孫 慶，馮文強(qiáng)，王志云，朱曉冬，李永峰，楊圣虎

(1. 中建三局工程技術(shù)研究院，湖北 武漢 430000； 2. 武漢大學(xué)，湖北 武漢 430000； 3. 中建三局安裝工程有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

近年來，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，對(duì)城市地下空間建設(shè)的需求和要求在不斷提高。為保證城市地面交通順暢，在盡量減少開挖的背景下，傳統(tǒng)地下管道和人行通道施工技術(shù)逐漸無法滿足工程建設(shè)的需求，取而代之的是非開挖技術(shù)，其中就包括頂管技術(shù)。目前長(zhǎng)距離深埋頂管隧道施工技術(shù)在國(guó)內(nèi)運(yùn)用較少，在國(guó)外歐洲、日本、新加坡等城市有少量運(yùn)用。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于掘進(jìn)機(jī)刀盤的選型研究主要集中在盾構(gòu)刀盤選型方面，而關(guān)于頂管機(jī)刀盤選型的研究相對(duì)較少，并且大多數(shù)都是結(jié)合具體的工程項(xiàng)目和地層條件進(jìn)行的應(yīng)用性研究。如李建斌等[1]認(rèn)為進(jìn)行刀盤設(shè)計(jì)時(shí)，分別考慮刀盤的結(jié)構(gòu)形式、刀盤開口率、刀具的布置等因素對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性，對(duì)確保開挖面穩(wěn)定、提高掘進(jìn)速度具有重要參考價(jià)值； 陳曉武等[2]結(jié)合刀盤、刀具的工作原理,分析確定了泥水平衡式頂管施工工藝中頂管機(jī)的刀盤形式、刀具布置方式,并將其應(yīng)用于石井河截污工程。

在頂進(jìn)力計(jì)算方面： 馮凌溪等[3]對(duì)頂進(jìn)力計(jì)算公式進(jìn)行分類和對(duì)比，并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)各公式的適用范圍進(jìn)行探討，得出了未考慮土拱效應(yīng)的公式計(jì)算結(jié)果大于考慮土拱效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果的結(jié)論； 王雙等[4]認(rèn)為泥漿套的不同形態(tài)對(duì)注漿減阻的效果有較大影響，并根據(jù)不同的泥漿套形態(tài)，提出不同的摩阻力計(jì)算公式。

在頂管注漿減阻方面： 丁文其等[5]認(rèn)為泥漿套在注入、泥膜形成以及整體發(fā)揮作用的過程中具備填充、支承、隔阻、潤(rùn)滑等作用； 喻軍等[6]通過室內(nèi)微觀分析了泥漿套的結(jié)構(gòu)，認(rèn)為頂進(jìn)期間擾動(dòng)會(huì)降低膨潤(rùn)土泥漿的剪切力，即解釋了頂管泥漿的觸變性。

在長(zhǎng)距離曲線頂管導(dǎo)向測(cè)控及姿態(tài)控制技術(shù)方面： 董建[7]認(rèn)為現(xiàn)有的頂管導(dǎo)向測(cè)量大多是基于傳統(tǒng)的人工導(dǎo)線測(cè)量技術(shù)，且整個(gè)管道是動(dòng)態(tài)的，管內(nèi)無固定點(diǎn)，每次導(dǎo)向測(cè)量都要從工作井起始點(diǎn)開始，形成測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，總的導(dǎo)向測(cè)量次數(shù)少，這些因素大大影響了工程的施工進(jìn)度和貫通精度。

長(zhǎng)距離深埋頂管隧道施工技術(shù)在國(guó)內(nèi)運(yùn)用較少，且以上學(xué)者的研究均是基于常規(guī)的頂管隧道施工項(xiàng)目或盾構(gòu)項(xiàng)目，而對(duì)于超深長(zhǎng)距離曲線雙管巖石頂管施工中的頂管機(jī)設(shè)計(jì)選型、注漿減阻、泥漿系統(tǒng)、長(zhǎng)距離曲線頂管導(dǎo)向等頂管施工關(guān)鍵技術(shù)的研究較少。

