硬巖頂管卡滯原因分析及脫困技術研究

王寶友 黃 欣 楊慶輝

（中鐵十八局集團有限公司 天津 300222）

1 引言

頂管法作為非開挖敷設地下管道的施工方法，具有噪聲低、干擾小、快速、高效等優(yōu)點，在城市管網施工中得到了廣泛應用［1］。隨著我國基礎設施建設的全面展開，頂管法施工技術由城市管網逐漸走向山嶺隧道（洞）。山嶺隧道（洞）不同于城市管網，其地質多以巖石為主，長距離頂進是山嶺隧道（洞）施工不同于城市管網的顯著特征，這給頂管法施工帶來了新的挑戰(zhàn)。隨著頂進距離的增加，頂管法面臨的最大挑戰(zhàn)就是管道摩擦阻力逐步增加造成頂進速度降低甚至預制管卡滯。在這方面，諸多專家學者均進行了深入研究。韓選江［2］論述了直線和曲線頂管施工中影響頂推力的各種因素，通過頂力分析與計算，并結合大型頂管工程實例，針對其工程特點、場地惡劣環(huán)境和技術難度，詳細闡述頂進施工方法的實際應用及效果。王承德［3］對管道摩阻力計算公式進行詳細分析，并提出其適用范圍。王素偉［4］結合工程應用對特大管徑長距離機械頂管施工中容易出現(xiàn)的問題進行分析，提出了采用中繼間、加強注漿減阻以及頂管糾偏等措施解決長距離頂進問題。李萬才［5］則從觸變泥漿制作及注漿工藝方面提出了減阻措施。吳建軍［6］詳細闡述頂管機頂進方式、注漿減阻、中繼間使用等技術性問題，并借助工程實例提出了改進措施。張斌梁等［7］針對軟土地層卡管提出中繼套管頂推方案，并獲得成功。

針對預制管卡滯問題，現(xiàn)有研究多集中在如何降低頂管機長距離頂進期間摩擦阻力問題上，如減小超挖量［8］、注漿潤滑［9－10］、合理布置中繼間［11］等，且地質多為軟土、淤泥質土等，而對于巖石地層頂管機頂進期間預制管卡滯原因及脫困技術卻未見深入研究。本文將結合觀景口水利工程，分析巖石地層預制管卡滯原因，提出卡管位置判別方法、預制管脫困技術等，并就如何預防預制管卡滯提出針對性改進措施。

2 工程概況

觀景口水利樞紐是重慶市重點水源工程之一，輸水線路位于重慶東溫泉鎮(zhèn)至茶園段，線路總長21.6 km。其中，10座隧洞全長15.6 km，單洞最長3 193 m，開挖直徑為3.23 m，隧洞內徑2.65 m。采用硬巖頂管施工技術，泥水平衡頂管機頂進。

3 2#無壓洞工程地質條件

試驗段2＃無壓隧洞總長1 244 m，埋深4～120 m。該洞段圍巖主要有雷口坡組巖溶角礫巖、泥質白云巖、炭質頁巖及巖溶充填物；須家河組砂巖夾粉砂巖、泥巖及煤線；珍珠沖組泥巖、粉砂巖夾砂巖。

4 預制管卡滯經過及原因分析

4.1 預制管卡滯經過

2017年5月17日白班頂進時，2＃中繼間頂力接近1 500 t，夜班出現(xiàn)頂力達到1 600 t無法閉合1＃中繼間情況。截至2017年5月17日，頂管機共掘進548.9 m。5月21日，調高油壓使2＃中繼間頂力增加至2 100 t，仍然未能閉合1＃中繼間。在嘗試對2＃中繼間進行閉合時，出現(xiàn)3＃中繼間頂力增大至2 100 t無法閉合2＃中繼間情況。由此判斷1＃和2＃中繼間之間、2＃和3＃中繼間之間均出現(xiàn)某處預制管卡滯情況。

4.2 預制管卡滯原因分析

綜合評估頂管機受困狀態(tài)及各地段圍巖情況，分析管材受困可能因素如下：

（1）地質復雜，觸變泥漿流失、圍巖變形導致管材卡滯

2＃無壓隧洞已開挖完成部分，絕大部分地質屬于Ⅳ類和Ⅴ類圍巖，整體比較破碎，存在較長的須家河底部炭質頁巖區(qū)，從掘進出渣情況看，地質變化頻繁。

初步推斷，軟弱破碎圍巖缺乏自穩(wěn)能力，導致部分地段管材與洞壁之間空隙大部分被破碎巖體填充。

①圍巖中裂隙的存在，再加之地下水的作用，導致管道與洞壁間空隙內的觸變泥漿流失，致使管壁與洞壁之間未能形成有效的泥漿套，使得預制管與洞壁間摩擦系數(shù)急劇增大，增加了頂進阻力。

