大直徑微型盾構(gòu)在城市管廊施工中的技術(shù)要點(diǎn)

鄭磊，曹慶喜

（中國路橋工程有限責(zé)任公司）

1 引言

由中國路橋工程有限責(zé)任公司（香港）承建的大直徑微型盾構(gòu)頂管工程是香港屯門區(qū)望后石主干渠務(wù)系統(tǒng)中難度最大（管徑最大且穿越巖層）且最為關(guān)鍵（管線最下游連接望后石污水處理廠）的施工項(xiàng)目。合同段共有8段頂管，總長(zhǎng)約860m。頂管采用鋼筋混凝土制作，內(nèi)徑2500mm，外徑2970mm，壁厚235mm，每節(jié)長(zhǎng)2000mm，混凝土強(qiáng)度為50MPa。

其施工地段處于青山山脈南麓，根據(jù)前期鉆孔情況，頂管所處地層均為巖性地層，管線穿越的大部分地層圍巖等級(jí)為II級(jí)。

2 TBM選型

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)查后，結(jié)合項(xiàng)目工期要求決定采用適用于巖層的泥水平衡法施工。根據(jù)工程量、工作強(qiáng)度及地質(zhì)條件，委托日本ISEKI公司設(shè)計(jì)并生產(chǎn)1臺(tái)泥水平衡式TBM微型盾構(gòu)機(jī)。

本TBM在傳統(tǒng)微型巖盤盾構(gòu)機(jī)的滾刀設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，引入了大型盾構(gòu)機(jī)的鉸刀以及土壓平衡盾構(gòu)機(jī)中的刮刀設(shè)計(jì)。刀盤選型對(duì)比如表1所示。

3 技術(shù)要點(diǎn)

在本項(xiàng)目泥水平衡法頂管施工中，整個(gè)施工過程由掘進(jìn)系統(tǒng)、頂推系統(tǒng)、測(cè)量糾偏系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、注漿減摩系統(tǒng)以及輔助保障系統(tǒng)協(xié)同完成。

3.1 掘進(jìn)系統(tǒng)

掘進(jìn)系統(tǒng)主要由刀盤和刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。需要注意的是，由于巖石本身軟硬程度及風(fēng)化程度不同，在同頂力的情況下，頂進(jìn)速度會(huì)突然降低甚至變?yōu)?。此時(shí)，不可盲目增大頂力（盲目增大頂力有可能造成刀具鎖死并導(dǎo)致非正常磨損，嚴(yán)重時(shí)可能造成驅(qū)動(dòng)電機(jī)燒毀），而要將頂推手柄放在持荷位置（既不前進(jìn)，也不回退），保持巖面阻力并使刀盤在同樣位置對(duì)巖體持續(xù)切削一段時(shí)間，然后向前推進(jìn)[1]。頂推過程中，操作人員要密切關(guān)注儀表盤上的迎面阻力、頂推力及頂推速度。

3.2 頂推系統(tǒng)

頂推系統(tǒng)是頂管施工的推進(jìn)動(dòng)力源，主要包括主頂油缸及中繼間，頂進(jìn)過程中，鋼筋混凝土管材和TBM工具在頂進(jìn)軸線上受力。

表1 刀盤選型對(duì)比

與主頂油缸接觸的管材承受的頂推力最大。實(shí)際頂進(jìn)過程中，其發(fā)生局部受壓破壞的風(fēng)險(xiǎn)也最大，為盡量減少因局部受壓造成的管材破壞，布置主頂油缸時(shí)，要盡量沿管材圓周均勻布置，活塞桿和管材之間應(yīng)引入分壓環(huán)。

由于管材所受摩擦力隨頂進(jìn)距離的增加而增大，當(dāng)所需頂推力超過主頂油缸的頂推能力或鋼筋混凝土頂管能承受的最大荷載時(shí)，需要設(shè)置中繼間。

頂推系統(tǒng)的工作核心是頂力控制。頂力控制包括以下二個(gè)方面：

1）工作千斤頂?shù)淖畲筝敵鲰斄?/p>

該項(xiàng)控制頂力其實(shí)就是頂進(jìn)設(shè)備的工作能力。根據(jù)參考文獻(xiàn)［2］中推薦的經(jīng)驗(yàn)公式，頂進(jìn)鋼筋混凝土管時(shí)，頂力估算公式為：

式中，P為計(jì)算的總頂力，kN；ω為管道單位長(zhǎng)度的自重，kN/m；L為管道的頂進(jìn)長(zhǎng)度，m；n為土質(zhì)系數(shù)，按管頂是否形成卸力拱而定，巖層、黏性土及含水量不大的粉土中，開挖后能形成卸力拱的，n取1.5～2；砂土、含水量大的粉土、砂礫土，開挖后不能形成土拱時(shí)，n取3～4。

結(jié)合本項(xiàng)目，最長(zhǎng)頂推距離L=160m, 管道單位長(zhǎng)度自重為ω=50.5 kN/m， n取1.75，可估算最大頂力約為14140kN，據(jù)此應(yīng)采購8只最大輸出頂力為2000kN的頂推油缸作為主頂設(shè)備。

2）管材的允許壓力

在全截面參與受壓的理想情況下，管材能承受的壓力很大。但在頂進(jìn)過程中，實(shí)際頂進(jìn)軸線與理論頂進(jìn)軸線不可避免地會(huì)產(chǎn)生偏角。在這種情況下，管材實(shí)際上處于局部受壓，可以承受壓力便會(huì)衰減。

