非圓斷面飽和黃土輸水隧洞改進(jìn)型頂管開挖設(shè)計(jì)與施工

顏志強(qiáng),李 峰

(中國水利水電第十一工程局有限公司,鄭州 450001)

0 前 言

隨著中國地下工程的不斷發(fā)展，盾構(gòu)隧道以其施工受地面環(huán)境影響小、機(jī)械化程度高和開挖面控制精度高等獨(dú)特的優(yōu)越性，在開挖施工中得到了廣泛應(yīng)用[1]。近年來，國內(nèi)外在盾構(gòu)機(jī)的形式上取得了了較大的突破[2-4]，同時在開挖飽和土隧洞時，已有學(xué)者作出了一定的研究。張治國等[5]考慮了飽和土質(zhì)以及隧道襯砌與土體間界面排水工況所帶來的影響，分析了盾構(gòu)隧道施工引起的環(huán)境土工效應(yīng)；丁智等[6]研究了飽和土盾構(gòu)施工引起的三維土體變形及孔隙水壓力。但就目前而言，較多的研究和設(shè)計(jì)依舊針對于非飽和土[7-8]，而對于飽和土層的開挖仍是一個較為困難的問題。

本文依托南水北調(diào)穿黃工程，借鑒頂管原理，設(shè)計(jì)制造一種改進(jìn)型頂管機(jī)，并驗(yàn)證其施工可靠性。

1 工程概況

南水北調(diào)中線一期穿黃工程退水洞穿越邙山將穿黃隧洞進(jìn)口與黃河連通，退水洞長790 m，進(jìn)口底板高程110.5 m，出口底板高程94.0 m，縱坡為2.09%。隧洞襯砌后斷面為帶仰拱的城門洞型，斷面凈尺寸4.2 m×5.8 m(寬×高)，邊頂拱混凝土襯砌厚度0.5m，底板混凝土襯砌厚度為0.6 m。

工程區(qū)為邙山黃土丘陵，地表高程140.00～181.00 m。地層為第四系，地表～高程107.00～136.00 m為上更新統(tǒng)沖積層alQ3黃土狀粉質(zhì)壤土，呈灰黃、褐黃色，具大孔隙及垂直節(jié)理，呈軟塑狀、可塑狀。其下為棕黃、褐黃或淺棕紅色中更新統(tǒng)沖、洪積層al+plQ2粉質(zhì)壤土，呈可塑～軟塑狀，其中在洞身附近分布兩層古土壤層，頂面高程分別為105.00～118.00 m、95.00～102.5 m，厚度分別約為5.0、6.0 m，古土壤呈硬塑狀。土體主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 退水洞土體主要物理力學(xué)指標(biāo)

隧洞穿越各地層，造成各段圍土差異性：樁號0+000.00 m～0+192.46 m段alQ3黃土狀粉質(zhì)壤土；樁號0+192.46 m～0+347.36 m段洞身上部為alQ3黃土狀粉質(zhì)壤土，下部為古土壤；樁號0+347.360 m～0+456.35 m段洞身上部為古土壤，下部為粉質(zhì)壤土；樁號0+456.35 m～0+701.00 m段隧洞圍土為粉質(zhì)壤土；樁號0+701.00 m～0+790.00 m段隧洞圍土為古土壤。

工程區(qū)地下水按其賦存條件及性質(zhì)為孔隙～裂隙水。地下水位沿隧洞高程為140.00～113.00 m。alQ3黃土狀粉質(zhì)壤土滲透系數(shù)1.0×10-5～1.0×10-4cm/s，al+plQ2粉質(zhì)壤土滲透系數(shù)1.0×10-6～1.0×10-5cm/s，al+plQ2古土壤層滲透系數(shù)1.0×10-7～1.0×10-6cm/s。地層具弱透水性。

退水洞為飽和黃土隧洞，具有以下特點(diǎn)：埋深大，埋深60～80 m；地下水位高，高出隧洞底板29.5～19.5 m；地層復(fù)雜，多種地層互層，地層滲透系數(shù)小，降水難度大；隧洞穿越不同地層，施工難度不同。