本文針對(duì)頂管施工中頂進(jìn)距離長(zhǎng)、曲線半徑小、雙管凈間距小、地質(zhì)復(fù)雜等施工難點(diǎn)，從泥水平衡式頂管機(jī)研發(fā)、超深長(zhǎng)距離曲線雙管巖石頂管施工2個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行針對(duì)性研究，并在施工過程中進(jìn)行應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

大東湖核心區(qū)污水傳輸支隧工程主要是收集落步咀預(yù)處理站的來水后傳輸至主隧，本工程起于落步咀預(yù)處理站止于主隧4#匯流井，總長(zhǎng)約1.7 km。隧道為并排雙管，每根管內(nèi)徑為1 650 mm。工程收集落步咀預(yù)處理站來水后向南下穿團(tuán)結(jié)大道，在三環(huán)線青化立交處接入主隧4#匯流井。支隧隧道采用頂管法施工，10#、11#施工豎井采用明挖法施工。

頂管隧道單線全長(zhǎng)3 380.56 m，單頂頂進(jìn)長(zhǎng)度分別為763.39 m和927.46 m，共計(jì)4段。采用內(nèi)徑為1 650 mm，壁厚為200 mm的F型鋼筒混凝土管。管節(jié)長(zhǎng)度為2.5 m，雙管平行布置，凈間距為2.5 m。平面為曲線，曲率半徑為600 m和10 800 m，縱斷面坡度為0.5‰。

1.2 地質(zhì)條件

1.2.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察結(jié)果，擬建隧道場(chǎng)址區(qū)無崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)作用，特殊性巖土主要為人工填土、軟土、混合土、膨脹土、風(fēng)化巖及擠壓破碎帶。

本工程管道埋深為20.62～33.28 m，全斷面穿越中風(fēng)化含礫砂巖、泥巖，夾強(qiáng)風(fēng)化和破碎巖層組成的復(fù)合地層。11#施工豎井至主隧4#匯流井地質(zhì)斷面如圖1所示。

圖1 地質(zhì)斷面圖

1.2.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察結(jié)果，場(chǎng)地下伏白堊—下第三系基巖節(jié)理、裂隙不發(fā)育，志留系基巖節(jié)理、裂隙較發(fā)育—發(fā)育，但多呈閉合狀，為泥質(zhì)充填或泥質(zhì)膠結(jié)。由于節(jié)理、裂隙的存在，致使裂隙水的分布具有一定的不均勻性，裂隙水多沿裂(縫)隙、節(jié)理面呈點(diǎn)狀、線狀滲出，水量一般較小，對(duì)擬建工程基坑及隧道施工影響小。

2 鋼筒鋼筋混凝土頂管管節(jié)介紹

本頂管工程為污水隧道，后期運(yùn)營(yíng)時(shí)需要承受較高的內(nèi)水壓，且由于單次頂進(jìn)距離長(zhǎng)，穿越地層地質(zhì)條件復(fù)雜等原因，設(shè)計(jì)的管節(jié)需要具有較高的強(qiáng)度和良好的防滲性能。頂管頂進(jìn)曲線最小曲率半徑僅為600 m，管節(jié)偏轉(zhuǎn)角較大，因此管節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮管節(jié)接頭處的不均勻受力以及密封防水性能。

1)選用預(yù)制的C50高強(qiáng)度鋼筒鋼筋混凝土管作為頂進(jìn)管節(jié)，管節(jié)斷面可承載最大頂力為8 500 kN，外力破壞性試驗(yàn)承壓2 300 kN。施工過程中通過采取減阻及增設(shè)中繼間的措施，管節(jié)的最大承受頂力約為3 000 kN，該設(shè)計(jì)管節(jié)滿足施工頂力要求。

