泥水平衡破岩顶管穿越复杂岩层隧道掘进施工技术应用分析

泥水平衡破岩顶管穿越复杂岩层隧道掘进施工技术应用分析

周长华

广东省基础工程集团有限公司 广东广州 510620

摘要：泥水平衡顶管施工技术，在我国燃气、油气，市政管道工程建设中已应用多年。顶管隧道不可避免需要在各种河流下穿越，而遇上软硬不均匀的复杂岩层，施工难度就会更大，一旦掘进施工控制不好，就有可能达不到预期目标，甚至会影响整个顶管工程项目。故此，现本文结合工程实例先介绍泥水平衡顶管隧道穿越工程的重点难点，并有针对性地论述工程应用的关键技术措施，旨在为类似工程提供参考。

关键词：泥水平衡；破岩顶管机；复杂岩层；重点难点；掘进施工技术；应用分析

0 引言

对于非开挖泥水平衡顶管施工，若在隧道掘进过程中未能控制好掘进方向和及时调整掘进姿态，必定会影响掘进质量，甚至无法正常施工。为此，必须根据顶管工程的地质条件、水文状况及施工设计方案要求进行科学、合理地运用优选的施工技术，才能够排除施工风险，顺利完成掘进施工任务。

1 工程概况及地质、水文条件

中石油管道盘古河穿越隧道顶管工程位于黑龙江塔河县沿江林场二十三站附近，与漠大线管道并行（间距100m），采用顶管隧道方式穿越，隧道内径2.2m，穿越盘古河长度221.25 m（两竖井中心距离）。顶管施工不破坏原有河道结构，拟保护盘古河天然河道生态环境的完整性。

根据勘察报告显示，工程区间穿越的地形较复杂，东北高西南低，中部盘古河的地势最低，主要为主河床和河漫滩，主河床较顺直，河底高低不平，河床处覆土深度7.67m，河床为卵砾石；盘古河水面宽80m，水面标高260m，水深1.0～2.5m；区间穿越断面处河床最大冲刷深度1.58m，最低冲刷线高程256.72m，河水落差较大。本次穿越主要为强风化砂岩与中风化泥质粉砂岩，各岩土层的相关参数见表1。

表1 顶管穿越各岩土层相关参数

2 顶管施工技术方案

本顶管工程穿越的盘古河河道地下水丰富，且岩层地质复杂，为顺利顶进采用一台Φ2200mm泥水平衡破岩顶管机进行施工，顶进长度210m。顶管采用2200×220×3000钢筋混凝土管，抗渗等级不低于P8，接口采用柔性钢承口管“F”型接口、橡胶密封垫和遇水膨胀橡胶止水圈止水。始发井和接收井均为圆形竖井，均采用800mm地下连续墙加内衬（700mm厚）结构形式；应用的自拌混凝土等级分别为：导墙C25；连续墙、底板、衬墙为C40。其中始发井内径12.5m、井高19.4m（不含防洪井圈），接收井内径10m、井高17.2m（不含防洪井圈）。顶管机隧道平面轨迹为直线，隧道纵向剖面微向上倾斜（如图1所示）。

图1 隧道穿越盘古河纵剖面图

3 破岩顶管施工重点、难点分析

3.1 隧道穿越地质复杂

结合穿越盘古河断面河床最低冲刷线高程256.72m，顶管隧道须穿越③、③-1、④、④-1复杂岩层，风化程度软硬不一，成拱性较差，且含有坚硬的石英，刀具极易磨损，掘进时与岩层的摩阻力必定增大。所以，在破岩顶管机布置时，除按要求设置刀具避免磨损外，还需做好减摩措施，尽可能避免中途带压换刀。此外，顶管需穿越河床深覆土7.67m以下，对减阻泥浆压力控制难度加大。还有，因河床存有卵砾石，掘进施工时润滑泥浆较易流落，需采取相应措施。

3.2 顶管进出洞风险

顶管机进出洞环节是整个顶管工程的关键，若控制不好便会加大掘进施工的风险。顶管机从始发井加固区进入原状土岩层时，会因土体强度之间存在差异和机头自重的作用影响而发生“磕头”问题。若重新进行方向纠偏，必定会加大掘进的难度，搞不好还会导致顶管姿态失控而跑偏，甚至偏离掘进轴线。另外，顶管机头出洞环节，在接收井洞口封门拆除后，隧道口的密封装置有可能挡不住土体而发生塌落，或夹带泥水、砂水涌入井内，使接收井无法正常施工。

3.3 顶管机掘进要求高

根据施工方案要求，顶管工程两竖井的开挖深度不一，始发井比接收井埋深多2.2m。而顶管机在沿设计坡度斜向隧道穿越过程中，定向、转向、纠编难度会加大，这也是管道穿越工程的难点之一。故此，必须控制好破岩顶管机的掘进姿态，确保在顶进过程中不偏移轴线，且隧道内掘进方向误差≤±５０mm。同时，斜向掘进的方式与水平顶进不一样，会受自重的影响而需要更大的顶力才能向上掘进。此外，随着顶进长度的增加，致使套管底部承受的压力加大，有可能会造成其连接处发生破裂，而无法继续掘进施工。