退水洞前期開挖方案為降水條件下礦山法開挖，沿洞軸線兩側(cè)密集布置真空深井進(jìn)行長時間超前降水。進(jìn)口0+000.00 m～0+192.46 m段地層為alQ3黃土狀粉質(zhì)壤土，地層單一，滲透系數(shù)相對稍大，開挖時地下水可降至隧洞腰線附近，采用上臺階臨時仰拱法結(jié)合洞內(nèi)輕型井點(diǎn)降水開挖下臺階；出口0+701.00 m～0+790.00 m段圍土為古土壤，土質(zhì)堅(jiān)硬，在地下水高出洞頂情況下采用臺階法開挖。0+247.00 m～0+701.00 m段圍土主要為粉質(zhì)壤土，并夾有古土壤相對隔水層，地下水難以降低至拱頂以下，采用CD法等礦山法開挖難度較大，即使有管棚支護(hù)，在地下水作用下，頂拱土體發(fā)生滲透破壞產(chǎn)生流泥，誘發(fā)塌方甚至冒頂，安全隱患極大；進(jìn)度緩慢，難以按合同工期完成。

2 改進(jìn)型頂管思路

為解決退水洞開挖難題，借鑒頂管原理，采用改進(jìn)型頂管開挖。由于退水洞進(jìn)、出口段開挖襯砌已完成，頂管方案進(jìn)行了圓形斷面管片支護(hù)和城門洞型錨噴支護(hù)比選，經(jīng)水力學(xué)、進(jìn)度、安全論證，并從經(jīng)濟(jì)性考慮，頂管開挖斷面維持城門洞型，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼拱架+錨噴支護(hù)。頂管推力通過“U”型鋼墊梁傳遞到后部已澆筑的永久混凝土襯砌結(jié)構(gòu)上，開挖循環(huán)10 m，頂進(jìn)長度達(dá)10 m一個襯砌段停止開挖，進(jìn)行混凝土襯砌，待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后繼續(xù)頂進(jìn)開挖。頂管承受周圍地層壓力，鋼支撐等支護(hù)作業(yè)在頂管內(nèi)進(jìn)行，頂管推進(jìn)后，僅剩余噴混凝土作業(yè)，可快速施工，避免地層臨空形成坍塌、流泥，保證施工安全。

3 頂管設(shè)計(jì)

3.1 頂管結(jié)構(gòu)

頂管殼體采用厚度50 mm鋼板制成。斷面尺寸考慮襯砌混凝土厚度、一次支護(hù)厚度及預(yù)留變形量，一次支護(hù)厚度200 mm，頂拱預(yù)留變形量200 m，側(cè)墻預(yù)留變形量100 mm，外形寬5 900 mm，高7 600 mm，頂管殼體前部設(shè)計(jì)為4.2∶1坡度，考慮掌子面穩(wěn)定需要及增加頂管殼體剛度，加焊十字隔板，十字隔板布置擋板槽，在每次推進(jìn)完成后安裝擋板封閉掌子面；中部為液壓缸區(qū)，液壓缸由前后兩層鋼板固定；頂管尾部長度1 100 mm，用以超前施工一次支護(hù)。

結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 頂管結(jié)構(gòu) 單位：mm

3.2 裝置荷載

機(jī)身主要承受圍巖壓力，參考《隧洞》(熊啟鈞編著)，圍巖壓力確定采用松散介質(zhì)理論。

(1) 坍落拱高度

式中：B為隧洞開挖寬度,取5.9m；H為隧洞開挖高度H,取7.6m；f為巖石堅(jiān)固系數(shù)，按《隧洞》，f≈tgφ=0.41；φ為土體內(nèi)摩擦角，根據(jù)表1取22.6°。

(2) 垂直荷載

q1=0.7γh(曲線形頂拱)

(2)

