復(fù)雜地質(zhì)條件下超長距離頂管脫困措施分析

劉丙森

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司， 重慶 400707)

頂管施工技術(shù)屬于非開挖施工方法，經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)成為地下工程非開挖技術(shù)發(fā)展方向。該施工技術(shù)具有機械化、自動化施工程度高、施工質(zhì)量好、施工效率高、進度快、地下作業(yè)人員少、地面擾動小和安全保障性高等優(yōu)勢，在國內(nèi)外交通、電力和石油等行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，但在水利行業(yè)中頂管技術(shù)應(yīng)用較少，主要是由于其他行業(yè)常用盾構(gòu)機斷面直徑大，水利工程隧洞一般用于引水，斷面直徑較小。在重慶觀景口水利樞紐工程建設(shè)中，為了滿足小斷面直徑的輸水隧洞施工，首次采用了長距離硬巖頂管施工技術(shù)，這在國內(nèi)水利行業(yè)尚屬首例，目前已被納入水利部先進技術(shù)示范項目。

1 頂管施工卡管現(xiàn)象

長距離硬巖頂管施工技術(shù)在觀景口項目的應(yīng)用初期，經(jīng)歷了一個技術(shù)探索及研究試驗的階段。試驗段2號無壓隧洞位于巴南區(qū)東溫泉鎮(zhèn)槐園村，總長1 258 m。隧洞穿越桃子蕩背斜，地形起伏較大，埋深4～120 m。頂管施工通過諸如軟巖、斷層帶和風(fēng)化巖等軟弱圍巖時往往會由于強烈擠壓變形和破壞發(fā)生卡管事故，這是制約長距離硬巖頂管施工效率的重要因素。

2017年5月17日，白班接近1 500 t的頂力，夜班頂力達到1 600 t，致使1號中繼間無法閉合，兩天掘進10 m，至此共掘進548.9 m。5月20日到21日，海瑞克操作手Holger安排涂抹石膏進行簡單傳力分析、補注膨潤土并繼續(xù)閉合中繼間。5月21日，繼續(xù)閉合效果不好，調(diào)高油壓使中繼間頂力增加至1 700 t，仍然不能順利閉合，后采用增加2號中繼間油缸的辦法使頂力達到接近1 900 t，2號中繼間油缸緩慢收回至58 mm，即又出現(xiàn)無法繼續(xù)回收的情況。5月28日，召開業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計、施工及海瑞克等各方參加的處理方案討論會，根據(jù)海瑞克多次處理其他類似項目的成功經(jīng)驗，決定進行脫困嘗試，同時邀請重慶大學(xué)、重慶交通大學(xué)及中國地質(zhì)大學(xué)教授,以及海瑞克專家到現(xiàn)場指導(dǎo)脫困工作，并成立2號無壓隧洞脫困施工領(lǐng)導(dǎo)小組。

2 卡管原因分析

2.1 地質(zhì)復(fù)雜，圍巖變形導(dǎo)致卡管

2號無壓隧洞段已施工絕大部分屬于IV類和V類圍巖，圍巖整體比較破碎，存在較長的須家河底部炭質(zhì)頁巖區(qū)(2號無壓隧洞地質(zhì)情況分布見圖1)，從掘進出渣情況看，圍巖軟弱、破碎，地質(zhì)變化快。圍巖變形導(dǎo)致管材與洞壁之間超挖量因圍巖收斂而變小，通過局部鉆孔分析判斷，部分洞段已經(jīng)沒有間隙，從而導(dǎo)致卡管[1]。

圖1 2號無壓隧洞地質(zhì)情況分布圖

2.2 膨潤土失效

2號無壓隧洞的地質(zhì)形成相對復(fù)雜，裂縫大，膨潤土損失嚴重，導(dǎo)致所持壓力不穩(wěn)定。頂進施工過程中，反復(fù)注入膨潤土改變了這一狀況，效果可觀，但損失也相對嚴重，這一施工過程中膨潤土的使用量是平常結(jié)構(gòu)的15倍。

2.3 邊刀磨損及巖屑沉積

邊刀磨損導(dǎo)致施工效率降低，部分施工量減小，施工進度下降，管壁間隙減小[2]。石屑無法正常流通，挖掘槽圍繞管道沉積，顆粒巖石填補了管道和管壁之間的空隙，一些切削顆粒和膨潤土黏合，使摩擦力變大。

3 解決卡管的處理方案

綜上分析，管材受困是綜合原因作用的結(jié)果，但地質(zhì)因素占主導(dǎo)?；谶@一判斷，根據(jù)地質(zhì)雷達檢測，綜合分析開挖過程中各種地質(zhì)條件，依據(jù)海瑞克在世界范圍內(nèi)的相關(guān)卡管處理經(jīng)驗，確定實施方案如下：通過管孔底部沖洗沉積物，降低管道底部的泥沙支撐作用，使其向下移位，減小摩擦力，從而恢復(fù)頂進；同時在管材內(nèi)部安裝應(yīng)變計，監(jiān)測管道表面的應(yīng)力變化，確定主要受困點，重點沖洗，并檢查沖洗效果。海瑞克在其他類似項目工程中遇到過相同問題，通過沖洗有成功實現(xiàn)脫困并重新開始作業(yè)的事例。

