李月先 沈艷忱 張冠洲 陳 卓 趙普山 郭靜明

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京210029;2.解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇 南京210007;3.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京210007;4.71887 部隊，山東 煙臺265800;5.南京軍區(qū)司令部，江蘇 南京210007;6.解放軍65587 部隊，吉林 四平136001)

我國的西北地區(qū)有些金屬礦層蘊(yùn)藏于松散地層中。這種地層主要由松散的沙粒、碎石和卵石等組成，其結(jié)構(gòu)松散、膠結(jié)性差、穩(wěn)定性弱。在這種地層的水平巷道掘進(jìn)中進(jìn)行鉆孔爆破法或機(jī)械開挖法施工時，需減少震動和擾動，通常采用先支護(hù)后掘挖、邊掘挖邊封閉等。如果在水平巷道切口或掘挖斷面變形量較大或塌方量較大時，須視具體情況進(jìn)行超前錨桿、錨索、小直徑鋼管支護(hù)，超前鋼管棚支護(hù)，超前小直徑鋼導(dǎo)管預(yù)注漿支護(hù)等［1］。如何滿足支護(hù)、掘進(jìn)和量測等水平巷道掘進(jìn)的鉆孔爆破法、機(jī)械開挖法施工的基本要求，為在松散地層中進(jìn)行水平巷道掘進(jìn)的安全施工、快速施工和低耗施工，實現(xiàn)信息化、機(jī)械化施工，有必要進(jìn)行施工新工藝、新技術(shù)的研究。

1 大直徑地涵快速施工實例與原理

1.1 案例概況

某省某主河北延送水工程是國家南水北調(diào)建設(shè)項目的骨干工程。該工程中橫穿某河的地涵位于某縣的粉質(zhì)土層中，采用雙排雙層(共4 條設(shè)于河床下地涵)鋼筋混凝土頂管工藝施工。鋼筋混凝土管節(jié)內(nèi)徑為3 500 mm，壁厚為330 mm，節(jié)長為2 500 mm，混凝土為C50，頂管總長度為450 m。鋼筋混凝土管頂部段距河床底800 mm，距河水面13.47 m。經(jīng)頂管施工方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，采用2 套D3500 大刀盤泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)快速施工。

1.2 技術(shù)原理與分類

非支護(hù)暗挖地道式施工有液壓頂管法和盾構(gòu)法等。針對地涵工程的實際情況和特點(diǎn)，使用液壓頂管法為宜。

1.2.1 技術(shù)原理

液壓頂管法的掘進(jìn)施工是依靠油泵的頂力，使掘進(jìn)機(jī)從出發(fā)的工作井處開始掘進(jìn)，邊掘進(jìn)邊頂進(jìn);當(dāng)頂距具有1 節(jié)管節(jié)的長度后，收回頂進(jìn)體，吊入管節(jié)體;然后，再進(jìn)行下一循環(huán)的邊掘進(jìn)邊頂進(jìn);當(dāng)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入接收的工作井內(nèi)，將掘進(jìn)機(jī)吊出。液壓頂管法的技術(shù)原理如圖1 所示［2］。由各管節(jié)的封閉連接形成了使用的空間，掘進(jìn)施工人員在這空間里操作，無需進(jìn)行施工支護(hù)，既安全又快速。

圖1 液壓頂管技術(shù)原理Fig.1 Schematic diagram of hydraulic jacking technology

1.2.2 液壓頂管掘進(jìn)分類

液壓頂管掘進(jìn)形式可分為手掘式、擠壓式、半機(jī)械式和機(jī)械式(泥水平衡、泥漿平衡、土壓平衡、巖石掘進(jìn)機(jī)式等)。

1.3 泥水平衡式頂管掘進(jìn)特點(diǎn)和組成

1.3.1 掘進(jìn)特點(diǎn)

