基于不同地質(zhì)泥水平衡頂管施工機(jī)型的選擇

侯德國(guó)

（山東水發(fā)環(huán)保集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

工程頂管施工是否能夠成功完成主要是受到頂管機(jī)頭設(shè)備的影響。在施工中，要結(jié)合工程不同地質(zhì)的實(shí)際情況來(lái)選擇使用不同的頂管機(jī)頭設(shè)備，同時(shí)還要分析施工效率、施工技術(shù)以及地表變形控制精度等。在施工開(kāi)始前，就要全面的分析地質(zhì)條件、水文狀況、工期、工程造價(jià)、工程安全以及對(duì)于環(huán)境的影響，從而選擇合適的頂管設(shè)備。

1 工程概況

青島、煙臺(tái)、濰坊、威海4市是山東省水資源十分緊缺的地區(qū)。2013年以來(lái)，受厄爾尼諾現(xiàn)象影響，連續(xù)的干旱少雨使當(dāng)?shù)厮Y源面臨枯竭，且4市外來(lái)客水補(bǔ)充不足，嚴(yán)重的缺水已成為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的最大制約因素。為緩解供水危機(jī)，2016年山東省人民政府防汛抗旱總指揮部啟動(dòng)抗旱4級(jí)應(yīng)急響應(yīng)，山東省委省政府及時(shí)決策、緊急啟動(dòng)了黃水東調(diào)工程建設(shè)，目前已啟動(dòng)了應(yīng)急工程、二期工程、青島市承接工程，輸水管線超160km，輸水管徑之長(zhǎng)、直徑之大、焊接之難在全國(guó)都比較罕見(jiàn)，其中涉及頂管工程19處，長(zhǎng)度5585m，全部采用泥水平衡法頂管施工。

2 工程地質(zhì)

沖洪積平原區(qū)管道基礎(chǔ)主要坐于Ⅲ-②層粉質(zhì)壤土下部、Ⅲ-③-1層含礫粘土上部，持力層力學(xué)性質(zhì)較好，可采用天然地基。該段基槽邊坡巖土層以粘性土、壤士為主，偶見(jiàn)砂性土，基槽穩(wěn)定性總體一般。

剝蝕平原區(qū)段管道基礎(chǔ)主要坐于1-②層粉質(zhì)壤土下部、1-③層粘土上部、Ⅰ-⑥-1層強(qiáng)風(fēng)化變粒巖上部，持力層力學(xué)性質(zhì)較好，可采用天然地基?；圻吰聨r士層以粉質(zhì)壤土、粘性土、強(qiáng)風(fēng)化巖為主，穩(wěn)定性一般較好，應(yīng)采取分級(jí)放坡形式，并做好降水措施，將地下水位降至管溝底面以下且不應(yīng)小于0.5m。

剝蝕丘陵段管線基礎(chǔ)主要坐于Ⅱ-⑥-1層強(qiáng)風(fēng)化變粒巖上部，局部坐于Ⅱ-⑥-2層弱風(fēng)化變粒巖頂部。此二巖土層承載力較高，穩(wěn)定性較好。管道基槽開(kāi)挖邊坡巖土層主要為Ⅱ-①層素填土、Ⅱ-③層粘土、Ⅱ-⑥-1層強(qiáng)風(fēng)化變粒巖及少量Ⅱ-⑥-2層弱風(fēng)化變粒巖，極少段基槽邊坡可揭露出Ⅱ-②-2層粉質(zhì)壤土。該段基槽邊坡巖士層以粘性土、強(qiáng)風(fēng)化巖為主。

3 地質(zhì)分析及對(duì)比

根據(jù)地質(zhì)條件，本區(qū)主要為淤泥質(zhì)黏土、砂性土、強(qiáng)風(fēng)化巖、微風(fēng)化及中風(fēng)化巖。

3.1 各種地質(zhì)分析

淤泥質(zhì)黏土：此種軟土的形成是在較弱的海浪岸流及潮汐的水動(dòng)力作用下逐漸形成的。土的顏色多呈灰色或黑灰色，光潤(rùn)油滑且有腐爛植物的氣味，多呈軟塑或半流塑狀態(tài)。其天然含水量很大，一般都大于30%，飽和度一般大于90%，液限一般在35%～60%之間，軟土的天然重度較小，約在15～19kN/m3之間?？紫侗榷即笥?，因其天然含水量高、孔隙比大，就帶來(lái)了軟土地基變形大、強(qiáng)度低的特點(diǎn)。

砂性土：由于曾受到海水的沖擊，部分地區(qū)沉積層含有海水所搬運(yùn)的大量沉積物，其中主要為細(xì)砂及粉砂。由于含黏土的成分較少，可稱(chēng)之為砂性土。砂性土的土顆粒較一般的黏土大，一般在20μ以上，土顆粒之間的凝聚力較小，呈單粒結(jié)構(gòu)?？紫侗容^大，很容易在水動(dòng)力的作用下產(chǎn)生流沙現(xiàn)象。

