劉 正 中交一公局華南工程有限公司

1 前言

我國(guó)在長(zhǎng)距離巖石地層污水導(dǎo)排系統(tǒng)施工方面，通常采用頂管技術(shù)，而且獲得了顯著的成效，但是因?yàn)殚L(zhǎng)距離巖石頂管施工結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，對(duì)技術(shù)有著較高的要求，所以必須全面掌握巖石頂管機(jī)設(shè)備、刀盤(pán)和刀具的選擇，并完善潤(rùn)滑減阻技術(shù)、長(zhǎng)距離導(dǎo)向和糾偏施工技術(shù)，從而提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

頂管技術(shù)主要指使用各種設(shè)施設(shè)備的頂力，來(lái)緩解附近土壤中的摩擦力，將管道按照規(guī)定的坡度頂?shù)酵寥览锩?，并完成土方的轉(zhuǎn)運(yùn)，反復(fù)操作就可以達(dá)到持續(xù)施工的目的，需要結(jié)合具體工程的地勢(shì)地貌、地質(zhì)條件、附近環(huán)境和施工情況等因素來(lái)選擇合理的頂管施工技術(shù)[1]。對(duì)于長(zhǎng)距離的管道，應(yīng)選擇封閉式的頂管，通過(guò)有多次破碎功能的巖盤(pán)泥水頂管機(jī)對(duì)前方的巖體進(jìn)行切削，而后方應(yīng)使用油缸筒或者氣壓倉(cāng)等輔助完成。

2 巖石頂管機(jī)設(shè)備的選擇

頂管機(jī)主要包括土壓平衡式和泥水平衡式兩種，前者應(yīng)用在地層條件比較好、地下水含量較少的區(qū)域，不適用于小斷面、長(zhǎng)距離、運(yùn)輸條件較差的隧洞；后者的應(yīng)用范圍非常廣泛，能夠?qū)⒕蜻M(jìn)泥渣轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗨⑴懦龆赐?，以便在洞外展開(kāi)泥漿制備和處理。設(shè)備合理選型與進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)是長(zhǎng)距離巖石頂管施工成敗的關(guān)鍵。巖石頂管機(jī)設(shè)備的選擇對(duì)于長(zhǎng)距離巖石頂管的施工質(zhì)量發(fā)揮著決定性的作用，具體應(yīng)滿足以下要求：第一，頂管設(shè)備必須要具備一次性頂進(jìn)2km的能力，而且整個(gè)設(shè)備的性能必須穩(wěn)定可靠，并保證其成洞質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求；第二，切削最大飽和抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到90MPa；第三，泥漿性能必須符合長(zhǎng)距離頂進(jìn)的施工標(biāo)準(zhǔn)；第四，設(shè)備的可操控性必須靈活、精度要高；第五，頂管機(jī)必須攜帶快速回退功能，以便在施工過(guò)程中出現(xiàn)無(wú)法吊出工作井的現(xiàn)象時(shí)，能夠快速拆卸、回退和后續(xù)的組裝，如果地質(zhì)條件非常惡劣，該功能還能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)施工過(guò)程中出現(xiàn)的緊急情況；第六，頂管機(jī)還要有一定的變徑功能。