泥水平衡式頂管掘進(jìn)，以平衡松散土體的壓力和地下水的壓力進(jìn)行頂掘施工。其特點(diǎn):①相對其他頂管形式，其液壓總頂力較小;②對頂管壁周邊的土體擾動少;③泥水管道輸土，速度較快;④工作井內(nèi)的施工環(huán)境較好，有利安全施工;⑤頂管掘進(jìn)機(jī)設(shè)備較簡便，適用于粉質(zhì)土、砂質(zhì)土等松散的地層。

1.3.2 掘進(jìn)設(shè)備

泥水平衡頂管掘進(jìn)設(shè)備組成:①頂管掘進(jìn)機(jī);②液壓頂進(jìn)泵和控制系統(tǒng);③減摩泥漿制作與泵壓系統(tǒng);④泥水管道輸渣系統(tǒng);⑤激光測量、監(jiān)控系統(tǒng)。

該工程的2 個涵首分別在某主河的兩岸，全長550 m。單套泥水平衡頂管掘進(jìn)施工平均15 m/d，掘輸土渣204 m3/d。實際工期為22 個月，掘進(jìn)開挖土方為22.9 萬m3，漿砌塊石為2.80 萬m3，澆筑混凝土為3.30 萬m3，當(dāng)時的工程投資為10 904 萬元［2］。該水涵的頂管掘進(jìn)法施工當(dāng)時是我國首次在復(fù)雜地層中雙排雙層、長距離、大直徑橫穿大河的成功案例。工程質(zhì)量達(dá)到國家水利工程驗收標(biāo)準(zhǔn)，一次驗收順利通過。

2 水平巷道快速掘進(jìn)施工法試驗

針對某些金屬礦山在松散地層中進(jìn)行水平巷道掘進(jìn)的需要，將大直徑地涵液壓頂管快速施工法的相關(guān)技術(shù)原理、施工工藝和技術(shù)進(jìn)行深入研究，并在松散地層的水平巷道掘進(jìn)中進(jìn)行試驗研究。

2.1 頂力的分析與計算

2.1.1 頂力的分析

頂管掘進(jìn)機(jī)和管節(jié)的主要受力為土體壓力、管節(jié)的自重和兩者所產(chǎn)生的摩阻力及掘進(jìn)前方與土體的正面阻力，如圖2 所示。

圖2 頂管掘進(jìn)和管節(jié)的受力示意Fig.2 The force diagram of pipe jacking and pipe coupling

2.1.2 頂力的計算

由圖2 可得頂管掘進(jìn)時頂力計算公式

式中，Rf為總頂力，kN;F 為管周摩擦阻力，kN;PA為迎面阻力，kN;μ 為管土摩擦系數(shù);qN為管體承受的法向壓力，kN;W 為管段自重，kN。

2.2 快速掘進(jìn)的施工試驗

2.2.1 試驗場地和方案

(1)試驗場地。水平巷道快速掘進(jìn)施工的試驗場地在某市郊某隧道工程約30 a 前施工的棄渣堆積山體，如圖3 所示。碎石粒徑大小不等并與土粒為松散形，如圖4 所示。試驗場地的松散體樣的相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示，水平巷道快速掘進(jìn)軸線的埋深和掘進(jìn)距離如圖5 所示。

圖3 試驗場地局部地貌Fig.3 Local topographic map of the experimental site

圖4 試驗場地松散體Fig.4 Loose mass samples at experimental site

表1 試驗場地松散體相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Related physical and mechanical indexes of loose mass at experimental site

圖5 掘進(jìn)軸線各點(diǎn)埋深Fig.5 The buried depth of the tunneling axis

(2)主要試驗方案。在松散堆積山體的北側(cè)制作鋼筋混凝土后背墻，頂進(jìn)作業(yè)平臺為快速掘進(jìn)的起點(diǎn)，向南側(cè)采用鋼制封閉式簡易頂管掘進(jìn)機(jī)(自研制)進(jìn)行掘進(jìn)，后背墻、液壓油泵、頂進(jìn)軌道和掘進(jìn)機(jī)端部如圖6 所示。掘進(jìn)機(jī)和鋼筋混凝土管節(jié)的外徑均為2 640 mm，管節(jié)壁厚為220 mm，管節(jié)長度為2 000 mm。頂管掘進(jìn)機(jī)與管節(jié)相接，如圖7 所示。

