劉新星

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司,成都 610066)

0 引言

頂管施工是繼盾構(gòu)施工后,發(fā)展起來(lái)的一種新型的隧道工程暗挖技術(shù)。頂管施工技術(shù)在對(duì)土層的適應(yīng)性范圍、周邊環(huán)境的保護(hù)、周圍設(shè)施的施工擾動(dòng)、施工安全可靠性、施工質(zhì)量保證及施工經(jīng)濟(jì)效益等方面具有較大的優(yōu)越性[1-3]。近年來(lái),隨著我國(guó)水利工程的快速發(fā)展,頂管施工技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景不斷擴(kuò)充。鄧章鐵等[4]采用反頂對(duì)接施工技術(shù)并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際對(duì)頂管對(duì)接關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究;Zhang P et al.[5]以拱北隧道為例,對(duì)曲線頂管關(guān)鍵技術(shù)所面臨的最具挑戰(zhàn)性的方面進(jìn)行了總結(jié),并介紹了施工過(guò)程中采用的相關(guān)技術(shù);韓紅等[6]對(duì)硬巖頂管施工工藝及配套輔助系統(tǒng)進(jìn)行了介紹;楊慶輝[7]分析了長(zhǎng)距離巖石頂管工程面臨的施工風(fēng)險(xiǎn),總結(jié)了長(zhǎng)距離巖石頂管施工關(guān)鍵技術(shù);STERLING R L[8]討論了頂管和微隧道方法的應(yīng)用,并介紹了規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工的各個(gè)方面。

綜上所述,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)頂管施工技術(shù)展開(kāi)了大量研究,包括頂管工程的基本原理、國(guó)內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)理論等,但是缺少對(duì)大坡度巖石頂管的施工研究。鑒于此,本文依托西彭水廠連通線大石路高地頂管項(xiàng)目,介紹大坡度巖石頂管的施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

西彭水廠連通線用于連通渝西工程?hào)|干線和嘉陵江干線,屬于嘉陵江干線草街泵站向西彭水廠的備用輸水線。連通線全長(zhǎng)約18.06 km,設(shè)計(jì)為一根φ1.2 m的球墨鑄鐵管,設(shè)計(jì)流量1.2 m3/s。其中,全線頂管共17處,長(zhǎng)約4.27 km,埋管長(zhǎng)約13.79 km。西彭水廠連通線管道沿線淺丘與槽谷交錯(cuò)分布,槽谷內(nèi)覆蓋層一般厚約1～4m,局部地段覆蓋層較厚,約5.0～13.3 m;沿線基巖巖性多為泥巖、粉砂巖、砂巖,少量頁(yè)巖,管溝開(kāi)挖覆蓋層為普通土,強(qiáng)風(fēng)化帶基巖為硬土,弱風(fēng)化泥巖、粉砂巖為軟石,弱風(fēng)化砂巖為次堅(jiān)石。其中大石路高地頂管段長(zhǎng)253.88 m,始發(fā)端與接收端高差約28.97 m、坡度高達(dá)6.55 °(見(jiàn)圖1),對(duì)頂管施工工藝要求嚴(yán)格,施工難度極大。

圖1 大石路高地頂管剖面

2 頂管施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 巖石頂管機(jī)選型與安裝原理

結(jié)合西彭水廠聯(lián)通線大石路高地頂管施工范圍內(nèi)地勘資料及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,在保證項(xiàng)目安全、質(zhì)量、進(jìn)度前提下,結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告及頂管專業(yè)施工經(jīng)驗(yàn),頂管采用泥水平衡施工工藝,選用全斷面巖石頂管機(jī)。頂管機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 頂管機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