3 刀盤(pán)和刀具的選擇

施工過(guò)程中所用的刀盤(pán)和刀具，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和巖層硬度進(jìn)行選擇，如果巖盤(pán)泥水頂管機(jī)是大口徑、全斷面的，通常使用面板式的刀盤(pán)，在刀盤(pán)上往往會(huì)配備刀具刀座、碴石出口、添加劑注入口和連接在主軸承的小零件[2]。刮刀或者刮碴板通常處于面板的碴石出口兩邊，并且滾刀布置面板也就是刀座。滾刀是為了破碎巖體，通過(guò)刀具在快速滾動(dòng)過(guò)程中形成的沖擊力和碾壓力來(lái)破碎巖石。滾刀只能滾動(dòng)，無(wú)法進(jìn)行其他處理，而且在安裝方面必須重視其周邊滾刀的角度，才能維持滾刀的固定切削直徑狀態(tài)，并增加滾刀的使用期限。在配置方面，應(yīng)盡可能多的增加滾刀，同時(shí)每個(gè)滾刀中的間距必須合理，以免由于間距過(guò)大而出現(xiàn)“巖脊”的情況以及由于間距過(guò)小而出現(xiàn)的碎石，進(jìn)而影響破巖效果。具體來(lái)說(shuō)，正刀的刀間距應(yīng)控制在50mm～120mm，軟巖層應(yīng)選擇最大值，硬巖層應(yīng)選擇最小值；石灰?guī)r地層的刀間距應(yīng)控制在80mm；花崗巖地層應(yīng)控制在50mm；整體布置時(shí)最好控制在70mm；在刀盤(pán)的中心處應(yīng)添加多刃組合的滾刀。

4 潤(rùn)滑減阻技術(shù)

4.1 巖石地層頂管施工潤(rùn)滑減阻存在的問(wèn)題

在常規(guī)頂管施工過(guò)程中，管節(jié)外壁摩阻力較強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正面阻力，摩阻力會(huì)隨著頂進(jìn)長(zhǎng)度的不斷增加而逐漸增大，在對(duì)其注入適量觸變泥漿后，變固體間的滑動(dòng)摩擦為固液間的滑動(dòng)摩擦，通過(guò)此種方式，能夠有效地降低阻力?；诖耍陧斶M(jìn)施工過(guò)程中，通過(guò)采用適量的觸變泥漿，能夠促使頂進(jìn)阻力在此作用下逐漸減小，降低安全事故的發(fā)生概率，并且作為降低阻力的重要手段。

觸變泥漿注入管節(jié)壁，通常情況下最常采用兩種方式：其一，與頂管機(jī)尾部同步進(jìn)行注漿并加注；其二，通過(guò)采用管節(jié)上多點(diǎn)對(duì)稱預(yù)留孔向管節(jié)璧均勻注入，使之填充于管節(jié)外壁和周?chē)馏w間的空隙，形成泥漿套，減小管壁與土體間的摩阻力。通常在剛注入觸變泥漿的情況下，其會(huì)形成膠裝液體，流動(dòng)性與潤(rùn)滑性相對(duì)較為良好；當(dāng)經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間靜置后，泥漿會(huì)逐漸形成膠凝狀，對(duì)土體具有較強(qiáng)的支撐作用；繼續(xù)頂進(jìn)時(shí)泥漿被觸動(dòng)，在其相關(guān)特性充分發(fā)揮作用的情況下，從而形成膠裝液體。在具體頂管施工的過(guò)程中，觸變泥漿呈液態(tài)一凝膠狀一液態(tài)交替循環(huán)變化，直到頂進(jìn)貫通。通過(guò)觸變泥漿減阻和泥漿套的理論能夠在土層頂進(jìn)中得到良好的驗(yàn)證，在巖石地層中尚無(wú)應(yīng)用實(shí)例。

根據(jù)相關(guān)項(xiàng)目長(zhǎng)距離巖石頂管施工實(shí)踐效果，對(duì)以下所存在的差異性進(jìn)行分析。巖石具備較強(qiáng)的自穩(wěn)能力，由于隧洞和管節(jié)外幣之間存在了一定的間隙始終存在，長(zhǎng)此以往成為前后連通的通道，在地下水等其他流動(dòng)性影響下，不能成為泥漿套，在大量膨潤(rùn)土流入刀盤(pán)后，循環(huán)泥漿會(huì)將其帶走。在頂進(jìn)過(guò)程中，由于掌子面破巖，從而使形成的石渣會(huì)通過(guò)超挖間隙向后流動(dòng)進(jìn)入管節(jié)外壁與洞壁間隙，使管節(jié)上浮，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使管節(jié)與拱頂巖面直接接觸。當(dāng)膨潤(rùn)土與石渣不斷長(zhǎng)期混合后，底部石渣與觸變泥漿的混合物由于長(zhǎng)期受到管道重量擠壓、水分流失后會(huì)從而形成泥餅，導(dǎo)致摩阻力不斷快速增強(qiáng)。圍巖破碎的洞段，觸變泥漿會(huì)滲入到巖石裂隙，在其潤(rùn)滑性的作用下，加大圍巖失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。富水段和裂隙發(fā)育地層中，觸變泥漿漏失嚴(yán)重，不能更好地提供潤(rùn)滑作用。