根據(jù)香港地區(qū)施工規(guī)范要求，采用BS EN 1916:2002《無鋼筋和鋼筋混凝土管和管配件》提供的計(jì)算方法，其實(shí)質(zhì)思路是將管材在頂進(jìn)時(shí)的接觸狀態(tài)分為二種：①全截面接觸；②非全截面接觸（偏角出現(xiàn)時(shí)）。根據(jù)管材的內(nèi)外徑之比得出管材在非全截面接觸時(shí)的荷載折減系數(shù)e，從而得出局部承壓下（最不利狀況）管材的允許承受壓力。

主要計(jì)算參數(shù)計(jì)算如下：

管材內(nèi)徑：di=2500mm

管材外徑：de=2970mm

管材壁厚：t=235mm

管材偏角：φ=0.3°（管材生產(chǎn)商建議）

水松板壓縮量：t1=5mm（試驗(yàn)得出）

管材縫隙寬度：d=detanφ-t1=10.6mm

水松板接觸寬度：

根據(jù)以上參數(shù)求得：

圖1 荷載折減系數(shù)查詢圖

從圖1查得：

荷載折減系數(shù)：e=0.44

管材名義強(qiáng)度：fck=50MPa

全截面接觸時(shí)管材接觸面積：

管材最大理論設(shè)計(jì)荷載：

全截面接觸時(shí)管材容許最大頂力：

非全截面接觸時(shí)管材容許最大頂力：

3.3 測(cè)量糾偏

測(cè)量糾偏系統(tǒng)由洞口電子經(jīng)緯儀、機(jī)頭標(biāo)靶、激光發(fā)射器、傾角羅盤、糾偏油缸、控制室顯示儀表以及糾偏旋鈕等組成。

在實(shí)際頂進(jìn)過程中，頂管機(jī)可能會(huì)發(fā)生方向偏差和自轉(zhuǎn)偏差。而方向偏差又包括軸線高程偏差和平面方位偏差。方向偏差通過控制面板上的糾偏旋鈕控制置于TBM機(jī)頭內(nèi)的4個(gè)糾偏油缸進(jìn)行控制；自轉(zhuǎn)偏差則通過反轉(zhuǎn)刀盤進(jìn)行控制。操作過程中，要做到勤糾和緩糾，過大的糾偏和過快的糾偏都可能使與機(jī)頭相連的第1節(jié)甚至前幾節(jié)管材因局部承壓而遭到破壞。

3.4 泥漿循環(huán)

泥漿循環(huán)系統(tǒng)主要由泥水倉、錐形破碎總程、泥漿泵、中繼泵、旁通閥、截止閥、泥漿管道、沉淀池以及泥漿池等組成。泥漿循環(huán)系統(tǒng)的主要作用是：①作為將切削下來的巖體輸送至地面的載體；②平衡地下水壓力及巖體壓力。

由刀盤切削下來的巖塊在刀盤葉片的帶動(dòng)下不斷滾落到泥水倉下部的破碎口，通過泥漿的吸入作用，巖塊在經(jīng)錐形破碎總程破碎到一定尺寸后和泥漿一起經(jīng)出漿管抽至沉淀池，經(jīng)過沉淀作用，上層泥漿循環(huán)進(jìn)入泥漿池，通過注漿管進(jìn)入泥水倉，從而實(shí)現(xiàn)泥漿的循環(huán)。

3.5 注漿減摩

目前的注漿減摩系統(tǒng)使用的減摩材料大致可分為兩類：傳統(tǒng)的膨潤土減摩泥漿和新型的高分子化學(xué)減摩劑，這兩種減摩材料對(duì)比情況如表2所示。

本項(xiàng)目施工地段屬濱海地區(qū)，受潮位影響地下水位變化較大。結(jié)合上述兩種減摩材料的特點(diǎn)，本項(xiàng)目采用兩種減摩材料混合的方法，具體配合比為1：1：98（膨潤土：POLY-DRIVE聚合物：水）。上述混合物在經(jīng)過注漿機(jī)離心攪拌后形成一種絮凝狀漿體，通過鋼筋混凝土管上的注漿孔加壓注漿。

表2 減摩材料對(duì)比情況

3.6 輔助保障

輔助保障系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、水泵、履帶吊車、隨車吊、抓泥車及日常維修保養(yǎng)（刀頭更換、油泵維修和電力故障排除等）人員和設(shè)備。在實(shí)際頂管過程中，頂進(jìn)作業(yè)時(shí)間只占到了整個(gè)作業(yè)時(shí)間的43%。要提高TBM施工工效，應(yīng)降低其他作業(yè)時(shí)間在整個(gè)作業(yè)時(shí)間中的比重，這就要求各個(gè)輔助保障系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)，動(dòng)力、吊裝和排泥等關(guān)鍵設(shè)備要定期安排檢修、保養(yǎng)。

4 結(jié)語

合理選用泥水平衡式微型盾構(gòu)機(jī)，并針對(duì)地質(zhì)情況對(duì)刀盤和刀具設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，提高工程的可靠性，在保證施工進(jìn)度的同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益。本工程采用新型POLY-DRIVE聚合物加膨潤土的注漿減摩方法，成功解決了聚合物減摩材料在地下水位頻繁變化巖層中的流失問題，可以形成較為完整的泥漿套，顯著降低了摩阻力，使本工程日頂進(jìn)距離最長(zhǎng)為6.3m，月頂進(jìn)距離最長(zhǎng)為89m，均達(dá)到了在同等管徑和地質(zhì)條件下，同類施工方法中的國內(nèi)、外先進(jìn)水平。