所述的巖石頂管機(jī)有幾個(gè)主要特點(diǎn),使其非常適合于大坡度巖石頂管施工:①其強(qiáng)大的破巖能力使其可以處理硬度高達(dá)120 MPa的極硬巖石。配備圓盤式滾刀,這種鋒利的工具具有性能穩(wěn)定、耐磨性強(qiáng)、硬度高等特點(diǎn),大大提高了切割刀盤的破巖能力。這在應(yīng)對(duì)大坡度巖石頂管施工中經(jīng)常遇到的堅(jiān)硬而具有挑戰(zhàn)性的地形時(shí)至關(guān)重要。②該機(jī)的施工速度快、效率高,部分原因是其特殊設(shè)計(jì)的大直徑圓錐破碎倉(cāng)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)、研磨和攪動(dòng),破碎倉(cāng)可以對(duì)大塊巖石進(jìn)行二次破碎,使其更容易把巖石碎成泥漿,以方便從挖掘現(xiàn)場(chǎng)清除。③能夠從機(jī)器上更換切割滾刀和刮刀,使其適用于長(zhǎng)距離掘進(jìn),這對(duì)長(zhǎng)距離巖石頂管施工至關(guān)重要。④在頂管施工過(guò)程中,機(jī)器的可視化和遠(yuǎn)程控制能力是至關(guān)重要的。操作人員可以在操作室實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)施工過(guò)程,通過(guò)電子顯示屏可以直觀、準(zhǔn)確地掌握切削速度、行走軌跡和工作狀態(tài)。這樣可以使操作更加精確和高效,減少施工過(guò)程中發(fā)生事故或其他問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。該巖石頂管機(jī)的實(shí)物如圖2所示。

圖2 巖石頂管機(jī)

采用泥水平衡法的頂管施工主要內(nèi)容包括:洞門止水環(huán)安裝、主頂系統(tǒng)安裝、頂管機(jī)的組裝與調(diào)試,頂進(jìn)施工,注入觸變泥漿,頂管機(jī)姿態(tài)控制,進(jìn)洞止水安裝,泥漿置換等施工內(nèi)容。

主頂系統(tǒng)是頂管機(jī)的一個(gè)重要組成部分,其安裝過(guò)程通常包括以下步驟:測(cè)量和對(duì)準(zhǔn)、軌道安裝、后背墻安裝、主頂油缸安裝。

(1)測(cè)量和對(duì)準(zhǔn)。在安裝主頂系統(tǒng)之前,必須對(duì)頂管系統(tǒng)的位置和排列進(jìn)行測(cè)量和檢查,以確保主頂系統(tǒng)安裝在正確的位置和正確的角度。

(2)軌道安裝。在該項(xiàng)目中,頂管欄桿是用雙支撐的25b型槽鋼焊接的。在測(cè)量和確定坐標(biāo)后,使用30 t汽車起重機(jī)將導(dǎo)軌放置到位,然后進(jìn)行加固以保持穩(wěn)定。導(dǎo)軌的位置和標(biāo)高的允許偏差是:導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)距離:±2 mm;中心線:3 mm;頂部高程:0～3 mm。兩根導(dǎo)軌應(yīng)相互平行安裝,其間距應(yīng)與正在安裝的管道直徑相匹配。高度應(yīng)與管道的設(shè)計(jì)高度相同或略高?？v向坡度應(yīng)與管道的設(shè)計(jì)坡度一致,高度相等或略高于管道的設(shè)計(jì)標(biāo)高。安裝完畢后,在頂管施工過(guò)程中,導(dǎo)軌應(yīng)牢固到位,不得移位,并有必要指派專人進(jìn)行日常檢查。

(3)后背墻安裝。將靠背安裝在主頂系統(tǒng)后面。在挖掘過(guò)程中,靠背支持頂升力,并為頂升系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

一旦主頂系統(tǒng)安裝完畢,就必須對(duì)其進(jìn)行檢查和測(cè)試,以確保其功能正常,可以投入使用。這可能涉及測(cè)試主頂系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)、頂升力和移動(dòng)等因素。正確安裝主頂系統(tǒng)對(duì)于頂管施工項(xiàng)目的成功和安全至關(guān)重要。

2.2 頂進(jìn)施工

硬巖頂管頂進(jìn)施工包括機(jī)頭入倉(cāng)、頂管機(jī)出洞、試頂進(jìn)、正常頂進(jìn)4個(gè)關(guān)鍵工藝。

(1)機(jī)頭入倉(cāng)