其中γ=20.16kN/m3。

(3) 水平荷載

頂管頂部：

e1=0.7γhtg2(45°-φ/2)

(3)

頂管底部：

e2=(0.7h+H)γtg2(45°-φ/2)

(4)

(4) 底部垂直荷載

q2=(0.7h+H)γtg2(45°-φ/2)

(5)

(5) 荷載計(jì)算成果

將各參數(shù)代入上述公式，計(jì)算坍落拱高度h=19.5m。

頂部垂直荷載按q=270kN/m2；

頂部水平荷載e1=105.8kN/m2；

底部水平荷載e2=158.8kN/m2；

底部垂直荷載q2=158.8kN/m2。

3.3 頂管殼體受力分析

殼體受力按有限元法進(jìn)行分析，網(wǎng)格劃分采用實(shí)體單元，見圖2。材料采用Q235鋼材。約束見圖2中左側(cè)面，采用固定全約束，載荷為圖2中殼體外周，載荷按前述計(jì)算載荷。頂管殼體應(yīng)力分布見圖3，最大應(yīng)力為120N/mm2，小于鋼板設(shè)計(jì)強(qiáng)度210N/mm2。頂管殼體位移分布見圖4，最大位移為9mm。頂管殼體安全系數(shù)分布見圖5，最小安全系數(shù)為1.787。

圖2 頂管殼體有限元網(wǎng)格

圖3 頂管殼體應(yīng)力分布

圖4 頂管殼體位移分布

圖5 頂管殼體安全系數(shù)分布

3.4 推進(jìn)液壓系統(tǒng)

3.4.1推力計(jì)算

推進(jìn)力主要為外殼與土體摩擦力F1和頂管切口環(huán)切入土體阻力F2。

(1) 外殼與土體摩擦力

F1=BLC

(6)

式中：B為頂管殼體周長，取23m；L為頂管殼體平均長度，取5.5m； C為土體凝聚力，按在古土壤推進(jìn)考慮C=42.8kPa；F1=5 393kN。

(2) 切口環(huán)切入土體阻力

包括頂管端面阻力及切入土體內(nèi)側(cè)面與土體摩阻力：

F2=lδPw+TLC

(7)

式中：l為貫入面長度，包括頂管殼體刃腳周長及十字隔板長度，取36.5m；δ為刃腳厚度，取50mm；T為刃腳貫入土體深度，按0.5m計(jì)算；Pw為作用在頂管上的平均土壓,kPa;按頂部埋深60m土壓計(jì)算，Pw=hγ=1 200kPa。F2=2 682.2kN。

(3) 總需推力

F=F1+F2=8075.2 kN

(8)

3.4.2推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮克服土體阻力，并滿足頂管進(jìn)姿態(tài)調(diào)整需要。

(1) 液壓缸設(shè)計(jì)

液壓缸型號200/110-800mm，系統(tǒng)壓力30MPa，行程800mm，共布置16支液壓缸。

單支液壓缸推力：

式中:D=200mm，P=30MPa。F′=942kN。

系統(tǒng)總推力：16×942=15 072kN，大于總需推力。

(2) 推進(jìn)液壓系統(tǒng)布置

由于隧洞斷面為帶仰拱城門洞型，頂拱部位后靠鋼管片難以安裝，推力無法向后傳遞，液壓缸布置在拱肩以下，兩側(cè)邊墻各布置支只液壓缸，底拱布置支只液壓缸。為簡化操作，滿足糾偏需要，采用分區(qū)控制，即將16支推進(jìn)液壓缸按推進(jìn)特點(diǎn)劃分為5分區(qū)，單側(cè)墻上部3支、下部3支各為一個分區(qū)，底拱4支為一個分區(qū)，同時每支液壓缸可單獨(dú)控制，通過液壓缸推力控制調(diào)整頂管姿態(tài)。

液壓缸布置造成上下推力不均衡，會導(dǎo)致上下切口受力不均，易造成頂管抬頭，此時需依靠上部6支液壓缸獨(dú)立運(yùn)行糾偏，糾偏能力取決于頂管形心以上推力。