2)選用的高強(qiáng)度抗?jié)B預(yù)制鋼筒混凝土管節(jié)，內(nèi)置3 mm厚鋼板制成的鋼筒，抗?jié)B等級(jí)為P12，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，滿足深覆土富含水復(fù)合地層頂管施工的抗?jié)B要求。

3)管節(jié)接縫處采用雙道止水膠圈，外圍10 mm厚鋼套環(huán)，鋼套環(huán)加長(zhǎng)以增強(qiáng)管節(jié)接縫處強(qiáng)度，管節(jié)間灌注聚氨酯密封膠嵌縫，管節(jié)拼接面采用膠合板，在小半徑曲線段，采用雙層膠合板(厚12 mm)，防止曲線頂進(jìn)時(shí)張角過大而產(chǎn)生漏水漏漿現(xiàn)象。每節(jié)管接頭分別按120°布置3個(gè)DN25 mm減阻注漿孔和DN12.5 mm接頭封堵注環(huán)氧樹脂孔。管節(jié)接頭防水示意如圖2所示。

圖2 管節(jié)接頭防水示意圖

3 長(zhǎng)距離大埋深曲線施工的泥水平衡式頂管機(jī)的研發(fā)及應(yīng)用

3.1 頂管機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

該項(xiàng)目頂管機(jī)依托大東湖深隧工程支線頂管掘進(jìn)距離長(zhǎng)、埋深大、直徑小、地層條件復(fù)雜等特點(diǎn)研制而成。頂管機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 頂管機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3.2 長(zhǎng)距離大埋深曲線施工的泥水平衡式頂管機(jī)技術(shù)

泥水平衡式頂管機(jī)的地質(zhì)適應(yīng)廣泛，地表沉降少；施工總推力小，適宜于長(zhǎng)距離頂管施工；泥水出土量連續(xù)，掘進(jìn)速度快，安全性高；隧道區(qū)間以巖層為主。根據(jù)以上工況進(jìn)行泥水平衡式頂管機(jī)的針對(duì)性研發(fā)。

1)刀盤采用混合型結(jié)構(gòu)，刀盤上布置有重型單刃和雙刃盤型滾刀,以及鑲嵌優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)合金刀頭的單向主切割刀、邊緣刮刀，具有較高的強(qiáng)度、剛度、耐磨性和使用壽命。頂管機(jī)刀盤布置如圖3所示。

圖3 頂管機(jī)刀盤布置圖

2)刀盤驅(qū)動(dòng)采用大功率變頻器進(jìn)行調(diào)速控制，一是機(jī)器長(zhǎng)距離頂進(jìn)時(shí)，可有效提高刀盤的啟動(dòng)性能，提高整機(jī)的可靠性；二是根據(jù)土質(zhì)情況的變化，不僅可以實(shí)現(xiàn)刀盤恒轉(zhuǎn)矩輸出，還可以調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速，適應(yīng)穿越巖石與強(qiáng)風(fēng)化類軟土地層的變化和要求以及洞口加固區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)條件，并有利于實(shí)現(xiàn)地面沉降控制。

3)刀盤采用周邊支撐式結(jié)構(gòu)，中心的通道空間比較方便人員進(jìn)入，在長(zhǎng)距離施工工程中便于更換磨損的滾刀。

4)頂管機(jī)設(shè)計(jì)二次破碎功能及高壓噴水孔，可以將巖石、卵石、礫石等有效破碎成20～30 mm的顆粒，以利于排渣泵及時(shí)排出。遇到含泥量較大地層時(shí)可及時(shí)將刀盤割下的黏土分離和破碎，順利通過排渣泵排出，有效提高頂管機(jī)在黏土地質(zhì)條件下的適應(yīng)性能。頂管機(jī)前盾布置如圖4所示。

圖4 頂管機(jī)前盾布置圖

5)頂管機(jī)配置有二級(jí)主動(dòng)糾偏系統(tǒng)和防翻滾系統(tǒng)，可以有效控制頂管機(jī)的頂進(jìn)姿態(tài)，同時(shí)底部設(shè)計(jì)了2個(gè)高壓水沖洗管道，可處理長(zhǎng)距離巖層施工中的底部巖屑堆積問題。頂管機(jī)殼體布置如圖5所示。

