洪 松，孫寶升

（1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.華北水利水電工程集團(tuán)有限公司，天津 300170）

引 言

巖石頂管掘進(jìn)機(jī)是指巖石切割機(jī)構(gòu)與頂進(jìn)機(jī)構(gòu)分離，掘進(jìn)機(jī)依靠安裝于工作井里的主推進(jìn)油缸，或主機(jī)后方中繼間油缸提供推進(jìn)動(dòng)力，由逐節(jié)安裝于主機(jī)后方的管道頂進(jìn)的隧洞掘進(jìn)機(jī)械。其與全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)既有聯(lián)系，又有區(qū)別。

巖石頂管掘進(jìn)機(jī)屬于全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱TBM）的范疇，其破巖機(jī)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(chǎn)生裂紋并向外開展、相互貫通，將巖體破碎為便于出渣運(yùn)輸?shù)男r塊。

巖石頂管掘進(jìn)機(jī)與TBM的區(qū)別也是顯而易見的。巖石頂管掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分離布置，推進(jìn)油缸位于工作井或主機(jī)后方的各級(jí)中繼間內(nèi)，而TBM的推進(jìn)系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均集成于主機(jī)上；巖石頂管掘進(jìn)機(jī)采用螺旋輸送機(jī)或泥漿泵出渣，而TBM采用皮帶機(jī)出渣；頂管掘進(jìn)機(jī)的支護(hù)結(jié)構(gòu)為逐節(jié)安裝的管道（預(yù)制混凝土管、鋼管等），而TBM支護(hù)結(jié)構(gòu)為錨噴支護(hù)體系或預(yù)制混凝土管片；巖石頂管掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)過程中不僅要克服刀盤及護(hù)盾阻力，還需克服管道周邊阻力，因此其合理頂進(jìn)距離相對(duì)TBM較短，而TBM只需克服刀盤和護(hù)盾阻力，因此可以用于長(zhǎng)隧洞的施工；巖石頂管掘進(jìn)機(jī)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(jìn)系統(tǒng)頂推力計(jì)算

1.1 管道允許頂力

管道允許頂力按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算，鋼筋混凝土管允許頂力采用《給排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS 246： 2008，以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》）式8.1.1計(jì)算：

式中：Fdc為混凝土管道允許頂力設(shè)計(jì)值（N）；φ1為混凝土材料受壓強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.9；φ2為偏心受壓強(qiáng)度提高系數(shù)，取1.05；φ3為材料脆性系數(shù)，取0.85；φ5為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整系數(shù)，取0.79；fc為混凝土受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）；Ap為管道的最小有效傳力面積（mm2）；γQd為頂力分項(xiàng)系數(shù)，取1.3。

1.2 第一級(jí)中繼間設(shè)置距離

1）滾刀阻力

《規(guī)程》迎面阻力計(jì)算公式不適用于巖石頂管掘進(jìn)機(jī)，但巖石頂管掘進(jìn)機(jī)尚無(wú)迎面阻力計(jì)算公式，鑒于其與TBM的相似性，可參考TBM相關(guān)方法計(jì)算其迎面阻力。

滾刀直徑dc：巖石頂管掘進(jìn)機(jī)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(yīng)較小。

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

滾刀數(shù)量N：滾刀總數(shù)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(shù)量按下式計(jì)算：

式中：Ne為等效滾刀數(shù)量（把）；αi為第i把滾刀的傾角（°），當(dāng)無(wú)滾刀具體設(shè)計(jì)傾角時(shí)，Ne可取為0.9N。

滾刀總推力Fc：即頂管掘進(jìn)機(jī)迎面阻力，按下式計(jì)算：

式中：P為單把滾刀額定壓力（kN）；其他符號(hào)意義同前。

2）泥水壓力

頂管掘進(jìn)機(jī)通過對(duì)泥水倉(cāng)施加壓力來(lái)平衡不穩(wěn)定巖體產(chǎn)生的圍巖壓力，故泥水壓力可以圍巖壓力計(jì)算。

巖石掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)中，若刀盤直徑為D，則常以0.57D（TBM制造商經(jīng)驗(yàn)值）作為不穩(wěn)定巖體厚度計(jì)算圍巖壓力，按下式計(jì)算：

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

3）頂管掘進(jìn)機(jī)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(hào)意義同前。

4）第一級(jí)中繼間距掌子距離

第一級(jí)中繼間距掌子面距離可根據(jù)《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》（試行，以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）式8-10.16-5計(jì)算，即：

