成都地區(qū)電力隧道機(jī)械頂管法選型探討

朱文美

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092)

1 成都地區(qū)典型地質(zhì)情況

成都平原發(fā)源于川西北高原的岷江、沱江及其支流等8個(gè)沖積扇重疊聯(lián)綴而成的復(fù)合沖積扇平原[1]，地形地質(zhì)形成了自身的特點(diǎn)?？傮w上成都地基土均勻性較差，自穩(wěn)性差，地層存在以下特點(diǎn)：

（1）卵石含量高：卵石層粒徑一般以20～100mm為主，最大粒徑100 mm以上，卵石含量均大于50%。

（2）含水量高：地下水主要賦存于卵石層中，為松散巖類孔隙潛水，主要受地下徑流及大氣降水補(bǔ)給，其泄水方式主要以地下徑流及蒸發(fā)為主。

（3）土質(zhì)松散，自穩(wěn)性差：卵石間充填物以中、細(xì)砂為主，次為泥質(zhì)。

各巖土層圍巖基本分級如表1所列。

表1 典型的巖土層圍巖基本分級表

2 機(jī)械頂管法的特點(diǎn)

頂管法具有安全、快速、高效、對施工周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，在城市隧道施工中被廣泛采用。

機(jī)械頂管法前端采用頂管機(jī)掘土，頂管機(jī)是集機(jī)械、液壓、電控等為一體的自動(dòng)化程度較高的地下隧道施工機(jī)械[2]。主要由工具管、刀盤、刀盤驅(qū)動(dòng)、螺旋輸送系統(tǒng)、管段拼裝等系統(tǒng)組成，配備了機(jī)電一體化的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、工業(yè)空氣系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、泡沫設(shè)備、膨潤土注入設(shè)備及激光導(dǎo)向等設(shè)備。在主控室內(nèi)可對工具管的掘進(jìn)姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，還可在地面監(jiān)控室對頂管作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 選型分析

頂管機(jī)作為頂管法施工的核心機(jī)械設(shè)備，其選型的合理與否不僅關(guān)系到頂管施工的成本和效益，還關(guān)系到頂管施工的質(zhì)量與安全。機(jī)械頂管機(jī)應(yīng)具備以下功能：掘進(jìn)、防坍塌、出泥和導(dǎo)向等，根據(jù)給排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[3]，其分類如表2所列。

表2 頂管機(jī)基本分類表

國內(nèi)常用的頂管機(jī)有泥水平衡式、土壓平衡式及氣壓平衡式。氣壓平衡式機(jī)械頂管投資大，一般用于長距離頂管，對每隔約200 m就需設(shè)置通風(fēng)井的電力隧道不具有經(jīng)濟(jì)性，本文僅對泥水平衡和土壓平衡這兩種平衡方式進(jìn)行比選。

3.1 泥水平衡式機(jī)械頂管的特點(diǎn)

泥水平衡式機(jī)械頂管的優(yōu)點(diǎn)：

（1）適用的土質(zhì)范圍比較廣；在地下水壓力很高，以及變化范圍較大的條件下也能適用；對管道周圍的土體擾動(dòng)較小，引起的地面沉降也較小。

（2）與其他類型頂管比較，泥水平衡頂管施工時(shí)的總推力較小，尤其是在粘土層則表現(xiàn)得更為突出，所以適宜于較長距離頂管。

（3）由于泥水輸送棄土的作業(yè)是連續(xù)不斷地進(jìn)行的，所以作業(yè)進(jìn)度比較快。

泥水平衡式機(jī)械頂管的缺點(diǎn)：

（1）棄土的運(yùn)輸和存放比較困難，運(yùn)輸成本較高。

（2）管徑越大，泥水處理量也就越多，適用管徑受限。

（3）如果遇到覆土層過薄或滲透系數(shù)特別大的砂礫、卵石層，作業(yè)容易受阻。

3.2 土壓平衡式機(jī)械頂管的特點(diǎn)