圖5 頂管機(jī)殼體布置圖

6)采用遙控操作方式在地面進(jìn)行系統(tǒng)控制，電控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)?？商岣邫C(jī)器的操作性能以及長(zhǎng)距離施工的適應(yīng)性，同時(shí)提高項(xiàng)目管理層的遠(yuǎn)距離監(jiān)控和管理作用。并開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控手機(jī)APP，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控頂管機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。開發(fā)遠(yuǎn)程調(diào)試系統(tǒng)，技術(shù)人員可進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)可在第一時(shí)間解決。

4 超深長(zhǎng)距離曲線雙管巖石頂管施工技術(shù)研究

4.1 復(fù)合地層長(zhǎng)距離曲線頂管施工注漿減阻技術(shù)

4.1.1 注漿形式

4.1.1.1 常規(guī)泥漿

配置優(yōu)質(zhì)泥漿一般通過濾失量、黏度、觸變性等參數(shù)的大小，確定泥漿的最優(yōu)配方，并根據(jù)工況調(diào)整注漿量。注漿量將導(dǎo)致管段-泥漿-土體的相互作用狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而改變泥漿套的形態(tài)[8]。

當(dāng)注漿量增加，管節(jié)重力與漿套產(chǎn)生的浮力相等時(shí)，頂管可能完全處于懸浮狀態(tài)，此時(shí)管土之間的接觸狀態(tài)完全轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮獭骸獭睜顟B(tài)，此時(shí)管壁所受摩阻力大幅度減小，注漿減摩措施達(dá)到最佳效果[9]。

4.1.1.2 膏漿技術(shù)

膏狀漿液是指抗剪屈服強(qiáng)度大于20 Pa，塑性黏度較大的混合漿液，其基本特征是抗剪切屈服強(qiáng)度值大于其重力，其狀態(tài)類似牙膏。具有遇水不分散、抗水流沖釋能力強(qiáng)、流動(dòng)性小等特性，在透水砂卵礫石層灌漿堵漏防滲效果好。

本項(xiàng)目地層較為復(fù)雜，多為中風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，部分地層含泥量、含砂量較大，頂進(jìn)距離長(zhǎng)。因管道直徑較小注漿不便，對(duì)注漿帶來多種不利因素，在機(jī)頭前部同步注入膏漿有助于解決上述不利因素。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，膏漿技術(shù)在保水性、耐久性、支護(hù)性、成套性能方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的注漿工藝。雖然單次注漿成本高，但是注漿頻率遠(yuǎn)小于常規(guī)的注漿工藝，總體成本相差不大。啟動(dòng)頂力、摩阻力均比較小，且相對(duì)穩(wěn)定。常規(guī)漿液/膏漿對(duì)比分析如表2所示。

表2 常規(guī)漿液/膏漿對(duì)比分析表

在JB06～JB05頂進(jìn)過程中，注入常規(guī)觸變泥漿，正常頂進(jìn)時(shí)啟動(dòng)頂力和頂進(jìn)頂力最大分別為19 000 kN和16 000 kN，頂力浮動(dòng)較大。在JB06～JB07頂進(jìn)過程中，通過更改注漿措施，正常頂進(jìn)時(shí)啟動(dòng)和頂進(jìn)最大摩阻力分別為1.1 kN/m2和0.9 kN/m2。頂進(jìn)過程中比較穩(wěn)定。膏漿及常規(guī)注漿摩阻力對(duì)比如圖6所示。

圖6 膏漿及常規(guī)注漿摩阻力對(duì)比圖

4.1.2 注漿工藝參數(shù)選擇

4.1.2.1 注漿量

注漿量是保證觸變泥漿套完好性的重要指標(biāo)之一[10]。本項(xiàng)目機(jī)頭設(shè)計(jì)刀盤外徑為2 120 mm，鋼管外徑為2 050 mm，單邊空隙為35 mm，管節(jié)長(zhǎng)度為2.5 m。