頂管施工前由人工配合電焊拆除封堵鋼板,預(yù)留孔洞內(nèi)砂石或鐵塊配重,人工配合30 t汽車吊吊入工作井孔洞內(nèi)。

(2)頂管機(jī)出洞

為了防止頂管機(jī)進(jìn)出時(shí)地表塌陷,孔環(huán)外的土壤加固措施是必不可少的。一種常見(jiàn)的方法是使用攪拌樁,即向土壤中注入水泥基灌漿料混合物,以提高其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。攪拌樁有助于在隧道孔周圍形成一個(gè)加固環(huán),在機(jī)器進(jìn)入和退出時(shí)提供支持并防止土壤移動(dòng)。同樣重要的是,在開(kāi)始頂管工作之前,確保土壤已經(jīng)達(dá)到止水效果,以確保土壤有足夠的穩(wěn)定性來(lái)承受頂管過(guò)程中產(chǎn)生的力量。

(3)試頂進(jìn)

由于頂管出洞處于加固區(qū)域,應(yīng)將頂管機(jī)與頂管孔的軸線對(duì)準(zhǔn),以確保頂管機(jī)被順利頂出孔道。還應(yīng)仔細(xì)監(jiān)測(cè)和控制頂進(jìn)速度,以避免潛在的問(wèn)題或事故。此外,在頂進(jìn)過(guò)程中,測(cè)量和糾正頂管機(jī)的姿態(tài)也很重要,以確保管道出孔段的軸線得到正確控制和對(duì)準(zhǔn),這將有助于指導(dǎo)后續(xù)的頂管施工。

(4)正常頂進(jìn)

在正常頂進(jìn)過(guò)程中,開(kāi)挖巖石和輸送礦渣、泥漿的過(guò)程是連續(xù)的,需要定期監(jiān)測(cè)和調(diào)整頂管機(jī)的姿態(tài),以保證頂進(jìn)過(guò)程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。此外,管道插口處的止水帶和頂管鐵的安裝也必須謹(jǐn)慎而精確地進(jìn)行,以確保頂管工作的質(zhì)量。一旦完成了一個(gè)頂管段,就需要重新定位頂管機(jī),開(kāi)始下一節(jié)頂管。這個(gè)過(guò)程將持續(xù)到整個(gè)管道安裝完畢。

2.3 泥漿減阻

使用觸變性泥漿是頂管施工中的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。觸變泥漿在管道周圍形成一個(gè)漿液套筒,可以減少管道與地面之間的摩擦阻力,使管道更容易頂進(jìn)。同時(shí),觸變泥漿還通過(guò)對(duì)周圍土壤提供支撐,有助于控制地面沉降。為了確保漿液套筒的穩(wěn)定性,通常每隔2至4個(gè)管段就會(huì)設(shè)置灌漿孔,以防止形成任何空隙或縫隙。這有助于保持泥漿套筒的完整性,防止周圍土壤塌陷或沉降。

注漿原則。在頂管施工過(guò)程中,灌漿孔的合理布置對(duì)保證觸變泥漿的效果至關(guān)重要。灌漿孔應(yīng)每2至4個(gè)管段間隔開(kāi)來(lái),并置于插口前或鋼套環(huán)內(nèi),以形成均勻的漿液集結(jié)。這樣可以防止?jié){液孔被堵塞,使灌漿工作順利進(jìn)行。觸變泥漿的注入順序應(yīng)從前到后,并在一定距離后及時(shí)補(bǔ)充漿液。灌漿泵及輸出壓力應(yīng)符合規(guī)范要求。

注漿質(zhì)量控制措施。頂進(jìn)施工前要做泥漿配合比實(shí)驗(yàn),膨潤(rùn)土中蒙脫石含量要求≥60 %,其他觸變泥漿性能指標(biāo)參數(shù)如表2所示。

表2 觸變泥漿性能指標(biāo)

頂進(jìn)后的管道外壁加固是保證頂進(jìn)后管道穩(wěn)定性和耐久性的重要步驟。使用混有粉煤灰的水泥砂漿作為膨潤(rùn)土泥漿的替代材料,可以有效提高管壁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。注漿過(guò)程應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)行,多次注漿,每次注漿之間要有足夠的固化時(shí)間,以保證管壁與周圍土壤之間的空間填充牢固、均勻。應(yīng)持續(xù)觀察注漿過(guò)程和管壁的情況,以發(fā)現(xiàn)變形或損壞,必要時(shí)采取糾正措施。用環(huán)氧樹(shù)脂水泥對(duì)孔口進(jìn)行最后的密封也很重要,以防止水滲透和腐蝕。