土壓平衡頂管掘進(jìn)機(jī)一般用來進(jìn)行中大口徑的管道施工，可在覆土較淺的條件下正常工作。

土壓平衡式機(jī)械頂管的優(yōu)點(diǎn)：

（1）最淺覆土深度僅為0.8倍掘進(jìn)機(jī)外徑，這是其他形式頂管無法做到的。

（2）土壓平衡式機(jī)械頂管能保持挖掘面的穩(wěn)定，可以使地面變形極小。

（3）適用的土質(zhì)范圍廣，是全土質(zhì)的頂管掘進(jìn)機(jī)。

（4）棄土的運(yùn)輸、處理都比較方便，不需要泥水式的泥水循環(huán)系統(tǒng)，操作更方便、安全。

（5）設(shè)備相對比較簡單。

土壓平衡式機(jī)械頂管的缺點(diǎn)：

（1）刀盤動(dòng)力和扭矩較高，切削刀損耗較大。

（2）土層含砂量超過一定限度時(shí)，土體流性明顯變差，土艙內(nèi)的土體易發(fā)生堆積、壓密、固結(jié)，可導(dǎo)致碴土難以排送，頂管推進(jìn)被迫停止。

（3）為解決碴土排送困難，需要向土艙內(nèi)注水、空氣、膨潤土或泥漿等材料，并需連續(xù)攪拌以提高土體的塑流性。

3.3 平衡方案比選

成都電力隧道主要穿越砂卵石地層，卵、礫石成分以灰?guī)r、砂巖、石英巖等為主，呈圓形、亞圓形，粒徑大小不一，分選性差。成都地鐵土壓平衡盾構(gòu)的現(xiàn)有設(shè)備配置雖然證明可以在高富水、高卵石地質(zhì)條件下施工，但存在刀具消耗成本大、換刀困難等諸多問題[4]。為了解決這些困難，在施工前應(yīng)針對不同種類的平衡方式，刀盤布置，渣土處理，降低刀頭磨損方法等特點(diǎn)進(jìn)行方案比選（見表3），比選方案的前提條件是成都的高含水卵石土地質(zhì)。

表3 土壓平衡式與泥水平衡式對比表

為充分考慮內(nèi)因、外因和不可抗力對選型的影響，可以通過量化各項(xiàng)指標(biāo)來為方案比選提供更直觀的依據(jù)，量化表格如表4所列。

表4中的權(quán)重是為了進(jìn)行量化比較，其取值的邏輯如下：

（1）土質(zhì)與石塊直徑和排泥管道的阻塞對方案選擇的影響最為重大。因?yàn)檫@兩個(gè)因素會(huì)直接決定施工的可行性和設(shè)備的正常運(yùn)作。所以假定權(quán)重較大。

（2）其次，挖掘距離、地面設(shè)施與覆土深度對決策者的影響稍弱，因?yàn)檫@三項(xiàng)因素可以通過細(xì)節(jié)的改進(jìn)來克服，但需要額外經(jīng)濟(jì)上的投入。

（3）小權(quán)重因素主要涉及到施工細(xì)節(jié)和成本的控制，所以權(quán)重相對最低。

綜上所述，在實(shí)際施工過程中泥水平衡式頂管由于卵石含量大，存在破碎機(jī)破碎量大、掘進(jìn)速度慢、泥水管路非常容易堵塞等困難，與土壓平衡式頂管相比更不適合于成都的地質(zhì)條件，應(yīng)選用土壓平衡式。

表4 泥水平衡式和土壓平衡式方案比選表

4 結(jié)論

通過以上分析得知，頂管機(jī)的選型是機(jī)械頂管工程成敗的關(guān)鍵，土壓平衡式頂管更適合成都地區(qū)電力隧道的施工。

[1]四川省地質(zhì)工程勘察院.蜀都大道東段道路綜合整治工程220 kV電力隧道巖土工程勘察報(bào)告[R].成都：2011.

[2]馬保松,等.非開挖工程學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2008.

[3]沈世杰,等.給排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[4]王國義.成都富水砂卵石地層盾構(gòu)設(shè)備配置探討[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2013,50(1),34-39.