復合地層泥水平衡頂管長距離曲線頂進施工關鍵技術

楊俊杰

摘?要：作為一種非開挖地下管道鋪設施工技術，頂管法施工具有綜合成本低、施工周期短、環境影響小、安全性高等特點，已逐漸成為一種廣泛應用的地下管道施工技術。而在長距離深埋頂管隧洞施工中，頂管機遭遇不良地質和地下不明障礙物的概率大、風險高，相較于盾構法施工，頂管在不良地質應對和線路精度控制方面仍相對較弱。本文結合漳州某生態補水工程施工現場，通過研究總結頂管關鍵技術措施與實踐經驗，為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：復合地層；基巖侵限；洞內維修；脫困；長距離曲線頂管

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.07.091

0?引言

我國城市化建設日益加快，在提高社會經濟發展的同時，也對城市生態水環境治理提出了更高要求。習近平總書記在黨的二十大報告中指出：“持續深入打好藍天、碧水、凈土保衛戰。統籌水資源、水環境、水生態治理，推動重要江河湖庫生態保護治理”。著力推動水生態環境保護，已由污染治理為主向水資源、水環境、水生態協同治理、統籌推進轉變。我國部分地區，由于城市內河缺乏有效地水源補充，河道上游及沿岸污水的排入，城市水質呈現惡化趨勢，嚴重影響沿河兩岸人民的生活質量和社會經濟發展。水資源的有效利用和城市水網升級改造刻不容緩。

1?工程概況

工程位于漳州臺商投資區北部，頂管段隧洞單線長2100.695m，雙線布置，采用多臺Ф3840泥水平衡頂管機施工，區間地質和施工環境復雜。

該工程最長區間隧洞單線長822m，線路平面曲率分別為20449m和34723m，上覆土層厚度132m～278m，頂管隧洞土體為強風化輝石閃長巖和全風化輝石閃長巖，巖土體存在不均勻問題，偶含有弱風化或強風化孤石和基巖凸起。地下水埋深46m～97m，頂管位于地下水位以下，地下水活動影響頂管掘進巖土體穩定。

第1臺頂管機用于區間左線，頂管機外徑3860mm，總長5400m，刀盤面板采用復合式平板，配置雙刃滾刀、刮刀等，刀盤扭矩1850kNm，轉速0～193r/min，電機功率37kw×7臺，糾偏油缸200t×8臺。

第2臺頂管機用于區間右線，頂管機外徑3880mm，總長6000m，刀盤采用復合面板式刀盤，配置單刃邊滾刀、正面雙刃滾刀等，刀盤扭矩1247kNm，轉速0～227r/min，電機功率37kw×8臺，糾偏油缸155t×8臺。

2?需要解決的問題

區間右線頂進至第57節管時，頂管遇孤石，排泥量失控，致使隧洞上方覆土水土流失而形成“漏斗”狀空洞，造成地面沉陷。頂進至第91節管時，機頭前方遭遇基巖侵限，刀盤配置不具備基巖破除能力，導致停機被困。

區間左線頂進至第146節管時，頂管機主軸承密封出現滲漏，導致停機。

綜上，有以下幾個方面問題需研究解決：（1）孤石段頂推，排泥量如何有效控制。

（2）遇基巖凸起侵限，頂管機如何脫困。（3）頂管設備故障，洞內拆裝維修方法。

（4）長時間停機如何避免管節抱死。（5）長距離曲線頂管施工關鍵技術。

3?施工關鍵技術研究應用

3.1?孤石段頂管機排泥量控制

由于頂管機破碎孤石過程慢，期間需不間斷排泥，極易發生泥漿超排，造成機頭前方土體失穩，影響地表建（構）筑物結構安全和管線安全。

（1）應通過加設管道流量計，記錄實際排泥量，與理論排泥量對比分析。

（2）根據操作室儀表盤顯示的進水排泥管道壓力值、泵的頻率和電流值推算實際排泥量，結合流量計數據分析評估。

（3）在排泥管出口進行渣樣篩查分析，并統計砂石含量。

（4）測定臨近超排時，應立即暫停頂進和排泥，通過機頭刀盤中心孔向倉內加注膨潤土泥漿反壓并增強浮力，穩定掌子面的同時，能有效避免石塊過度沉積在倉底。

（5）地面同步加強沉降監測，穩定后緩慢恢復頂進。

3.2?基巖侵限段預處理及頂管機脫困

在機頭前方1m～2m位置設置豎井，井口設計尺寸以滿足頂管機頭整機吊出和豎井通道施工需求為主。圍護結構根據地質情況選擇混凝土灌注樁+高壓旋噴樁止水+混凝土支撐。

豎井完成后，吊出被困頂管機，采用暗挖預處理侵限段基巖。基巖采用繩鋸切割+破錘處理。

恢復頂進時，先用原工作井繼續頂進，若頂力過大或無法頂進時，則將新增豎井作為始發井，重新布置始發場地，完成剩余區段的頂進。

3.3?頂管機洞內維修

頂管機主軸密封檢修采用洞內拆解方案，主軸返廠維修并更換密封圈。（1）刀盤與前筒體用2cm厚的鋼板滿焊連接，采用斜撐將刀盤牛腿與前筒體焊接，三角鋼板連接，將刀盤固定牢靠，防止主軸拆除時刀盤發生位移。