3.1 管材底部開孔沖洗沉渣

管內(nèi)開孔沖洗也是目前硬巖頂管施工中較為常用的方法[3]。采用此方法非常實用，可以處理簡單的卡管故障。

圖2 103～137環(huán)底部清理石渣情況

82～102環(huán)地質(zhì)主要為炭質(zhì)頁巖，清理出的石渣主要為黑色粘泥、黑色顆粒和硬度較低的石塊。管道后面的石渣極為密實，且離管道近，用高壓水沖洗非常困難。黑色黏泥附著力好，黏合緊密，不易被高壓水沖走。此外，86～91環(huán)有裂隙水，管后有大塊灰?guī)r，管壁附近有塊石。

3.2 安裝應(yīng)變計監(jiān)測管材表面應(yīng)力分布

安裝應(yīng)力計，在2～3號中繼間之間安裝31個，1～2號中繼間之間安裝31個，之后在80～86環(huán)管之間進行加密布置。通過不同時間段對應(yīng)力監(jiān)測的結(jié)果對比分析，沖洗效果不佳，力的傳遞距離并未有效增加(圖3—圖4)。然而，應(yīng)力監(jiān)測的結(jié)果不能準(zhǔn)確反映管道的應(yīng)力狀態(tài)，只能反映受力變化的一種趨向。

圖3 3號中繼間施加頂力管節(jié)測點處應(yīng)力曲線圖(80～137環(huán)管節(jié))

圖4 2號中繼間施加1 800 t頂力管節(jié)測點處應(yīng)力對比曲線圖

準(zhǔn)備工作和沖洗循環(huán)結(jié)束后，在專家指導(dǎo)下，又再次嘗試頂進，效果不理想，未能完全擺脫困境。基于這一情況，經(jīng)專家小組研究，決定增加分段破管的臨時方案恢復(fù)設(shè)備頂進，盡快恢復(fù)1號機組的施工。

4 分段破管增加臨時中繼間方案

4.1 總體方案與施工工藝

根據(jù)之前已完成工作及對頂管受困現(xiàn)狀綜合分析及判斷，認為3～2號中繼間之間阻力最大部位處于83～96環(huán)管之間，3號中繼間頂力在傳遞至96環(huán)管后基本上消失殆盡。為了盡快實現(xiàn)1號頂管機再次頂進，總體方案安排如下：

選擇95環(huán)、91環(huán)和87環(huán)三節(jié)管進行破除，用3號中繼間分段試頂，逐步實現(xiàn)脫困。如果不能順利脫困，則相應(yīng)增加破除的管節(jié)。95環(huán)和87環(huán)管節(jié)全部破除，91環(huán)管節(jié)破除中間1.5 m長度的管道，兩端保留50 cm完好管道安裝中繼間。破除完成后立即進行支護，支護采用14號工字鋼掛網(wǎng)噴錨。噴錨養(yǎng)護結(jié)束后，對91～95環(huán)之間管道和87環(huán)管道兩端進行沖洗，沖洗后采用3號中繼間閉合95環(huán)管節(jié)，同時在91環(huán)管節(jié)處安裝中繼間。在管節(jié)破除的同時對1～2號中繼間之間管道鉆孔并安裝循環(huán)沖洗系統(tǒng)，確保在91環(huán)管節(jié)中繼間安裝完成前結(jié)束1～2號中繼間之間管道的沖洗，配合91環(huán)管節(jié)中繼間往前頂進，直至完全脫困。

4.2 施工工藝流程

破管脫困施工工序較多，為確保總體施工質(zhì)量，每個環(huán)節(jié)都需要做好過程質(zhì)量控制，具體施工工藝見圖5。

圖5 破管脫困施工工藝流程圖

4.3 管材破除

通過應(yīng)力監(jiān)測，確定了第一個連續(xù)環(huán)向鉆孔位置為95環(huán)，當(dāng)3號中繼間頂力為1 800 t時，檢測到表面應(yīng)變微弱(見圖6)。根據(jù)力已經(jīng)傳遞到這一點的判斷，在該位置環(huán)向連續(xù)鉆孔，這樣它就有一個臨空面，更容易被推動。