理論注漿量=理論地層空隙×5，理論注漿量≈2.86 m3。

本案例頂管主要位于強(qiáng)風(fēng)化—中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，漿液實(shí)際壓注量一般為理論注漿量的1.5～3倍，因此每頂進(jìn)1節(jié)壓漿量為4.3～8.6 m3。

4.1.2.2 注漿壓力的控制

合適的注漿壓力應(yīng)使觸變泥漿能順利地注入管節(jié)外壁，又不嚴(yán)重?cái)_動(dòng)地層。注漿壓力根據(jù)管道深度H和土的天然重度γ而定，經(jīng)驗(yàn)為(2～3)γH。本工程為雙管頂進(jìn)，過大的注漿壓力將導(dǎo)致雙線竄漿，影響注漿效果[11]。

本工程注漿壓力為0.2～0.3 MPa，并在注漿管沿線布置壓力表，嚴(yán)密監(jiān)視注漿壓力，保持注漿壓力穩(wěn)定，避免出現(xiàn)過大或過小情況。當(dāng)出現(xiàn)竄漿現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)雙線同時(shí)注漿，以保證注漿效果。

4.1.3 分段注漿

該頂管工程單次頂進(jìn)距離長(zhǎng)，穿越地層地質(zhì)條件復(fù)雜。針對(duì)觸變泥漿減摩技術(shù)存在的不足，采用高壓膏漿減阻配合常規(guī)觸變泥漿分段注漿對(duì)頂管進(jìn)行減阻，即在機(jī)尾管及前100 m同步注入膏漿，其余后部管節(jié)注入常規(guī)觸變泥漿漿液補(bǔ)漿。在實(shí)際工程中，成功補(bǔ)充了原有技術(shù)的不足，取得了良好的應(yīng)用效果。

同步注漿時(shí)在注漿孔后部焊接止?jié){條，注漿孔外側(cè)焊接導(dǎo)漿槽，使膏漿均勻向后部注入，并防止?jié){液向前進(jìn)入土艙。同步注漿導(dǎo)流槽如圖7所示。

圖7 同步注漿導(dǎo)流槽

現(xiàn)場(chǎng)采用的優(yōu)質(zhì)觸變泥漿配比如表3所示，高濃度泥漿配比如表4所示。

表3 現(xiàn)場(chǎng)采用的優(yōu)質(zhì)觸變泥漿配比表

表4 現(xiàn)場(chǎng)采用的高濃度泥漿配比表

4.1.4 頂力及減阻效果分析

頂管機(jī)總推力

F=F1+F2。

式中：F1為頂進(jìn)阻力；F2為迎面阻力。

頂進(jìn)阻力

F1=πDlfk。

式中：D為管道外徑，2.05 m；l為管道長(zhǎng)度，750 m；fk為管外壁與土單位面積平均摩阻力，3～5 kN/m2，計(jì)算時(shí)取5 kN/m2。

迎面阻力

式中：Dg為頂管機(jī)外徑，2.05 m；γg為土的重度,18.45 kN/m3；Hg為覆土層厚度,30 m[12]。

總推力F=F1+F2=24 139 kN+2 610 kN =26 749 kN。

中繼間是長(zhǎng)距離和超長(zhǎng)距離頂管施工的關(guān)鍵設(shè)置，它是分段克服摩阻力的一種施工技術(shù)，通過將管道分成數(shù)段，分段向前推頂，使主千斤頂?shù)捻斄Ψ稚?，總頂力等于各分頂力之和，并使每段管道的頂力降低到允許頂力范圍內(nèi)。

本項(xiàng)目第1個(gè)中繼間放置在機(jī)頭后50 m，后每150～200 m布置1個(gè)。中繼間可提供8 000 kN頂力，由16支油缸提供推力，油缸行程為300 mm。

