巖頂管掘進機超長距離施工主要設計參數探討

洪 松，孫寶升

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；2.華北水利水電工程集團有限公司，天津 300170）

引 言

巖石頂管掘進機是指巖石切割機構與頂進機構分離，掘進機依靠安裝于工作井里的主推進油缸，或主機后方中繼間油缸提供推進動力，由逐節安裝于主機后方的管道頂進的隧洞掘進機械。其與全斷面巖石掘進機既有聯系，又有區別。

巖石頂管掘進機屬于全斷面巖石掘進機（以下簡稱TBM）的范疇，其破巖機理也與TBM相同，均是利用滾刀擠壓并切割巖石，巖體在其巨大壓力下產生裂紋并向外開展、相互貫通，將巖體破碎為便于出渣運輸的小巖塊。

巖石頂管掘進機與TBM的區別也是顯而易見的。巖石頂管掘進機的推進系統與驅動系統分離布置，推進油缸位于工作井或主機后方的各級中繼間內，而TBM的推進系統與驅動系統均集成于主機上；巖石頂管掘進機采用螺旋輸送機或泥漿泵出渣，而TBM采用皮帶機出渣；頂管掘進機的支護結構為逐節安裝的管道（預制混凝土管、鋼管等），而TBM支護結構為錨噴支護體系或預制混凝土管片；巖石頂管掘進機頂進過程中不僅要克服刀盤及護盾阻力，還需克服管道周邊阻力，因此其合理頂進距離相對TBM較短，而TBM只需克服刀盤和護盾阻力，因此可以用于長隧洞的施工；巖石頂管掘進機只適用于小斷面巖石隧洞的施工，而TBM適用于大、中、小型斷面隧洞的施工。

1 推進系統頂推力計算

1.1 管道允許頂力

管道允許頂力按承載能力極限狀態計算，鋼筋混凝土管允許頂力采用《給排水工程頂管技術規程》（CECS 246： 2008，以下簡稱《規程》）式8.1.1計算：

式中：Fdc為混凝土管道允許頂力設計值（N）；φ1為混凝土材料受壓強度折減系數，取0.9；φ2為偏心受壓強度提高系數，取1.05；φ3為材料脆性系數，取0.85；φ5為混凝土強度標準調整系數，取0.79；fc為混凝土受壓強度設計值（N/mm2）；Ap為管道的最小有效傳力面積（mm2）；γQd為頂力分項系數，取1.3。

1.2 第一級中繼間設置距離

1）滾刀阻力

《規程》迎面阻力計算公式不適用于巖石頂管掘進機，但巖石頂管掘進機尚無迎面阻力計算公式，鑒于其與TBM的相似性，可參考TBM相關方法計算其迎面阻力。

滾刀直徑dc：巖石頂管掘進機用于小直徑巖石隧洞的開挖，一般采用小直徑滾刀，其額定壓力也相應較小。

平均刀間距λ：視圍巖單軸抗壓強度（UCS）確定，強度高時取大值 ，強度低時取小值。

滾刀數量N：滾刀總數等于刀盤半徑與刀間距之比，即：

式中：D為刀盤直徑（m）；λ為刀間距（m）。

等效滾刀數量按下式計算：

式中：Ne為等效滾刀數量（把）；αi為第i把滾刀的傾角（°），當無滾刀具體設計傾角時，Ne可取為0.9N。

滾刀總推力Fc：即頂管掘進機迎面阻力，按下式計算：

式中：P為單把滾刀額定壓力（kN）；其他符號意義同前。

2）泥水壓力

頂管掘進機通過對泥水倉施加壓力來平衡不穩定巖體產生的圍巖壓力，故泥水壓力可以圍巖壓力計算。

巖石掘進機設計中，若刀盤直徑為D，則常以0.57D（TBM制造商經驗值）作為不穩定巖體厚度計算圍巖壓力，按下式計算：

式中：Fs為頂管掘進機正機阻力（kN）；γ為圍巖浮容重（kN/m3）；D為掘進機刀盤開挖直徑（m）。

3）頂管掘進機迎面阻力

刀盤迎面阻力等于滾刀阻力和泥水壓力之和，若以刀盤迎面阻力以S表示，則有：

式中符號意義同前。

4）第一級中繼間距掌子距離

第一級中繼間距掌子面距離可根據《頂管施工技術及驗收規范》（試行，以下簡稱《規范》）式8-10.16-5計算，即：

式中：L1為第一級中繼間距掌子面的距離（N）；Ppipe為管道允許頂推力（N），即1.1節中的Fdc，當中繼間油缸總推力小于允許頂推力時則應取中繼間油缸總推力折減后計算；S為頂管掘進機迎面阻力（N）；R為位于中繼站前方單位長度管道與地層之間的摩阻力（N/m），等于πDfk（fk為管周平均摩阻力，《規范》有誤，本文此處已修正）。R按如下規則取值：