圖6 應(yīng)力監(jiān)測曲線圖

4.4 支 護

管材破除后，應(yīng)立即對95環(huán)、91環(huán)、87環(huán)管接頭的破裂部位進行支護，在91環(huán)管接頭中繼間頂進過程中，根據(jù)現(xiàn)場情況對圍巖進行支護，預(yù)防安全事故的發(fā)生[5]。具體施工措施為91環(huán)管中繼間每次頂進60 cm后回收中繼間油缸，立即支護60 cm范圍內(nèi)圍巖。支護完成后，再將頂管機向前推60 cm，然后回收油缸支撐，這樣頂管機循環(huán)向前推進，直至完全自由為止。

4.5 管道沖洗

支護施工操作后，利用高壓水槍對95環(huán)、91環(huán)管段之間以及87環(huán)管段兩端進行沖洗，增大管道外壁與圍巖的間距，并及時處理管道底部的泥沙和沉積物，使管道頂推順利進行，保證施工進度。

4.6 管節(jié)閉合與安裝臨時中繼間

管道沖洗后，首先閉合95環(huán)管道，并在91環(huán)管道上安裝臨時中繼間；然后閉合87環(huán)管，通過91環(huán)管臨時中繼間向前頂進。3號中繼間用于將96環(huán)管向前頂進，對接95環(huán)、94環(huán)管的鋼承口，然后將其焊接。為保證環(huán)氧砂漿的施工效果，焊縫須焊接牢固、無縫隙，同時須緊密、防水。焊接完成后，立模并澆注環(huán)氧砂漿，完成95環(huán)管的閉合。閉合95環(huán)管時，91環(huán)管的兩個端面用環(huán)氧砂漿整平。與92環(huán)管連接處50 cm的混凝土端面，安裝一個2 cm厚環(huán)形鋼板，作為臨時中繼間的傳力環(huán)，并在擴挖的間隙內(nèi)安裝1 cm厚鋼筒，作為臨時中繼間外支撐，與環(huán)形鋼板焊接連接。焊接施工操作完成后，將1 cm厚的鋼環(huán)連接到90環(huán)管的混凝土內(nèi)襯上，并將其焊接到環(huán)形鋼板上。完工后，安裝臨時中繼油缸。然后，使用3號中繼間與臨時中繼間閉合92環(huán)管，利用臨時中繼間推進90環(huán)、89環(huán)、88環(huán)，與86環(huán)管閉合。

4.7 1～2號中繼間之間管道沖洗

拆除95環(huán)管接頭時，對1～2號中繼間之間的管道進行鉆孔和沖洗，漿液進出口循環(huán)沖洗采用80 mm球閥。每三環(huán)管道分為一組，每環(huán)開2個孔，共5組(76～78環(huán)、63～65環(huán)、46～48環(huán)、35～37環(huán)、25～27環(huán))30個孔，環(huán)向間距1 m?？紤]到地下水較為豐富的因素，宜先安裝鋼板、球閥等構(gòu)件后，再在球閥內(nèi)鉆孔。鉆孔結(jié)束后，立即進行止水，再鉆下一個孔，鉆完后可以對每組管道分別進行沖洗[6]。沖洗完所有管道后，配合91環(huán)管臨時中繼間向前頂進。

4.8 向前推進

管材破除后，在圍巖穩(wěn)定的情況下，將管材四周與圍巖之間的沉渣清理干凈，然后直接推進。在此過程中，應(yīng)控制底部高程。在周圍巖石不穩(wěn)定的情況下，收回臨時中繼間油缸后，在臨空位置進行擴挖并搭設(shè)鋼拱架及圍巖噴護。在繼續(xù)推進前，完成底部弧形臺施工，以確保管材推進過程高程可控[7]。全部準(zhǔn)備工作完成后，使用臨時中繼間繼續(xù)前進，反復(fù)循環(huán)操作，直到全部穿過圍巖破碎地帶。持續(xù)推進過程中，后部不斷注入膨潤土，以盡快降低摩阻力[8]。由于從80～95環(huán)管節(jié)位置的地質(zhì)情況分析，全部處于炭質(zhì)頁巖區(qū)段，因此后續(xù)的80～95環(huán)管位置需要全部進行支護，支護總長30 m。

4.9 拆除臨時中繼間

脫困工作直至可以正常頂進為止。鑒于臨時中繼間位置未使圍巖處于封閉狀態(tài)，需拆除臨時中繼間，實現(xiàn)92環(huán)管、90環(huán)管的閉合，其關(guān)閉合方法與95環(huán)管處理方法相同。閉合完成后，進入正常施工操作。

5 結(jié) 語

在長距離頂管工程中，易發(fā)生卡管工程問題。處理此故障可通過在頂管位置破斷管段，安裝臨時中繼間，有效縮短中繼間之間的距離，減少局部頂距，從而成功減小頂力。長距離、復(fù)雜地質(zhì)卡管脫困技術(shù)在實際項目中的成功應(yīng)用，充分突顯了該技術(shù)的實用、先進、可靠、高效率和安全性，可以達到高速及高效施工的效果，也為今后處理類似疑難雜癥積累了寶貴經(jīng)驗。