在掘進(jìn)機(jī)和管節(jié)內(nèi)設(shè)置了多處多項測點(diǎn)，對垂直、水平和斜向土壓力，頂推力，管節(jié)應(yīng)力、應(yīng)變和山體表面變形等進(jìn)行監(jiān)測，并進(jìn)行適時監(jiān)控，為在松散地層中的水平巷道快速掘進(jìn)的信息化施工打下基礎(chǔ)。

圖6 頂管頂進(jìn)設(shè)備圖Fig.6 Jacking equipment

圖7 頂管掘進(jìn)機(jī)與管節(jié)相接Fig.7 The connection graph of pipe jacking machine and pipe coupling

2.2.2 試驗的主要成果

(1)口部效果。頂管快速掘進(jìn)的切口小、成形快，有效地保持了原始的地形地貌。切口處無需預(yù)支護(hù)、施工安全、工程量小、費(fèi)用省等。如圖8 所示。

圖8 頂管快速掘進(jìn)口部Fig.8 The import department map of pipe jacking rapid excavation

(2)實測掘進(jìn)頂力與計算值。將快速掘進(jìn)中實測的頂力和式(1)、韓選江公式［3］、謝爾勒公式［4］、行業(yè)規(guī)范［5］的計算值進(jìn)行匯總，如圖9 所示。由圖9 可得式(1)的頂力計算值接近于實測值。

圖9 實測頂力與各公式計算值曲線Fig.9 Curve diagram of measured jacking force and calculation value of each formula

(3)主要技術(shù)指標(biāo)對比。本試驗所得水平巷道各項主要技術(shù)指標(biāo)與鉆孔爆破法掘進(jìn)指標(biāo)的對比分析如表2 所示。

表2 不同施工法主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indexes of different construction methods

經(jīng)表2 分析可知，水平巷道快速施工法相對于鉆孔爆破施工法，在安全施工、速度、質(zhì)量和材料用量等指標(biāo)上具有明顯的優(yōu)勢。

3 結(jié) 語

本試驗研究為松散地層中水平巷道快速施工提供新的工藝和技術(shù)，在今后的推廣應(yīng)用中將能獲得明顯的綜合效益。本試驗研究成果也可在人防工程、山體坍塌造成的隧道口部和道路堵塞等意外災(zāi)害的應(yīng)急搶險中應(yīng)用。

［1］ 張冠洲.地下工程施工技術(shù)［M］.南京:解放軍理工大學(xué)出版社，2010.

Zhang Guanzhou.Underground Engineering Construction Technology［M］. Nanjing:PLA University of Science and Technology Press，2010.

［2］ 郭靜明.頂管施工工藝應(yīng)用于松散地層坑道工程施工的探索與實踐［D］.南京:解放軍理工大學(xué)，2012.

Guo Jingming.Exploration and Practice of Pipe Jacking Construction Technology Applied in Tunnel Construction of Loose Formation［D］.Nanjing:PLA University of Science and Technology，2012.

［3］ 韓選江.大型地下頂管施工技術(shù)原理與應(yīng)用［M］. 北京:中國建筑出版社，2008.

Han Xuanjiang.Large Underground Pipe Jacking Construction Technology Principle and Application［M］. Beijing:China Construction Press，2008.

［4］ 馬·謝爾勒.頂管工程［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1998.

Max Scherle. Pipe Jacking Engineering［M］. Beijing:China Construction Industry Press，1998.

［5］ 頂管施工技術(shù)及驗收規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2006.

Specifications for Construction and Acceptance of Pipe Jacking［S］.Beijing:China Communications Press，2006.