根據(jù)計(jì)算可知，中繼間布置方式及中繼間頂力滿足使用要求。

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)測(cè)頂力，采取了高壓膏漿減阻配合常規(guī)觸變泥漿分段注漿對(duì)頂管進(jìn)行減阻，實(shí)際頂力僅為理論頂力的60%左右。在750 m的頂進(jìn)區(qū)間內(nèi)，在機(jī)頭后50 m處啟用1個(gè)中繼間。頂進(jìn)長(zhǎng)度與頂力關(guān)系如圖8所示。

圖8 頂進(jìn)長(zhǎng)度與頂力關(guān)系圖

4.2 長(zhǎng)距離曲線頂管頂進(jìn)測(cè)控及姿態(tài)控制技術(shù)

4.2.1 主要控制措施

1)自動(dòng)導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)。本工程采用全自動(dòng)、高精度自動(dòng)導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)。由軟件實(shí)現(xiàn)依次驅(qū)動(dòng)3～8臺(tái)全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理。在工作井安置全站儀且設(shè)站定向。從井口依次向頂管機(jī)位置測(cè)量支導(dǎo)線，在靠近頂管機(jī)位置的點(diǎn)測(cè)量頂管機(jī)，計(jì)算頂管機(jī)位置偏差。

通過數(shù)據(jù)計(jì)算處理獲得頂管前端中心上測(cè)點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，并與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)比較得出上、下、左、右的偏差，軟件界面顯示頂管前端中心測(cè)點(diǎn)的三維偏差以及頂進(jìn)過程中的偏差變化軌跡。自動(dòng)測(cè)量傳輸系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 自動(dòng)測(cè)量傳輸系統(tǒng)

2)人工復(fù)測(cè)。為了保證姿態(tài)控制精度，采用自動(dòng)導(dǎo)向控制系統(tǒng)結(jié)合人工復(fù)測(cè)程序，每50 m進(jìn)行一次人工復(fù)測(cè)，采集的數(shù)據(jù)與導(dǎo)向控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核，及時(shí)糾正系統(tǒng)誤差，防止偏差累積。

3)糾偏系統(tǒng)。根據(jù)自動(dòng)導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)及人工復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)頂進(jìn)姿態(tài)與管道軸線推進(jìn)位置、方向存在偏差，利用頂進(jìn)糾偏系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行糾偏。糾偏系統(tǒng)主要由糾偏千斤頂、油泵站、位移傳感器和傾斜儀等設(shè)備組成[13]。本項(xiàng)目采用2級(jí)糾偏系統(tǒng)，能夠很好地適應(yīng)小轉(zhuǎn)彎半徑工況。

4.2.2 直線變曲線頂進(jìn)姿態(tài)與測(cè)控技術(shù)

1)曲線段的管節(jié)拼接面采用雙層膠合板(厚12 mm)，防止曲線頂進(jìn)時(shí)張角過大而產(chǎn)生漏水、漏漿現(xiàn)象。

2)在滾刀超挖范圍內(nèi)(單邊35 mm)采用糾偏油缸進(jìn)行曲線的調(diào)整，放慢頂進(jìn)速度，勻速緩和地通過曲線段。

3)增加人工測(cè)量的頻率，及時(shí)糾正糾偏數(shù)據(jù)。

4.3 長(zhǎng)距離超深曲線進(jìn)排漿系統(tǒng)技術(shù)

4.3.1 進(jìn)/排漿泵選用

本項(xiàng)目頂管管道直徑較小，隧道內(nèi)無法放置大功率中繼排漿泵，在機(jī)頭后部及隧道中部放置2臺(tái)30 kW離心式中繼排漿泵，在井下放置75 kW離心式排漿泵。進(jìn)水泵采用1臺(tái) 45 kW離心式渣漿泵。泥漿泵參數(shù)如表5所示。

表5 泥漿泵參數(shù)表

進(jìn)/排漿管采用DN125 mm鍍鋅管，單根泥水管的長(zhǎng)度應(yīng)不小于 2 m ，否則接頭會(huì)增多，但也不要長(zhǎng)于3 m[14]，本項(xiàng)目單根泥水管長(zhǎng)度為3 m。