②部分地段存在軟巖變形，導致預制管被巖層緊密包裹，致使觸變泥漿作用空間減小，潤滑效果降低，摩阻力增大。在此種地層頂進，短距離時，靠中繼間頂力可以克服頂進正面阻力和管道周圍的摩擦阻力的聯(lián)合作用，但隨著掘進距離的增加，管周摩阻力就越來越大［12］，待正面阻力和管道周圍的摩擦阻力之和大于中繼間頂力時，就會造成“頂不動”情況發(fā)生。

（2）巖屑沉積

巖屑沉積為穩(wěn)定地層管周摩擦阻力增大的主要因素。主要有兩方面的原因造成巖屑沉積，一是泥水分離器分離效果差，致使部分泥渣隨進漿被再次帶至刀盤開挖倉中，導致開挖下來的巖屑部分沉積在管材四周；二是因地層相對穩(wěn)定，巖石頂管機盾體與洞壁間間隙較大，因此極易造成頂管機頂進期間刀盤開挖倉內泥漿（含有大量碎渣）沿盾體與洞壁之間間隙返灌至預制管區(qū)域，并沉積在預制管底部。

5 預制管脫困技術

5.1 脫困方案比選

根據(jù)現(xiàn)場地質情況及預制管可能的卡滯原因，提出了預制管背后沉渣沖洗清理、分段破管增加中繼間兩種方案。按照安全、高效、成本低、可操作性強原則，首選預制管背后沉渣沖洗清理方案。若成功，則恢復頂進；否則，采取預制管破除方案。

5.2 預制管背后沉渣沖洗清理

在不影響管材結構的前提下，利用水鉆分段在預制管底部開φ230 mm的孔，利用高壓沖洗機沖洗底部沉渣，沖散且手工清理后進行封堵，并及時補注觸變泥漿。

沖洗完成后，嘗試頂進，未能實現(xiàn)脫困。分析認為，阻力較大部位主要為炭質頁巖（102環(huán)至82環(huán)），該段管節(jié)與洞壁密貼，圍巖由粘泥夾雜大塊巖石組成，具有遇水軟化及微膨脹性。雖然增加開孔數(shù)量、加大沖洗范圍和高壓注膨潤土，也未能實現(xiàn)脫困。在管壁沖洗無效的情況下，只有通過增加單管節(jié)平均受到的頂力，才有可能使管節(jié)重新恢復頂進。

5.3 分段破管增加中繼間

5.3.1 安裝應變計，確定卡管位置

要破除預制管，就要首先確定受困點。方法為在管材表面安裝應變計，如圖1所示。

圖1 管材表面布設應變計

由3＃中繼間向2＃中繼間方向施加頂力，再由2＃中繼間反向向3＃中繼間施加頂力，監(jiān)測應力變化趨勢，從而確定頂力傳遞消失位置。管節(jié)應力傳遞規(guī)律如圖2所示。

圖2 管節(jié)應力傳遞規(guī)律曲線

通過應力傳遞規(guī)律曲線分析可知，3?！?＃中繼間之間阻力最大部位處于96＃管～83＃管之間，3＃中繼間頂力在傳遞至93＃管后基本上消失殆盡。對目前頂管受困現(xiàn)狀綜合分析后，決定對87＃管、91＃、95＃管進行拆除，完成后首先閉合95＃管；然后在91＃管位置安裝臨時中繼間；最后通過91＃管臨時中繼間閉合87＃管并向前頂進，以實現(xiàn)脫困。

5.3.2 預制管拆除、支護及閉合

（1）預制管拆除

以91＃管為例，鉆孔前首先在91＃管內部擬鉆孔位置環(huán)向畫出基準線，以基準線為標準環(huán)向鉆孔，使孔位準確、偏差可控。先用φ100 mm的水鉆環(huán)向連續(xù)鉆孔2道，將一節(jié)管材分成3部分，如圖3所示；然后鉆φ38 mm充填膨脹劑的孔，間距20 cm，如圖4所示。預制管兩側φ38 mm孔在軸線方向距離兩端面間距大于鋼承口在本節(jié)管道內長度，目的是控制膨脹劑預裂混凝土時不破壞鋼承口，在管道閉合時通過鋼承口焊接連接相鄰管道。按此方案同步拆除 87＃、95＃管。