2.4 中繼間安裝

中繼區(qū)對(duì)保證長(zhǎng)距離頂管的安全和效率起著重要作用。通過(guò)將頂管劃分為若干個(gè)區(qū)間并設(shè)置中繼間,可以將頂力均勻地分配到各個(gè)區(qū)間,減少管道變形和損壞的風(fēng)險(xiǎn)。此外,使用中繼間還可以減少每個(gè)區(qū)間所需的頂進(jìn)力,可以大大減輕主頂系統(tǒng)的負(fù)荷,延長(zhǎng)頂進(jìn)設(shè)備的使用壽命。需要注意的是,中繼間的設(shè)計(jì)和安裝應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則進(jìn)行,以確保其可靠性和穩(wěn)定性。

中繼間的殼體應(yīng)有足夠的剛度,每個(gè)中繼間按照16臺(tái)千斤頂,每臺(tái)千斤頂?shù)捻斄?00 kN,即總頂力8000 kN,中繼間總長(zhǎng)度12 m,頂程9 m。同時(shí)在管道表面采取熔蠟措施,以減少頂進(jìn)阻力。

在安裝前必須確保繼電器室處于良好狀態(tài)。運(yùn)輸和吊裝也應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)行,以防止任何損壞。安裝后還需對(duì)繼電器室進(jìn)行測(cè)試,確保其功能正常,然后再用于頂進(jìn)作業(yè)。啟動(dòng)和拆除時(shí)也應(yīng)按照正確的程序,認(rèn)真有序地進(jìn)行。

中繼間內(nèi)設(shè)備拆除后,采用C30細(xì)石混凝土對(duì)中繼環(huán)進(jìn)行抹面,并且在抹面時(shí)應(yīng)沿外殼周圈掛φ6@100×100的鋼筋網(wǎng),防止混凝土脫落,混凝土抹面應(yīng)與兩側(cè)管道內(nèi)襯齊平。

2.5 頂管機(jī)姿態(tài)控制

2.5.1 頂進(jìn)偏差產(chǎn)生的原因

當(dāng)摩擦力矩不能補(bǔ)償切割盤切割巖石時(shí)產(chǎn)生的扭矩時(shí),就會(huì)發(fā)生滾動(dòng)。過(guò)大的摩擦力會(huì)影響激光目標(biāo),使其偏離正常位置,造成測(cè)量、校準(zhǔn)和除渣的問(wèn)題。由于不同的頂進(jìn)參數(shù)設(shè)置偏差、頂管機(jī)表面與地層之間的摩擦阻力不均勻、開(kāi)挖面土壓的差異和切割刀下切造成的地層阻力不同、開(kāi)挖面巖層性質(zhì)的差異等原因都會(huì)造成方向偏差。在頂進(jìn)過(guò)程中,必須密切監(jiān)測(cè)和控制垂直方向,隨時(shí)糾正偏差值,使頂進(jìn)方向的偏差保持在允許范圍內(nèi)。

2.5.2 頂管機(jī)的姿態(tài)監(jiān)測(cè)

使用全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等來(lái)測(cè)量頂管機(jī)軸線的偏轉(zhuǎn),并檢查頂管機(jī)的姿態(tài)。

滾動(dòng)角的監(jiān)測(cè)?？梢酝ㄟ^(guò)使用電子水平儀測(cè)量?jī)蓚€(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的高度差來(lái)計(jì)算滾動(dòng)圓心角。這種方法有助于監(jiān)測(cè)頂管機(jī)在頂進(jìn)過(guò)程中的滾動(dòng)偏差。重要的是,要確保測(cè)量點(diǎn)的位置對(duì)稱,處于同一水平面,以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。滾動(dòng)監(jiān)測(cè)示意如圖3所示。

圖3 滾動(dòng)角的監(jiān)測(cè)布置示意

A、B為測(cè)量點(diǎn);a、b為頂管機(jī)發(fā)生滾動(dòng)后,測(cè)量點(diǎn)所處的新位置;Ha、Hb為兩點(diǎn)的高度;α為頂管機(jī)的滾動(dòng)圓心角。

線段AB=2OA=2OB=定值

α=arcsin[(Hb-Ha)/AB]