按3.4.1公式，B=12.3m，L=5.8m，l=19.2m,推力中心至形心力矩0.6m，其他參數(shù)同上，則形心上部頂管糾偏工況推力F=4 522.5kN，6支液壓缸推力5 652.0kN，滿足糾偏要求。

圖6 單片后靠管片計(jì)算模型及有限元網(wǎng)格劃分

圖7 單片后靠應(yīng)力

圖8 單片管片位移

圖9 單片管片安全系數(shù)分布

(3) 動力及附屬系統(tǒng)

液壓泵站布置以完成襯砌洞段，操作臺布置在頂管中部側(cè)邊，液壓泵站裝機(jī)30kW，溢流閥調(diào)定壓力31MPa，排量0.025L/rev。液壓泵站通過液壓油管與操作臺連接，油管長度取決于單循環(huán)開挖長度，沿側(cè)墻敷設(shè)，不對施工造成影響。

(4) 推進(jìn)系統(tǒng)后靠

推進(jìn)系統(tǒng)后靠由多個成“U”型結(jié)構(gòu)的鋼管片組成，單片長度為0.6m，為便于運(yùn)輸安裝，每片鋼管片由底板及兩側(cè)墻組成，構(gòu)件之間采用螺栓連接，上端通過槽鋼連接形成框架結(jié)構(gòu)。單片鋼管片受力采用有限元計(jì)算，推力按1 000kN考慮，最大應(yīng)力117N/mm2，最大位移0.325mm，最小安全系數(shù)1.885，單片管片受力滿足要求。鋼管片寬5m，每循環(huán)后靠總長度為10m，10∶5=2沒有壓桿穩(wěn)定性問題，后靠系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 總體施工程序

頂管推進(jìn)每個循環(huán)10m，開挖支護(hù)完成后對掌子面進(jìn)行噴混凝土封閉，拆除后靠鋼管片，進(jìn)行該段底拱及邊墻混凝土襯砌，待混凝土達(dá)到50%設(shè)計(jì)強(qiáng)度能承受頂進(jìn)推力后進(jìn)行下一循環(huán)頂進(jìn)開挖施工。

4.2 頂管頂進(jìn)施工工藝流程

頂管頂進(jìn)→開挖出土→上一循環(huán)混凝土噴護(hù)→工作面清理→頂管尾部鋼拱架拼裝→鋼管片后靠安裝→下一循環(huán)。

4.3 施工工藝及方法

(1) 頂管頂進(jìn)

頂管頂進(jìn)在上一循環(huán)鋼拱架及鋼筋網(wǎng)片安裝完成后實(shí)施。先安裝鋼管片后靠，鋼管片后靠分標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)和尾節(jié)2種，寬度為0.6m。每節(jié)均分為左側(cè)結(jié)構(gòu)、右側(cè)結(jié)構(gòu)、底部結(jié)構(gòu)3部分，頂部設(shè)連接梁。鋼管片需與上一節(jié)后靠試裝連接，以保證前后的匹配度，相鄰后靠通過M16螺栓連接。后靠安裝完畢，頂管液壓系統(tǒng)啟動，開始向前頂進(jìn)。根據(jù)設(shè)計(jì)，一次頂進(jìn)距離為0.6m，如土質(zhì)極差，頂進(jìn)可分2次進(jìn)行，圍土出露約0.3m后臨時噴護(hù)，之后再頂進(jìn)至設(shè)計(jì)位置。頂管頂進(jìn)由專人操作，注意頂進(jìn)方向與設(shè)計(jì)的一致性，以及分區(qū)液壓系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性。一般情況下，應(yīng)先啟動兩側(cè)油缸向前頂進(jìn)，再啟動底部油缸，如發(fā)現(xiàn)異常暫停頂進(jìn)排除故障后繼續(xù)頂進(jìn)。