（2）在減速箱下方用15cm×20cm的方鋼搭建堅固滑道平臺，上方鋪設走道板，平臺上方與主減速箱底部預留5mm空隙并保證水平，以便后期安裝刀盤時微調。

（3）主軸承拆除。利用各吊點進行吊拆運，清理隧洞底部的障礙物，在專用拖車前方150米處用2T卷揚機連接，將主軸運送至井口，吊裝返廠維修處理。

3.4?長時間停機管理

對頂管機頭和成型隧洞范圍外壁持續加注減磨泥漿，防止地層變形擠壓管節而造成側摩阻力增大，進而造成頂力過大或無法頂進。

3.5?長距離曲線頂管施工關鍵技術

3.5.1?地面隆起沉陷控制

選取典型斷面建立頂管施工三維有限元模型分析，研究頂管施工引起的地表不均勻沉降。

軟弱地層頂管施工過程中，地表豎向沉降變形呈漏斗狀分布，且頂管推進對其軸線上方的地表位移影響最大。（1）應合理控制施工過程中的頂推推力與頂進速度。（2）在上覆土層較厚且地表起伏較大的地段，頂管施工前可采取地表預加固等必要工程措施，提高軟弱地層強度。

3.5.2?測量精度控制

曲線段無法實現激光直接導向。人工導線測量誤差較大。管節持續移動，影響穩定測量控制點設置，前后測量結果偏差大，頂管機姿態調整頻繁。

（1）應通過提高測量頻次，減少測量偏差，及時調整頂管機姿態，按趨勢勤糾緩糾。

（2）對控制點、頂管機姿態進行人工復核，遇曲率較小的曲線段和接收階段應加密復測頻率。

3.5.3?頂力控制

頂管機通過曲線段，隨著頂進長度和曲線轉角越來越大，頂進推力會越來越大。（1）合理控制泥漿注入壓力和注入量，及時加注減磨泥漿，增加泥套減磨效果。優化觸變泥漿配比，拌和用水采用純凈水，PH值宜體現在9～10的弱堿性范圍。（2）頂管機開挖直徑應大于管節外徑，通過擴孔減阻。（3）合理配置中繼間數量。中繼間應根據頂管機迎面阻力及估算摩阻力確定，可根據下式計算：

S′=k（F3-F2）/（πDf）

式中：

S′＝中繼間的間隔距離（m）；

F3＝最大允許頂力（kN）；

F2＝頂管機的迎面阻力（kN）；

f＝管道外壁與土的平均摩阻力（kN/m2）；

D＝管道外徑（m）；

k＝頂力系數。

3.5.4?開倉換刀

實際頂進過程中開倉換刀往往為被動開倉換刀。上部地層松散，穩定性差時，需采用帶壓開倉作業。

（1）對沿線進行加密地質補勘，盡量摸清孤石分布情況，針對性開展主動開倉查換刀具。

（2）開倉前，預加固地層，保證掌子面地層穩定和倉內作業安全。

（3）在保證刀具應換盡換的前提下，應盡量縮短開倉時長。

4?頂管施工現場實施效果

目前兩臺被困頂管機正按照既定方案穩步推進。從已完成頂管隧洞施工參數來看，隧洞成型質量良好，軸線誤差均在可控范圍內，滿足相關規定及驗收標準要求。

5?結語

通過上述研究成果和關鍵技術應用，目前投入的第3臺頂管機采用同樣施工技術在類似水文地質情況下，已成功完成另一區間全部361m頂進任務，區間線路平面曲率1800m，各項參數穩定，對類似工程具有較高的借鑒價值。另外，還有以下經驗教訓和建議供參考：（1）在地表建筑物密集和地下管線密布地帶，常規地質補勘方法難以實施，可采用鉆注一體機斜孔探測和低頻地質雷達深層探測。（2）全面地層適應性分析和設備選型應作為頂管施工先決條件，刀盤刀具配置寧強勿弱，電機數量和總功率也應足夠強大。（3）當頂管隧洞距離長，頂力臨近最大允許頂力時，安裝中繼間，并考慮足夠富余量。長時間停機時，應持續加注減磨泥漿。（4）同一工作井內存在兩個及以上方向隧洞時，應優先貫通較短一側隧洞，再以貫通隧洞布設后期較長隧洞的測量控制線，以提高測量精度。（5）對于施工環境復雜且敏感的長距離隧洞工程建設，尤其是在地質條件不明的情況下，推盾法施工在靈活性、適應性以及應對不良地質和曲線線路方面，均優于純頂管施工。

參考文獻

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