4.2 應(yīng)對(duì)措施

4.2.1 確定觸變泥漿配比

觸變泥漿的成分主要有膨潤(rùn)土、粉末化學(xué)漿糊、純堿和水，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件進(jìn)行針對(duì)性配比，根據(jù)相關(guān)研究表明，觸變泥漿配比為膨潤(rùn)土∶水∶純堿∶粉末化學(xué)漿糊＝1∶6∶0.035∶0.015，這樣的漿液具有良好、穩(wěn)定的觸變性能，而且稠度合理。在實(shí)際的施工過(guò)程中，還應(yīng)根據(jù)頂管機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)和巖層狀態(tài)對(duì)觸變泥漿的配比進(jìn)行調(diào)整。

4.2.2 控制出渣泥水壓力和觸變泥漿壓力

在完整巖層中進(jìn)行頂進(jìn)時(shí)，必須在維持正常循環(huán)的基礎(chǔ)上，最大限度地降低出渣系統(tǒng)掌子面的泥水壓力，選擇常壓模式，泥水倉(cāng)水位應(yīng)控制在大約半倉(cāng)，以免開(kāi)挖石渣回流到管壁和洞壁之間的縫隙中，同時(shí)，還應(yīng)合理調(diào)整觸變泥漿的注入壓力，以免進(jìn)入刀盤(pán)而造成流失。

4.2.3 監(jiān)控摩阻力指導(dǎo)頂進(jìn)施工

通過(guò)對(duì)主頂和中繼間頂力變化的監(jiān)測(cè)，分析各個(gè)段落的摩阻系數(shù)，摩阻力最好調(diào)整為每平方米3kN；如果摩阻力超過(guò)每平方米5kN，必須提高重視；如果摩阻力超過(guò)每平方米8kN，應(yīng)通過(guò)清理沉渣等對(duì)策來(lái)降低摩阻力。

4.2.4 控制觸變泥漿黏度

正常洞段觸變泥漿的馬氏黏度在90s左右；巖層破碎洞段觸變泥漿的馬氏黏度應(yīng)大于120s，以免增加漏失量；在特殊情況下可以添加高分子材料，以增加黏度，提高保水率。

4.2.5 保持觸變泥漿潤(rùn)滑效果

如果巖層較好而且地下水豐富，觸變泥漿流失量較大，經(jīng)過(guò)稀釋會(huì)大大降低潤(rùn)滑效果，應(yīng)針對(duì)性的停止注漿或者只注入高分子材料。

5 長(zhǎng)距離導(dǎo)向和糾偏施工技術(shù)

5.1 陀螺儀導(dǎo)向原理

在進(jìn)行頂管測(cè)量的時(shí)候，所利于的儀器為陀螺儀+靜力水準(zhǔn)儀，測(cè)量方法在于控制測(cè)量。頂管導(dǎo)向系統(tǒng)作為一種科學(xué)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，工作時(shí)，需要以移動(dòng)物體作為目標(biāo)和方向，然后根據(jù)物體的移動(dòng)速度對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