強(qiáng)風(fēng)化巖：強(qiáng)風(fēng)化巖是指風(fēng)化很強(qiáng)的巖石，此種土質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)已大部分破壞，礦物成分已顯著變化，含有大量黏土質(zhì)黏土礦物。風(fēng)化裂隙很發(fā)育，巖體被切割成碎塊，干時(shí)可用手折斷或捏碎，浸水或干濕交替時(shí)可較迅速地軟化或崩解。用鎬或鍬可挖掘，干鉆可鉆進(jìn)。

微風(fēng)化及中風(fēng)化巖：微風(fēng)化巖是指巖質(zhì)新鮮、表面稍有風(fēng)化跡象、強(qiáng)度大于50MPa、硬度很高的巖石。在此地層中頂進(jìn)較困難，而且一般頂進(jìn)距離超過(guò)100m時(shí)需要更換刀頭。中風(fēng)化巖較軟，其組織結(jié)構(gòu)部分破壞。礦物成分發(fā)生變化，用鎬難挖掘。

3.2 機(jī)型的選擇

對(duì)于淤泥質(zhì)黏土，由于其土質(zhì)較軟，切削容易，因此可以選用各種掘進(jìn)機(jī)，比如人工手掘頂管施工方式、單刀密閉式刀盤(pán)泥水平衡式頂管機(jī)；對(duì)于砂性土可采用開(kāi)口面大、條幅式刀盤(pán)土壓平衡式頂管機(jī)；地質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化巖條件下可采用偏心破碎泥水平衡掘進(jìn)機(jī)及敞開(kāi)式掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)；中風(fēng)化巖以及弱風(fēng)化巖條件下采用大刀盤(pán)土壓平衡頂管機(jī)或者是應(yīng)用二次破碎功能的泥水平衡頂管機(jī)；如果地下水含量較高就只能采用巖盤(pán)泥水平衡頂管機(jī)?；谝陨戏治?，受工程進(jìn)度影響，直接排除了人工掘進(jìn)式頂管施工。

3.3 選擇機(jī)型的優(yōu)勢(shì)

經(jīng)過(guò)科學(xué)認(rèn)真的分析論證，確定采用破碎式巖盤(pán)泥水平衡式頂管機(jī)，它具有其他類(lèi)型頂管機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：

（1）泥水加壓使流砂層開(kāi)挖面穩(wěn)定安全；

（2）水位以下能常壓作業(yè)（無(wú)需氣壓）；

（3）滯水砂層、含水量高的黏土層及高水壓礫石層，泥水平衡頂管都能施工，其適應(yīng)土質(zhì)范圍較廣；

（4）管路排泥、連續(xù)出土效率高，速度快，適合超長(zhǎng)距頂管；

（5）噪聲較小，管內(nèi)干凈，地下工作環(huán)境好；

（6）泥水平衡式頂管便于實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量，頂管精度高。

4 破碎工具及刀盤(pán)的應(yīng)用

4.1 破碎工具及刀盤(pán)選擇

切削刀盤(pán)的選擇與應(yīng)用可以將刮削齒、滾刀等結(jié)構(gòu)聯(lián)合起來(lái)，將其安裝在刀盤(pán)結(jié)構(gòu)上。前者的主要作用就是進(jìn)行土層的施工，并且還安裝有硬度較高的合金刀具，在旋轉(zhuǎn)進(jìn)入過(guò)程中可以將地層中的石塊進(jìn)行破碎。滾刀通常都是處理地質(zhì)條件中所存在的砂礫強(qiáng)風(fēng)化巖層，并且會(huì)隨著設(shè)備的軸線位置進(jìn)行滾動(dòng)前進(jìn)。主要的動(dòng)力是液壓裝置，在巖石表層施加垂直作用力，直接將巖石破碎，達(dá)到施工的目的。

受工程各類(lèi)復(fù)雜地質(zhì)影響，最突出的問(wèn)題是刀具的耐磨性問(wèn)題。在砂礫地層中，刀具的磨損很大，如果不采用高硬度的耐磨材料，勢(shì)必存在中途更換的問(wèn)題，增加施工難度。本工程頂管要求在透水性高的砂礫層和高水頭環(huán)境中頂進(jìn)，并保證最長(zhǎng)頂進(jìn)900m不中途換刀，所以刀頭的正面和側(cè)面均采用超硬質(zhì)合金PR30（是目前世界上最硬的合金），且為了提高其抗折斷能力，摻入稀有金屬鈷。