巖石頂管掘進機在施工過程中需采取減阻措施，但其減阻效果較土層頂管差。重慶觀景口水利樞紐工程巖石頂管掘進機施工過程中，管道與洞壁間隙被巖渣、巖粉填充，阻力增大，為了減小其產生的阻力，往往需在管節上開孔，以清除巖渣、巖粉減阻。由此可見，巖石頂管掘進機施工實施觸變泥漿減阻后，其管周阻力依然較大。施工過程中清出的巖渣為粗砂、碎石狀，參照《規程》表12.6-14，管壁平均摩阻力取11 kN/m2，以此計算R值。

1.3 其他中繼間頂力及設置間距

其他中繼間頂力和設置間距計算時，無迎面阻力，其他均同第一級中繼間距離計算。

1.4 主頂油缸推力及頂進距離

巖石頂管掘進機用于巖石地層，其工作井也一般位于基巖中，其最大推力一般不受后背墻所能承受的最大推力限制，而是受鋼筋混凝土管允許推力限制，鋼筋混凝土管允許頂力即為最大推力，其頂進距離同其他中繼間的間距。

2 合理推進距離計算

2.1 中繼間的作用

如上所述，在掘進過程中，頂管掘進機不僅要克服刀盤迎面和護盾周邊阻力，還需克服管道周邊阻力，因此，如果只依靠主頂油缸的頂推力，頂管掘進機的頂進距離將非常有限。中繼間就是為了延長頂進距離，在頂進過程中逐級安放于主機后方相應位置的一系列油缸組，每級油缸組只需克服其前方與上一級油缸組間洞段管道周邊阻力，通過油缸組的逐級頂推來實現長洞短頂，從而延長頂管掘進機可頂進距離的設施。

從理論上而言，在無工期約束的前提下，采用中繼間技術，可將頂管掘進的掘進長度無限延伸。

2.2 合理頂進距離計算

對掘進機而言，純掘進時間利用率是衡量其施工效率的一個有價值的參考指標，其平均先進水平為0.4，將純掘進時間利用率40 %時對應的掘進長度作為合理掘進長度。

如上所述，理論上而言，在不考慮工期約束時，采用中繼間技術，可以將頂管掘進機的頂進距離無限延伸，但任何工程都會有工期的約束，中繼間數量越多，主機后方管道移動單位距離所需時間也越長，平均掘進速度也相應降低，在以提高施工進度為目的工程中，若掘進長度過大，則采用巖石頂管掘進機施工無優勢。

頂管掘進機合理頂進距離為L，中繼間間距為l，平均掘進速度為v1、中繼間及主頂油缸平均推進速度為v2，把主頂油缸當作一次中繼間。對掘進機而言，純掘進時間利用率是衡量其施工效率的一個有價值的參考指標，其平均先進水平為 0.4，即純掘進時間占施工總時間的40 %。頂管掘進機掘進過程包括頂進、刀具檢查及更換、中繼間收縮、混凝土管安裝、頂鐵安裝及拆卸5個必備工序，經統計分析，刀具檢查及更換、混凝土管安裝、頂鐵安裝及拆卸需占用總時間的15 %左右，考慮到正常停機因素，中繼間收縮時間不宜超過40 %，否則將只有壓縮純掘進時間，導致掘進效率降低。則有下式：

3 工程案例

3.1 項目基本情況

觀景口水利樞紐工程位于重慶市巴南區東溫泉鎮，是重慶市重點水源工程、國務院確定的 172項重大水利工程之一。重慶市觀景口水利樞紐由水庫工程和輸水工程組成。輸水工程線路總長21.98 km，工程總工期45個月。

輸水線路共布置有7座無壓隧洞、3座有壓隧洞，總長16.32 km，隧洞內徑2.65 m，輸水線路縱坡1/2 000，原設計為鉆爆法施工，后變更施工方案，除1#無壓洞進口段采用懸臂掘進機施工外，其他各洞段均采用德國海瑞克公司AVN2000AH泥水平衡硬巖頂管掘進機施工，為國內外首次大規模采用巖石頂管掘進機施工的工程。頂管管道內徑2 650 mm，外徑3 170 mm，頂管掘進機開挖直徑3 236 mm。