降低阻力措施：利用頂管周邊8個漿孔注射膨潤土漿，根據(jù)研究及經(jīng)驗(yàn)，膨潤土漿可降低50%～70%摩阻力，并對周邊土體起到護(hù)壁作用。

(2) 開挖出土

頂管內(nèi)土方出渣方式采用小型反鏟裝車運(yùn)至洞外。開挖出土分兩次完成：在頂管推進(jìn)過程中，掌子面土體坍落形成自然坡度，由于頂管長度限制，部分土體散落在頂管內(nèi)及頂管后部一定范圍，此時開挖主要清除頂管尾部及后部土體，滿足脫空圍土快速噴錨封閉需要，該過程掌子面在堆土壓坡作用下是穩(wěn)定的；在錨噴支護(hù)完成后進(jìn)行第二次開挖，出土位置保證土體在頂管前部預(yù)設(shè)擋板附近，并形成約1∶0.5的坡面，安裝擋板支撐掌子面穩(wěn)定，擋板在下次推進(jìn)前拆除。

(2) 上一循環(huán)混凝土噴護(hù)

噴層總厚度為26cm，噴射分3～4層進(jìn)行，每層厚度6～8cm左右。頂管推進(jìn)到位后，立即進(jìn)行頂拱及邊墻的初噴，避免圍土松動變形。噴射自兩側(cè)向中間進(jìn)行，先對工字鋼翼緣后噴射，避免出現(xiàn)局部脫空。邊墻噴射時自下而上堆噴的方法，提高施工效率。

(3) 工作面清理

人工配合小型反鏟挖掘機(jī)對工作面進(jìn)行清理，清理范圍包括：頂管尾部待安裝鋼拱架區(qū)域、頂管后部待安裝鋼管片后靠處。

(4) 鋼拱架拼裝

鋼拱架采用Ⅰ20a工字鋼彎制，分段加工，并焊接鋼連接板現(xiàn)場連接。每榀鋼拱架間采用Ⅰ16工字鋼焊接連接，連接間距1.2～1.5m。鋼拱架安裝間距與后靠相適應(yīng)，嚴(yán)格按照0.6m控制，拼裝時與頂管殼體間保持約1～2cm的空隙，便于頂管推進(jìn)時順利脫出。拱架與殼體間鋪土工膜，防止頂管推進(jìn)后土體脫空后坍塌流泥，掛鋼筋網(wǎng)片固定。頂管頂進(jìn)0.6m，鋼拱架出露后，鋼拱架與圍土間存在約5～6cm的空隙，快速向空隙內(nèi)塞入干硬混凝土，確保工字鋼與圍土貼緊，承擔(dān)早期壓力。

(5) 糾 偏

為保證隧洞線，每個推進(jìn)循環(huán)進(jìn)行測量檢查。根據(jù)測量成果對下個推進(jìn)循環(huán)液壓缸運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行指導(dǎo)。推進(jìn)過程中專人量測液壓缸行程，檢查行程一致性，判斷頂管是否偏移及偏移程度。若發(fā)現(xiàn)頂管移位，首先利用油泵分區(qū)控制，向反方向增加推進(jìn)力量糾偏；或由人工在反方向適當(dāng)開挖，減少推進(jìn)阻力，輔助糾偏。

5 結(jié) 語

針對穿黃工程退水洞飽和黃土隧洞。通過對頂管結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)分析與設(shè)計(jì)，并對施工技術(shù)總結(jié)，得到了以下結(jié)論：

(1) 頂管殼體所受最大應(yīng)力為120N/mm2，殼體位移最大位移為0.9cm，均滿足安全性要求。

(2) 設(shè)計(jì)系統(tǒng)總推力為15 072kN，大于總需推力，滿足設(shè)備的推進(jìn)需求。

(3) 推進(jìn)系統(tǒng)后靠受力滿足要求，無壓桿穩(wěn)定性問題。

(4) 設(shè)計(jì)成果和施工過程總結(jié)證明了該設(shè)備在飽和黃土隧洞施工的可行性。