5.2 頂管施工方向的控制

頂管施工技術(shù)可以適用于直線和曲線管道中，然而在實(shí)際施工過(guò)程中必須要展開(kāi)針對(duì)性的控制。對(duì)直線頂進(jìn)工作來(lái)說(shuō)，應(yīng)稍微降低頂進(jìn)路線的偏差；對(duì)曲線頂進(jìn)來(lái)說(shuō)，必須控制其施工方向。巖石地層的頂管控制通常在刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)切削過(guò)程中完成，或者進(jìn)行在調(diào)整千斤頂?shù)倪^(guò)程中，不同于常規(guī)的頂管控制，常規(guī)的頂管是以停止刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式來(lái)控制的，而巖石地層的頂管應(yīng)根據(jù)刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)前進(jìn)的方向和各個(gè)關(guān)節(jié)之間木環(huán)襯墊的彈性展開(kāi)調(diào)整。對(duì)直線巖石地層的頂管施工來(lái)說(shuō)，最難的是怎么樣才能預(yù)防由于細(xì)小巖粒和巖粉進(jìn)入管道而發(fā)生機(jī)頭卡住現(xiàn)象。所以，刀盤(pán)的間隙應(yīng)控制在70mm～80mm。對(duì)彎曲巖石地層的頂管施工來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)具體的曲線半徑來(lái)增加刀具間的間隙，如果管道的彎曲半徑為300m，應(yīng)將刀具的間隙控制在大約50mm，然而整條管道都應(yīng)根據(jù)刀盤(pán)的切削路徑展開(kāi)前進(jìn)，從而使鋪設(shè)的管線滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

表1 頂管管道允許偏差

方向控制要點(diǎn)：

（1）對(duì)于趨勢(shì)值的控制要嚴(yán)格。操作人員需要從控制實(shí)際出發(fā)，根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行偏差值和趨勢(shì)值的計(jì)算，然后根據(jù)設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)來(lái)判斷其趨勢(shì)是否接近“o”位，趨勢(shì)值需要控制在±3mm/m范圍中。

（2）對(duì)漂移值進(jìn)行確定。在確定漂移值的時(shí)候，需要將水平方向的偏差給予掌握，然后確定頂管機(jī)在測(cè)量過(guò)程中所發(fā)生的姿態(tài)變化，根據(jù)實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)分析偏差角度，設(shè)定補(bǔ)償值，也就是需要確定的漂移值，再進(jìn)行導(dǎo)向系統(tǒng)的輸入。漂移值的設(shè)定范圍控制在0～1，取值的微小差異都會(huì)對(duì)方向的確定造成較大影響，所以需要嚴(yán)格進(jìn)行控制，保證取值合理，方便對(duì)下一次的測(cè)量值進(jìn)行驗(yàn)證，數(shù)據(jù)分析時(shí)，必須要做好數(shù)據(jù)的累計(jì)，然后保證取值符合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）做好頂進(jìn)和控制測(cè)量配合。在進(jìn)行頂進(jìn)操作的時(shí)候，要注意保證和測(cè)量值之間的配合作用，保證頂管機(jī)處于一種實(shí)際的姿態(tài)，保證漂移值的精確確定；頂進(jìn)操作的過(guò)程中，需要嚴(yán)格的根據(jù)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，對(duì)頂管機(jī)的姿態(tài)確定，然后嚴(yán)格控制調(diào)整幅度，一旦發(fā)現(xiàn)頂管機(jī)存在異常，就要再次進(jìn)行二次測(cè)量，保證頂管機(jī)最后處于一種正常姿態(tài)。

（4）根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。頂進(jìn)操作和控制測(cè)量需要在符合當(dāng)?shù)貙?shí)際的條件下進(jìn)行確定，然后對(duì)施工的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，探索不同地質(zhì)條件下的不同方向變化，從而掌握合理的漂移值，控制頂進(jìn)方向。

（5）復(fù)核測(cè)量十分關(guān)鍵。為了保證方向控制的準(zhǔn)確性，就要在頂進(jìn)過(guò)程中，復(fù)核測(cè)量頂進(jìn)軸線，保證軸線之間沒(méi)有太大差異，在導(dǎo)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)變化大的背景下，需要將復(fù)核的頻率加大，保證測(cè)量的經(jīng)確定。