圖3 φ100 mm孔環(huán)向連續(xù)鉆孔展開布置示意

圖4 φ38 mm孔環(huán)向連續(xù)鉆孔展開布置示意

（2）隧洞支護

對91＃預制管拆除段裸露巖層進行分析，炭質頁巖較為松散，遇水極易脫落沉降。從拆除段看，巖層已完全將預制管抱死，決定對拆除段巖層擴挖，外擴至φ3.65 m，采用 14鋼拱架＋網噴進行支護。支護完成后，對未拆除段92＃、93＃、94＃預制管外側巖層采用風鏟進行擴徑處理。

（3）預制管閉合及中繼間安裝

閉合95＃管并安裝91＃管位置臨時中繼間；然后通過91＃管位置臨時中繼間閉合87＃管并向前頂進。

預制管拆除并完成隧洞支護后開始按計劃頂進，3＃中繼間向前頂進96＃管，96＃管順利向前移動，95＃管留下的鋼承口與94＃管的鋼承口順利對接，然后進行兩個鋼承口的焊接。焊接完成后支模澆筑環(huán)氧砂漿，為保證環(huán)氧砂漿澆筑質量必須保證焊縫焊接牢固、嚴密不透水。最后在鋼承口位置安裝工字鋼骨架，95＃管閉合完成，如圖5所示。

圖5 95#管閉合

閉合95＃管的同時用環(huán)氧砂漿將91＃管兩個端面找平，完成后，安裝臨時中繼間油缸，如圖6所示；之后，用3＃中繼間將92＃管與臨時中繼間閉合；再利用臨時中繼間向前推動90＃、89＃、88＃管與 86＃管閉合，并繼續(xù)頂進至2＃中繼間閉合。至此2＃和3＃中繼間之間預制管脫困成功。后采用拆管方案解決了1＃和2＃中繼間之間預制管卡滯問題。至此預制管全部脫困成功。

圖6 中繼間安裝

6 預制管防卡措施

（1）提高膨潤土潤滑效果

在不良地質段施工期間，節(jié)理較發(fā)育，且存在裂隙水，膨潤土流失嚴重，未能形成有效的觸變泥漿套，以至于摩阻力增大。在選擇高質量膨潤土的基礎上，可考慮引入潤滑效果較好且可以填充巖層裂隙的高分子材料，注入預制管背后空隙，以降低摩擦阻力。

（2）提高前部預制管觸變泥漿注漿效果

配置兩套觸變泥漿注漿系統(tǒng)，一套集中填充1?！?＃預制管背后空隙，確?？障赌軌虻靡约皶r填充，提高潤滑效果，同時也可部分阻止刀盤部位泥渣的侵入；另一套系統(tǒng)則用于補充觸變泥漿。前期，觀景口項目觸變泥漿泵控制泥漿閥站達24個以上，致使第一環(huán)預制管背后空隙難以及時充滿觸變泥漿；改進后，填充及潤滑效果明顯改善。

（3）購置分離效果較好的泥水分離器

因預制管背后沉渣過多，除巖層剝落外，泥水分離器分離泥渣不徹底導致部分泥渣再次被帶入刀盤開挖倉，且開挖倉泥漿攜渣效果不佳，以至于過多的泥渣未能有效帶出。建議采購可以拌制攜渣泥漿且分離效果較為理想的泥水分離器，通過攜渣泥漿提高泥渣吸出效率，同時提高渣水分離效果。

（4）優(yōu)化中繼間空間布置

為應對較為復雜的地質情況，提高單預制管平均所受頂推力，降低預制管卡滯幾率，可考慮縮短中繼間布置間距。觀景口項目最初設計每150 m布置一套中繼間，后在不良地質占比較高的隧洞調整為100 m安裝一套，取得了較好效果。

7 結束語

巖石頂管機在超長距離山嶺隧道（洞）中施工，預制管卡滯是頂進過程中最可能遇到的問題。通過本次預制管脫困處理，積累了一定的經驗。但在此過程中，也曾走了不少彎路，如最初采用沉渣沖洗清理，就沒有起到應有的效果。因此，卡管處理的重點是要準確分析原因，制定針對性措施。當然，在長距離隧道（洞）中采用頂管機施工，最關鍵的還是要首先考慮解決如何降低管周摩阻力問題，如采購優(yōu)質膨潤土、高效的泥水分離設備、縮短中繼間布置間距、安裝清渣裝置等以杜絕預制管卡滯問題的出現(xiàn)方為上策。