4 顶管隧道穿越掘进施工技术

4.1 破岩顶管机刀具布置要点

对于顶管隧道施工来讲，刀盘布置是非常重要的内容，将直接影响到顶管掘进施工的成败。所以，在顶管施工前，需要根据地质特性、岩石硬度、破碎程度和刀具耐磨性等，对破岩顶管机的刀盘进行布置及布局控制，并检查其是否可以良好对称。根据本工程特点及地质条件，选用德国海瑞克生产的破岩顶管机，顶管机刀盘使用复合刀盘和复合刀具。在对刀盘正面布置各种各样的刀具时，还须认真检查设定滚刀刀刃间的距值是否合理，因滚刀设置的位置不同产生的线性速度也不一样，将直接影响着掘进作业期间刀具的磨损度；同时，还要调整好安装在刀盘上作为二次破碎的圆锥回转破碎装置，使其能够充分发挥保持顶管施工土体平衡和防止顶管机旋转的作用。此外，在刀盘外环体嵌合多条耐磨合金保径装置，不仅可切削滚刀破岩后出现的岩石尖角，还能保障刀盘不被尖锐岩石磨损和不发生卡角现象，在砂砾岩层中顺利掘进施工。

4.2 顶管进出洞措施

在对两竖井洞口处理时，洞圈封门采用连续墙预埋钢环作为预留进出洞口后，在洞口安装可拆式的止水钢圈，并在预埋钢环板与混凝土墙接触面处采用水泥砂浆堵缝止水；另外在接收井的止水钢圈上再做好两道老鹰嘴锯齿型止水橡胶圈做止水措施，以达到双重止水作用，防止顶管在隧道出洞时涌入泥水和砂水。还有，顶管机头到穿墙管内，机头与第一节、第二节砼管采用刚性联结措施，以免顶管机头发生“磕头”的风险。此外，由于竖井进出洞口所处的位置是圆砾岩层，透水性强，须对进出洞门外的土体应用高压旋喷进行加固改良（如图2所示），加固范围为沿隧道轴线方向7.5m，以及洞口外围顶管机外径上下3m，且设计强度要求加固后砂层渗透系数在1×10-6cm/s以内；同时现场取芯无侧限抗压强度须达到1.5MPa，内聚力为0.3MPa。这样可使土体的抗剪、抗压强度提高，降低透水性，进而达到控水稳土的目的。还有，须加大泥水的流量，避免搅拌桩硬泥块堵塞泥浆管道而影响掘进效果。

图2 洞口旋喷桩加固平面图

4.3 斜向掘进关键点

在顶管斜向掘进定向操作过程中，采用激光经纬仪予以控制，利用激光束进行定向引导，使掘进方向符合设计坡度要求。掘进前，在保持顶进支架处于水平状态下，提高顶管机头标高，使顶进前段稍微比后端略高，这样就可沿着设计坡度进行掘进施工；同时，为避免掘进偏离设计轴线，密切注意油缸的压力，确保套管受力均匀，套管每顶进30cm就要实测一次中心轴线；且在每段管节掘进后，随即测量机头的掘进姿态，且纠偏不能太大，否则会扰动土体和使管节间出现张角问题。（如图3所示）还有，因隧道内掘进施工是自下往上，为避免在出渣过程中受重力的作用而导致向顶管机头流动，造成过沙层地质超挖，可让机头在换刀时，溢出水不倒灌机头，顺着自然坡道流向工作井，工作井备用大功率排水结构，防止管道溢水浸机头，以确保施工作业的稳定性。

图3 顶进施工测量示意图

4.4 掘进参数控制

4.4.1 刀盘转速和掘进速度

本工程顶管机穿越软硬不匀岩层，必须对掘进参数严格加以控制。遇软质砂岩时，可用掌子面切削进行破碎；而遇硬质泥砂岩时，因滚刀受力加大，刀盘容易损伤。所以，在刀盘转速方面，须控制在0.9～1.1r/min值内，使刀具破岩时所受的瞬时冲击力在安全荷载可控之内；不过，如果能够合理控制好刀盘转速，还可使扭矩下降，即将刀盘转速调整到0.99~1.03r/min之内，相对应的扭矩是比较合理的。此外，在掘进速度方面，还需严格把控。初始掘进时，速度先控制在20mm/min左右，然后放慢速度不可低于10mm/min；当顺利进入正常状态后，须控制在20～30mm/min之间；如遇到较坚硬岩石时，还须放慢速度至10mm/min以内。值得注意，由于进洞口加固区硬度较大，在顶管进洞时，掘进速度不能太快，否则顶管机会出现扭转或导致机身损坏问题。还有，掘进速度不宜过快，否则会导致扭矩增大而加速刀具的磨损，甚至会导致地层扰动过大。