式中：L1為第一級(jí)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(jié)中的Fdc，當(dāng)中繼間油缸總推力小于允許頂推力時(shí)則應(yīng)取中繼間油缸總推力折減后計(jì)算；S為頂管掘進(jìn)機(jī)迎面阻力（N）；R為位于中繼站前方單位長(zhǎng)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(guī)范》有誤，本文此處已修正）。R按如下規(guī)則取值：

巖石頂管掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)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(chǎn)生的阻力，往往需在管節(jié)上開孔，以清除巖渣、巖粉減阻。由此可見，巖石頂管掘進(jìn)機(jī)施工實(shí)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(guī)程》表12.6-14，管壁平均摩阻力取11 kN/m2，以此計(jì)算R值。

1.3 其他中繼間頂力及設(shè)置間距

其他中繼間頂力和設(shè)置間距計(jì)算時(shí)，無(wú)迎面阻力，其他均同第一級(jí)中繼間距離計(jì)算。

1.4 主頂油缸推力及頂進(jìn)距離

巖石頂管掘進(jìn)機(jī)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(jìn)距離同其他中繼間的間距。

2 合理推進(jìn)距離計(jì)算

2.1 中繼間的作用

如上所述，在掘進(jìn)過程中，頂管掘進(jìn)機(jī)不僅要克服刀盤迎面和護(hù)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(jìn)機(jī)的頂進(jìn)距離將非常有限。中繼間就是為了延長(zhǎng)頂進(jìn)距離，在頂進(jìn)過程中逐級(jí)安放于主機(jī)后方相應(yīng)位置的一系列油缸組，每級(jí)油缸組只需克服其前方與上一級(jí)油缸組間洞段管道周邊阻力，通過油缸組的逐級(jí)頂推來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)洞短頂，從而延長(zhǎng)頂管掘進(jìn)機(jī)可頂進(jìn)距離的設(shè)施。

從理論上而言，在無(wú)工期約束的前提下，采用中繼間技術(shù)，可將頂管掘進(jìn)的掘進(jìn)長(zhǎng)度無(wú)限延伸。

2.2 合理頂進(jìn)距離計(jì)算

對(duì)掘進(jìn)機(jī)而言，純掘進(jìn)時(shí)間利用率是衡量其施工效率的一個(gè)有價(jià)值的參考指標(biāo)，其平均先進(jìn)水平為0.4，將純掘進(jìn)時(shí)間利用率40 %時(shí)對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)長(zhǎng)度作為合理掘進(jìn)長(zhǎng)度。

如上所述，理論上而言，在不考慮工期約束時(shí)，采用中繼間技術(shù)，可以將頂管掘進(jìn)機(jī)的頂進(jìn)距離無(wú)限延伸，但任何工程都會(huì)有工期的約束，中繼間數(shù)量越多，主機(jī)后方管道移動(dòng)單位距離所需時(shí)間也越長(zhǎng)，平均掘進(jìn)速度也相應(yīng)降低，在以提高施工進(jìn)度為目的工程中，若掘進(jìn)長(zhǎng)度過大，則采用巖石頂管掘進(jìn)機(jī)施工無(wú)優(yōu)勢(shì)。

頂管掘進(jìn)機(jī)合理頂進(jìn)距離為L(zhǎng)，中繼間間距為l，平均掘進(jìn)速度為v1、中繼間及主頂油缸平均推進(jìn)速度為v2，把主頂油缸當(dāng)作一次中繼間。對(duì)掘進(jìn)機(jī)而言，純掘進(jìn)時(shí)間利用率是衡量其施工效率的一個(gè)有價(jià)值的參考指標(biāo)，其平均先進(jìn)水平為 0.4，即純掘進(jìn)時(shí)間占施工總時(shí)間的40 %。頂管掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程包括頂進(jìn)、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(gè)必備工序，經(jīng)統(tǒng)計(jì)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(shí)間的15 %左右，考慮到正常停機(jī)因素，中繼間收縮時(shí)間不宜超過40 %，否則將只有壓縮純掘進(jìn)時(shí)間，導(dǎo)致掘進(jìn)效率降低。則有下式：

3 工程案例

3.1 項(xiàng)目基本情況

觀景口水利樞紐工程位于重慶市巴南區(qū)東溫泉鎮(zhèn)，是重慶市重點(diǎn)水源工程、國(guó)務(wù)院確定的 172項(xiàng)重大水利工程之一。重慶市觀景口水利樞紐由水庫(kù)工程和輸水工程組成。輸水工程線路總長(zhǎng)21.98 km，工程總工期45個(gè)月。