式中,如果Hb-Ha>0,表明頂管機(jī)逆時(shí)針?lè)较驖L動(dòng);如果Hb-Ha<0,表明頂管機(jī)順時(shí)針?lè)较驖L動(dòng)。

豎直偏角的監(jiān)測(cè)。電子水平儀直接測(cè)量頂管機(jī)傾斜角度的變化,向上或向下,與角度增量的變化方向相反。

水平偏角的監(jiān)測(cè)。電子水平儀是一種用于測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間高度差的工具,可以用來(lái)計(jì)算頂管機(jī)的滾動(dòng)角度。

2.5.3 激光導(dǎo)向監(jiān)測(cè)

激光引導(dǎo)系統(tǒng)是一種常用的方法,用于監(jiān)測(cè)頂管機(jī)與設(shè)計(jì)線的偏差。一束激光從一個(gè)固定的參考點(diǎn)射向頂管機(jī)上的測(cè)量板。然后計(jì)算測(cè)量板的位置,并在控制屏幕上顯示頂管機(jī)與設(shè)計(jì)軸的偏差。最后,控制室的操作員可以使用控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,以糾正頂管機(jī)的偏差。

在測(cè)量過(guò)程中,自動(dòng)和手動(dòng)控制相互修正,進(jìn)一步提高了頂管機(jī)機(jī)器定位的準(zhǔn)確性和精確性。

2.5.4 頂管機(jī)姿態(tài)調(diào)整

(1)滾動(dòng)糾偏。通過(guò)扭轉(zhuǎn)刀盤來(lái)糾正滾動(dòng)偏差是一種方法,但它不一定是最有效或最高效的方法。糾正滾動(dòng)偏差的其他方法包括調(diào)整頂升速度,調(diào)整液壓千斤頂?shù)耐屏?以及調(diào)整切割器的切割參數(shù)。所選擇的方法取決于具體的情況和偏差的嚴(yán)重程度。必須持續(xù)監(jiān)測(cè)滾動(dòng)偏差,并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整,以確保頂管機(jī)保持正常運(yùn)行。

(2)豎直方向糾偏。測(cè)量人員可以調(diào)整頂管機(jī)的轉(zhuǎn)向和推進(jìn),以糾正偏差。例如,操作員可以將頂管機(jī)轉(zhuǎn)向一側(cè)或另一側(cè)以糾正偏差,或調(diào)整推進(jìn)速度,減慢或加快頂管過(guò)程以糾正偏差。測(cè)量人員必須密切監(jiān)測(cè)偏差,并及時(shí)糾正,以確保頂管機(jī)保持在軌道上和允許的偏差范圍內(nèi)。

(3)水平方向糾偏。與豎直方向糾偏的原理相同。

糾偏過(guò)程中的注意事項(xiàng):在調(diào)整刀盤的旋轉(zhuǎn)方向時(shí),要慢慢降低刀盤的旋轉(zhuǎn)速度,以保持挖掘面的穩(wěn)定。一段時(shí)間后,可以改變旋轉(zhuǎn)方向。根據(jù)開(kāi)挖面的地面情況調(diào)整提升參數(shù),糾正頂進(jìn)方向,防止偏差增大。在頂進(jìn)過(guò)程中,要注意及時(shí)糾正偏差,減少偏差,然后繼續(xù)向前頂進(jìn)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)西彭水廠連通線大石路高地頂管施工實(shí)踐,探索總結(jié)了適用于大坡度巖石頂管的頂管機(jī)設(shè)備選型主要特點(diǎn)及主頂系統(tǒng)安裝過(guò)程中的注意事項(xiàng)、頂進(jìn)施工過(guò)程中使用觸變泥漿減阻的注漿原則和注漿質(zhì)量的控制措施及頂進(jìn)后的管道外壁加固措施、頂管機(jī)頂進(jìn)偏差產(chǎn)生的原因及頂進(jìn)姿態(tài)控制的方法與注意事項(xiàng)等大坡度巖石頂管施工中的關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí),根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證了這些關(guān)鍵技術(shù)的可行性。繼續(xù)完善和優(yōu)化這些技術(shù)對(duì)于確保大坡度巖石頂管工程的安全和高效施工具有重要意義。