排漿泵總揚(yáng)程為102 m，排漿泵總功率為135 kW。

井下75 kW排漿泵以及45 kW進(jìn)水泵采用變頻控制，可以隨意調(diào)節(jié)進(jìn)/排漿速度?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)進(jìn)水泵、排漿泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)排泥艙壓力，進(jìn)行挖掘面上的泥水管理。排漿泵變頻器可設(shè)置較長(zhǎng)的加速、減速時(shí)間，使排漿流量平緩變化，降低水錘效應(yīng)。泥漿循環(huán)系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 泥漿循環(huán)系統(tǒng)

本項(xiàng)目頂進(jìn)過程中，可通過調(diào)節(jié)進(jìn)/排漿泵轉(zhuǎn)速，較為便利且精確地調(diào)節(jié)排泥艙壓力，渣土可順利排出，未出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。

4.3.2 泥水作業(yè)管理

在掘進(jìn)時(shí)進(jìn)行嚴(yán)格的泥水作業(yè)管理，針對(duì)不同的地層選用不同的進(jìn)漿比重。在含砂量較大、含泥量較少、巖土較硬的地層時(shí)可采用濃度較大的進(jìn)水；當(dāng)遇到含砂量較大的地層時(shí)可減少進(jìn)漿比重；在遇到擠壓破碎帶或挖掘面自穩(wěn)性較差的地層時(shí)，可根據(jù)排泥艙保壓壓力調(diào)節(jié)進(jìn)水泵、井下排泥泵轉(zhuǎn)速，使排泥艙保持一定壓力，保持掌子面穩(wěn)定[15]。本項(xiàng)目頂管線路中會(huì)遇到擠壓破碎帶，該類巖體透水性相對(duì)較好，浸水后易軟化、崩解，施工中掌子面易發(fā)生坍塌，需要在挖掘面上進(jìn)行嚴(yán)格的泥水管理。

進(jìn)漿比重及排泥艙壓力根據(jù)進(jìn)漿比重及排泥艙壓力表(見表6)進(jìn)行調(diào)整。

表6 進(jìn)漿比重及排泥艙壓力表

本項(xiàng)目采用嚴(yán)格的泥水管理，在復(fù)雜的地層中，克服較硬巖石、含泥量大、擠壓破碎帶等多種困難，使項(xiàng)目順利實(shí)施。

5 結(jié)論與討論

1)為該項(xiàng)目研制的泥水平衡式頂管機(jī)及智能化控制系統(tǒng)滿足長(zhǎng)距離曲線頂管施工，并使設(shè)備操作及項(xiàng)目管理更為便捷。

2)采取高壓膏漿減阻配合常規(guī)觸變泥漿分段注漿對(duì)頂管進(jìn)行減阻，實(shí)際頂力僅為理論頂力的60%左右。在750 m的頂進(jìn)區(qū)間內(nèi)，在機(jī)頭后50 m處啟用1個(gè)中繼間。

3)采用全自動(dòng)、高精度自動(dòng)導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頂管機(jī)姿態(tài)，進(jìn)行連續(xù)小角度、小范圍地糾偏，并在直線變曲線段，采取一系列針對(duì)性的措施，使頂管機(jī)能夠按照設(shè)定的設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行長(zhǎng)距離及曲線掘進(jìn)。

4)采用高效的泥水循環(huán)系統(tǒng)，并根據(jù)地層及時(shí)調(diào)整進(jìn)漿比重，密切關(guān)注排泥艙壓力、出渣量等，克服復(fù)雜地層、小凈距雙管帶來的困難，使項(xiàng)目順利實(shí)施。

本項(xiàng)目地層中水量一般較小，對(duì)擬建工程基坑及隧道施工影響小，頂管機(jī)始發(fā)、接收均為常規(guī)方式，對(duì)深埋地層、高水頭情況下承壓水的影響還需要進(jìn)一步研究。