輸水線路共布置有7座無(wú)壓隧洞、3座有壓隧洞，總長(zhǎng)16.32 km，隧洞內(nèi)徑2.65 m，輸水線路縱坡1/2 000，原設(shè)計(jì)為鉆爆法施工，后變更施工方案，除1#無(wú)壓洞進(jìn)口段采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工外，其他各洞段均采用德國(guó)海瑞克公司AVN2000AH泥水平衡硬巖頂管掘進(jìn)機(jī)施工，為國(guó)內(nèi)外首次大規(guī)模采用巖石頂管掘進(jìn)機(jī)施工的工程。頂管管道內(nèi)徑2 650 mm，外徑3 170 mm，頂管掘進(jìn)機(jī)開挖直徑3 236 mm。

3.2 隧洞工程地質(zhì)條件

1）地形地貌

輸水線路均屬侵蝕—?jiǎng)兾g低山堆積地貌，地形為狹長(zhǎng)條帶狀低山及寬緩谷地相間分布，總的地勢(shì)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(duì)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(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3P）、侏羅系上統(tǒng)遂寧組（J3sn）、侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組（J2s）、侏羅系中統(tǒng)下沙溪廟組（J2xs）、侏羅系中統(tǒng)新田溝組（J2x）、侏羅系中下統(tǒng)自流井組（J1-2z）、侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組（J1z）、三疊系上統(tǒng)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(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組～三疊系上統(tǒng)須家河組，巖性主要為長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石巖屑石英砂巖、石英砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、頁(yè)巖等，為軟～中硬巖。強(qiáng)風(fēng)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(jìn)機(jī)開挖，現(xiàn)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(jìn)機(jī)施工。頂管施工段共設(shè) 18個(gè)工作井，分11段頂進(jìn)施工，其中9個(gè)頂進(jìn)段長(zhǎng)度超過1 km，最大頂進(jìn)距離為1 701 m（已貫通）。3#無(wú)壓洞上游段掘進(jìn)段長(zhǎng)1 522.38 m，最高月進(jìn)尺449 m/月，其各周頂進(jìn)進(jìn)尺見圖1。

圖1 3#無(wú)壓洞上游段周進(jìn)尺

3.4 設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

1）管道允許頂力

本工程頂管采用C50預(yù)制混凝土管，其混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為 21.3 MPa，管道承載厚度按240 mm計(jì)算，代入前述計(jì)算式，得Fdc為18 150 kN，本工程均為直線頂進(jìn)，無(wú)需進(jìn)行調(diào)整。

2）迎面阻力

頂管掘進(jìn)機(jī)裝有15把φ330滾刀，其額定壓力按210 kN計(jì)算，則刀盤迎面阻力為2 835 kN、泥水壓力為356 kN。

3）第一級(jí)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(yīng)以此作為最大推力計(jì)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(jì)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(jì)算得l1=105.14 m。本項(xiàng)目在實(shí)施過程中，根據(jù)實(shí)際情況，將原設(shè)計(jì)中繼間間距150 m調(diào)整為100 m。

5）合理頂進(jìn)距離

為了使掘進(jìn)速度更有代表性，以3-1#無(wú)壓洞（掘進(jìn)長(zhǎng)度 1 701 m）計(jì)算掘進(jìn)速度，掘進(jìn)總時(shí)間為170 165 min，平均掘進(jìn)速度為1 cm/min；本工程中繼間實(shí)際平均收縮速度為6.5 cm/min，剛按上述合理頂進(jìn)距離公式計(jì)算得L=1 367 m。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過與觀景口水利樞紐工程硬巖頂管掘進(jìn)機(jī)主要施工參數(shù)的對(duì)比分析，本文前述設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算公式與實(shí)際應(yīng)用較為吻合。計(jì)算所得第一級(jí)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(shí)際采用值分別為60 m和100 m；巖石頂管掘進(jìn)機(jī)合理頂進(jìn)距離可通過理論計(jì)算確定，其值與平均掘進(jìn)速度和中繼間收縮速度有關(guān)，超過這一值即不合理。圖1顯示頂管掘進(jìn)機(jī)施工中，當(dāng)頂進(jìn)距離較短時(shí)，平均進(jìn)尺較高，頂進(jìn)距離越長(zhǎng)，平均進(jìn)尺越低，這一情形與前述判斷吻合。計(jì)算所得合理頂進(jìn)距離為 1 367 m，1-2#號(hào)、2#、3-1#、3-2#、4#、6#無(wú)壓洞掘進(jìn)長(zhǎng)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(gè)工作面平均掘進(jìn)長(zhǎng)度為1 340 m，與計(jì)算值基本吻合。由此可見，本文所列計(jì)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(jìn)機(jī)施工合理頂進(jìn)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。