4.4.2 油缸设定

对油缸参数设定方面也不容忽视，须按顶管机的实际偏差位置和机身姿态进一步对导向油缸的行程进行设定。在实际操作中，为克服顶管机的自重影响，对各组导向油缸的伸长量进行调整，让顶管机垂直方向的前驱保持在4～6之间，从而免受磕头的影响。同时，对掘进一环轴线进行纠偏，将其控制在±5mm之内，以调整掘进姿态，注意不宜太快。还有，顶管机在隧道内能够按设计轴线进行掘进，须设定好推进油缸压力。为实现控向，可将推进油缸的下部油压相对上部调高1～2MPa，以消除磕头困扰；当掘进至设计坡度在4%以上时，再将下部油压加大至3Mpa，使掘进方向不偏离轴线轨迹。

4.5 顶管顶力有效控制

在破岩顶管掘进过程中，顶管顶力与顶进距离成正比，但随着顶进距离的加大，管道摩阻力就会不断加大，一旦超出后背的所有主顶油缸提供的抵抗反力，就出现不能再顶进问题。故此，为顺利掘进，必须科学地控制顶管顶力的增长。

4.5.1 顶管顶力计算

参考顶管顶力相关规范选用的计算公式为：

Fp=πD0Lfk+NF

式中：

Fp--顶进阻力（kN）；

D0--管道外径（m），取2.64m；

L--管道设计顶进长度（m），本顶管段为210m；

fk--管道外壁与土的单位面积平均摩阻力（kN/m2），本工程采用触变泥浆减阻技术，查表得fk=9.0kN/m2；

NF--顶管机的迎面阻力（kN），其计算公式为：

NF=¼πD0²P（P--控制土压力，取200kPa）。

则：

NF=¼πDR² P

＝¼π×2.64²×200＝1094kN

盘古河河顶管段：

Fp=πD0Lfk+NF

=π×2.64×210×9＋1094＝16762kN

结合上述公式可知，按照常规的触变泥浆减阻工艺，顶管总顶力已超出6台主顶油缸所提供的合力，必须加设中继间以确保顶管继续掘进。

4.5.2 中继环的设置

本工程采用6台200t等推力油缸（备用4台），若按中继环设置40个200kN千斤顶，则中继环设计总推力8000kN比控制顶力7500kN（设计值）大，所以第一个中继间设置的位置为：L＝（7500×50％－1094）/RS＝35.6m，即在第11节管节后（33m）设置第一个中继间。根据中继间的放置规律，从初始掘进开始，按达到中继间总推力的50％、80％、90％逐一将中继间进行放置，如此循环继续接力顶进。同时，应用的中继环应具有刚度大、水密性强、安装方便的特点，以保证顶管顺利顶进。

4.6 注浆、换浆减阻措施

为提高顶管掘进效果，设立同步注浆和管道补浆两种措施尽可能降低管道外侧的摩阻力，实现注浆减阻。触变泥浆配合比为：水：膨润土＝8：1，膨润土：CMC＝30：1。触变泥浆经地面的液压注浆泵送到每个节管前端布置的各注浆孔内，形成连续的环状浆套。在顶进过程中通过压力表和流量表对注浆压力及注浆量进行控制，压注压力根据管顶水压力而定，一般注浆压力须控制在水深的1.1～1.2倍，压浆量为管道外围环形空隙的1.5倍。顶管掘进完成后，要马上用纯水泥浆或水泥砂浆对触变泥浆进行置换，然后再拆除注浆管路，注意还须严密封闭注浆孔。

5 总结

本盘古河顶管工程的成功穿越，已充分证明了泥水平衡破岩顶管机能够在软硬不均匀的复杂岩层中顺利掘进，科学合理应用的施工技术也取得成效，使顶管项目达到了预期的经济效益和社会效益。现将实际施工中的关键点归纳如下：

（1）破岩顶管机在深覆土复杂岩层中掘进穿越前，必须严格控制顶管机设备的适应性，否则掘进时极易出现掌子面坍塌、刀盘被卡等问题。

（2）顶管隧道在透水性强的地质中穿越，由于地下水压力增大，会使顶管进出洞施工风险加大。所以，除了做好洞口止水效果和中继间的防水性能外，还需对进出洞口进行土体加固、封门设置等相关措施，以降低施工风险。

（3）顶管机斜向隧道穿越过程中，必须遵循勤测、勤纠、慢纠的控向原则，严格控制掘进轴线符合施工进程。同时，还需对顶管施工的相关掘进参数、顶管顶力及触变泥浆减阻进行监控，以确保掘进施工的质量。

参考文献

［1］中国非开挖技术协会行业标准.顶管施工技术及验收规范（试行）［S］.北京：中国非开挖技术协会，2006.

［2］GB50268-2008.给水排水管道工程施工及验收规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［3］GB50007-2011.建筑地基基础设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.