刀具采用中心切削刀、先行刀、外周刀和主切削刀等多種刀具，分別安裝在刀盤(pán)中心、進(jìn)泥口、刀盤(pán)面和刀盤(pán)外周，并使用超刀（超出頂管機(jī)外徑5～10mm）。主切削刀隨刀架在頂進(jìn)過(guò)程中按刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向反向搖動(dòng)（角度為±8°），可有效防止磨耗，與同樣材質(zhì)的不搖動(dòng)刀頭相比，在同樣條件下可延長(zhǎng)壽命1倍。2對(duì)主切削刀排在面板上呈十字形布置，分別由獨(dú)立的液壓系統(tǒng)操作，1對(duì)工作，1對(duì)備用，既確保了全程頂進(jìn)的完成，又最大程度地避免了在砂性土層中途面板換刀時(shí)的復(fù)雜作業(yè)。

4.2 破碎工具及刀盤(pán)布置

為了能夠有效的降低側(cè)壁與周邊巖石的摩擦力，在刀盤(pán)的外徑中分別安裝擴(kuò)孔滾刀，其布置的方式成120°夾角。該結(jié)構(gòu)主要用來(lái)在頂進(jìn)施工中在孔內(nèi)形成一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)形空間，為后續(xù)注漿減摩提供基礎(chǔ)條件；其次，在所有破碎工具的輪廓位置上都設(shè)置有進(jìn)渣口，在施工過(guò)程中將石塊實(shí)施二次破碎施工，并且再利用泥水作為介質(zhì)將內(nèi)部的渣體排出干凈，以保證施工順利進(jìn)行。

4.3 破碎工具及刀盤(pán)磨損分析與更換

本次工程需要穿越砂礫強(qiáng)風(fēng)化巖層，所以在施工開(kāi)始前的準(zhǔn)備過(guò)程中，技術(shù)人員已經(jīng)預(yù)見(jiàn)到在施工過(guò)程中會(huì)嚴(yán)重的磨損破碎工具。為了更好的查看并且維修該結(jié)構(gòu)，在頂管機(jī)內(nèi)部到工作面中設(shè)置了檢查人孔，便于在施工中進(jìn)行檢查，同時(shí)也可以在發(fā)現(xiàn)刀具嚴(yán)重磨損之后立即更換。頂進(jìn)施工的深度達(dá)到90m之后應(yīng)該進(jìn)行首次開(kāi)艙門(mén)，然后檢查破碎工具的磨損情況。從檢查結(jié)果可以了解到，刀盤(pán)外部周邊的3個(gè)擴(kuò)孔滾刀以及部分刮削齒出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損問(wèn)題，而處于刀盤(pán)中心位置上的滾刀卻沒(méi)有過(guò)度磨損的問(wèn)題。在選擇頂管機(jī)機(jī)頭之前，需要充分考慮到地質(zhì)條件的影響因素，尤其在強(qiáng)度較大的巖層結(jié)構(gòu)中施工，必須要適當(dāng)增大滾刀的硬度和精度，還應(yīng)該適當(dāng)增大刀盤(pán)的外徑擋板強(qiáng)度，從而有效的避免刀盤(pán)過(guò)度磨損導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損壞。在滾刀出現(xiàn)損壞需要更換的情況下，一般都是操作人員進(jìn)入到刀盤(pán)內(nèi)部，將固定的螺栓拆除之后進(jìn)行 更換。

5 設(shè)備的安全性和可靠性

頂管機(jī)的頂進(jìn)面通過(guò)隔倉(cāng)板和機(jī)內(nèi)完全隔離，頂進(jìn)面的砂土和泥水只能通過(guò)送排泥管路進(jìn)出，送水和排泥管路上均設(shè)方閥門(mén)控制和壓力、流量?jī)x表監(jiān)視系統(tǒng)。超長(zhǎng)距離砂礫地層中頂進(jìn)時(shí)的防磨損措施有：刀盤(pán)的剪切破碎功能（第一次破碎）；機(jī)頭二次破碎功能（第二次破碎）；對(duì)黏土的防堵機(jī)能；對(duì)付全地質(zhì)（除巖盤(pán)）功能；采用的刀具配置；采用可更換使用的備用刀盤(pán)；刀盤(pán)面板的強(qiáng)化和改造；采用止水密封。

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)3年多的奮戰(zhàn)，山東省黃水東調(diào)頂管工程已經(jīng)取得了圓滿成功，應(yīng)急工程、二期工程也已穩(wěn)步向供水目標(biāo)供水。頂管工程作為所有工程的控制性工程，頂管機(jī)的選型是其成功的關(guān)鍵，為類(lèi)似工程的施工積累了寶貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。頂管工程在正式施工前，應(yīng)該全面的分析地質(zhì)條件、水文狀況、工期等，選擇合適的施工機(jī)械設(shè)備，提高工程質(zhì)量，保證工期。