3.2 隧洞工程地質條件

1）地形地貌

輸水線路均屬侵蝕—剝蝕低山堆積地貌，地形為狹長條帶狀低山及寬緩谷地相間分布，總的地勢為北東高南西低。輸水線路沿線山頂高程一般在500～700 m，谷地河床高程280～300 m，相對高差220～400 m。

2）地層巖性

輸水線路沿線均出（揭）露地層均為第四系人工填土（Q4s）、第四系沖積層（Q4al）、第四系殘坡積層（Q4eld）、侏羅系上統蓬萊鎮組（J3P）、侏羅系上統遂寧組（J3sn）、侏羅系中統上沙溪廟組（J2s）、侏羅系中統下沙溪廟組（J2xs）、侏羅系中統新田溝組（J2x）、侏羅系中下統自流井組（J1-2z）、侏羅系下統珍珠沖組（J1z）、三疊系上統須家河組（T3xj）。

輸水線路沿線均穿越的基巖地層主要為侏羅系上統蓬萊鎮組～三疊系上統須家河組，巖性主要為長石砂巖、長石巖屑石英砂巖、石英砂巖、砂質泥巖、泥巖、粉砂巖、頁巖等，為軟～中硬巖。強風化層厚度一般為1.0～3.0 m。

3.3 輸水隧洞施工方案

輸水隧洞均采用非爆破開挖，其中1#隧洞上游段采用懸臂掘進機開挖，現澆混凝土襯砌；1#隧洞下游段和其他各洞段均采用AVN2000AH泥水平衡硬巖頂管掘進機施工。頂管施工段共設 18個工作井，分11段頂進施工，其中9個頂進段長度超過1 km，最大頂進距離為1 701 m（已貫通）。3#無壓洞上游段掘進段長1 522.38 m，最高月進尺449 m/月，其各周頂進進尺見圖1。

圖1 3#無壓洞上游段周進尺

3.4 設計參數計算

1）管道允許頂力

本工程頂管采用C50預制混凝土管，其混凝土抗壓強度設計值為 21.3 MPa，管道承載厚度按240 mm計算，代入前述計算式，得Fdc為18 150 kN，本工程均為直線頂進，無需進行調整。

2）迎面阻力

頂管掘進機裝有15把φ330滾刀，其額定壓力按210 kN計算，則刀盤迎面阻力為2 835 kN、泥水壓力為356 kN。

3）第一級中繼間間距

中繼間最大推力為16 796 kN（646×26），小于管道允許推力，故應以此作為最大推力計算中繼間距離，中繼間頂力富裕量取40 %，管壁平均摩阻力取 11 kN/m2，計算得l1’=61.58 m。

4）其他中繼間間距

其他中繼間最大推力為16 796 kN，中繼間頂力富裕量取30 %，管壁平均摩阻力取11 kN/m2，計算得l1=105.14 m。本項目在實施過程中，根據實際情況，將原設計中繼間間距150 m調整為100 m。

5）合理頂進距離

為了使掘進速度更有代表性，以3-1#無壓洞（掘進長度 1 701 m）計算掘進速度，掘進總時間為170 165 min，平均掘進速度為1 cm/min；本工程中繼間實際平均收縮速度為6.5 cm/min，剛按上述合理頂進距離公式計算得L=1 367 m。

4 結 語

通過與觀景口水利樞紐工程硬巖頂管掘進機主要施工參數的對比分析，本文前述設計參數計算公式與實際應用較為吻合。計算所得第一級中繼間間距為61.58 m，其他中繼間間距為105.4 m，觀景口水利樞紐工程實際采用值分別為60 m和100 m；巖石頂管掘進機合理頂進距離可通過理論計算確定，其值與平均掘進速度和中繼間收縮速度有關，超過這一值即不合理。圖1顯示頂管掘進機施工中，當頂進距離較短時，平均進尺較高，頂進距離越長，平均進尺越低，這一情形與前述判斷吻合。計算所得合理頂進距離為 1 367 m，1-2#號、2#、3-1#、3-2#、4#、6#無壓洞掘進長度分別為1 102 m、1 258 m、1 522 m、1 701 m、1 291 m和1 164 m，6個工作面平均掘進長度為1 340 m，與計算值基本吻合。由此可見，本文所列計算方法及公式具有參考意義，建議直徑3.2 m左右硬巖頂管掘進機施工合理頂進距離控制在1 400 m左右，中繼間間距控制在100 m左右，主頂油缸推力控制在18 000 kN左右。