水處理量也就越多，適用管徑受限。

（3）如果遇到覆土層過薄或滲透系數特別大的砂礫、卵石層，作業容易受阻。

3.2 土壓平衡式機械頂管的特點

土壓平衡頂管掘進機一般用來進行中大口徑的管道施工，可在覆土較淺的條件下正常工作。

土壓平衡式機械頂管的優點：

（1）最淺覆土深度僅為0.8倍掘進機外徑，這是其他形式頂管無法做到的。

（2）土壓平衡式機械頂管能保持挖掘面的穩定，可以使地面變形極小。

（3）適用的土質范圍廣，是全土質的頂管掘進機。

（4）棄土的運輸、處理都比較方便，不需要泥水式的泥水循環系統，操作更方便、安全。

（5）設備相對比較簡單。

土壓平衡式機械頂管的缺點：

（1）刀盤動力和扭矩較高，切削刀損耗較大。

（2）土層含砂量超過一定限度時，土體流性明顯變差，土艙內的土體易發生堆積、壓密、固結，可導致碴土難以排送，頂管推進被迫停止。

（3）為解決碴土排送困難，需要向土艙內注水、空氣、膨潤土或泥漿等材料，并需連續攪拌以提高土體的塑流性。

3.3 平衡方案比選

成都電力隧道主要穿越砂卵石地層，卵、礫石成分以灰巖、砂巖、石英巖等為主，呈圓形、亞圓形，粒徑大小不一，分選性差。成都地鐵土壓平衡盾構的現有設備配置雖然證明可以在高富水、高卵石地質條件下施工，但存在刀具消耗成本大、換刀困難等諸多問題[4]。為了解決這些困難，在施工前應針對不同種類的平衡方式，刀盤布置，渣土處理，降低刀頭磨損方法等特點進行方案比選（見表3），比選方案的前提條件是成都的高含水卵石土地質。

表3 土壓平衡式與泥水平衡式對比表

為充分考慮內因、外因和不可抗力對選型的影響，可以通過量化各項指標來為方案比選提供更直觀的依據，量化表格如表4所列。

表4中的權重是為了進行量化比較，其取值的邏輯如下：

（1）土質與石塊直徑和排泥管道的阻塞對方案選擇的影響最為重大。因為這兩個因素會直接決定施工的可行性和設備的正常運作。所以假定權重較大。

（2）其次，挖掘距離、地面設施與覆土深度對決策者的影響稍弱，因為這三項因素可以通過細節的改進來克服，但需要額外經濟上的投入。

（3）小權重因素主要涉及到施工細節和成本的控制，所以權重相對最低。

綜上所述，在實際施工過程中泥水平衡式頂管由于卵石含量大，存在破碎機破碎量大、掘進速度慢、泥水管路非常容易堵塞等困難，與土壓平衡式頂管相比更不適合于成都的地質條件，應選用土壓平衡式。

表4 泥水平衡式和土壓平衡式方案比選表

4 結論

通過以上分析得知，頂管機的選型是機械頂管工程成敗的關鍵，土壓平衡式頂管更適合成都地區電力隧道的施工。

[1]四川省地質工程勘察院.蜀都大道東段道路綜合整治工程220 kV電力隧道巖土工程勘察報告[R].成都：2011.

[2]馬保松,等.非開挖工程學[M].北京:人民交通出版社,2008.

[3]沈世杰,等.給排水工程結構設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[4]王國義.成都富水砂卵石地層盾構設備配置探討[J].現代隧道技術,2013,50(1),34-39.