5.3 糾偏技術(shù)

5.3.1 糾偏原則

實(shí)現(xiàn)管節(jié)按設(shè)計(jì)軸線頂進(jìn)，應(yīng)當(dāng)更加注重控制頂進(jìn)軸線的偏差，同時(shí)有效控制糾偏量。及時(shí)對(duì)鉸接油缸的行程進(jìn)行良好的調(diào)節(jié)，確保將其持續(xù)控制在軸線的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。頂管操作糾偏控制的主要原則為：“勤糾、緩糾、提前糾”，同時(shí)，對(duì)軸線變化的自然規(guī)律加以重視、關(guān)注，多次進(jìn)行糾偏，每一次盡可能地少量糾正；一旦出現(xiàn)較大的圖片或是變化情況較為嚴(yán)重的情況下，對(duì)于糾偏情況不要操之過(guò)急，根據(jù)較長(zhǎng)的距離進(jìn)行糾偏，保證頂管的推進(jìn)的順利性；在具體糾偏過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)在實(shí)操時(shí)對(duì)相關(guān)規(guī)律進(jìn)行有效的摸索與拿捏，提前對(duì)量度進(jìn)行掌握、分析。對(duì)糾偏的幅度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，確保正規(guī)的操作流程，全程操作應(yīng)當(dāng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與要求進(jìn)行，在頂進(jìn)過(guò)程中，需要按照小幅并多次的持續(xù)糾偏為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，使頂進(jìn)方向能夠逐漸復(fù)位，杜絕一次性大幅糾偏，避免造成不利影響。

5.3.2 糾偏技術(shù)措施

糾正頂管的偏差，最重要的就是做好預(yù)防工作，不要在嚴(yán)重超差后才展開(kāi)糾正。陀螺儀導(dǎo)向系統(tǒng)因?yàn)槠滹@示的偏差就是計(jì)算值，在頂進(jìn)過(guò)程中有極大的可能發(fā)生測(cè)量設(shè)備偏航角和實(shí)際偏航角不符的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致超差嚴(yán)重。因此，為了最大限度地避免超差問(wèn)題，應(yīng)按照實(shí)際偏差實(shí)施控制測(cè)量，在需要的情況下，每10m做一次測(cè)量。在頂進(jìn)過(guò)程中，如果管位偏差大約為30mm，必須進(jìn)行校正，將左右鉸接油缸的差值最好1次調(diào)整2mm，左右鉸接油缸偏差值不能高于20mm；上下鉸接油缸的差值最好1次調(diào)整2mm，最大偏差不能高于15mm。如果方向很難控制，應(yīng)在每掘進(jìn)1m～2m時(shí)做1次調(diào)整[4]。一旦發(fā)生特殊情況，必須及時(shí)告知技術(shù)主管，以便一起制定控制計(jì)劃，同時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際施工情況，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)操作步驟進(jìn)行多次測(cè)量、多次糾偏、多次復(fù)核。為了防止糾偏范圍過(guò)大而增加頂進(jìn)難度，并損壞管節(jié)，每次糾偏范圍最好控制在5mm以內(nèi)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著長(zhǎng)距離巖石頂管施工技術(shù)在我國(guó)的水利工程領(lǐng)域日益普及，工程條件對(duì)施工技術(shù)有了更高的要求，尤其是對(duì)于斷層破碎帶、高壓富水段、巖層收斂和掉塊、觸變泥漿的配比、巖石頂管施工的指導(dǎo)理論等方面，依舊需要根據(jù)未來(lái)的工程不斷進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，只要持續(xù)積累經(jīng)驗(yàn)，完全掌握長(zhǎng)距離巖石頂管施工中的關(guān)鍵技術(shù)，才能促進(jìn)巖石頂管技術(shù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，從而為我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。