大直徑巖石頂管在廣州北江引水工程（水源工程）3#隧洞的應(yīng)用

趙 軍

（廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 510635）

清遠市清城區(qū)源潭鎮(zhèn)赤獅坑村原址在2020年上半年因強降雨引發(fā)山洪沖毀,根據(jù)清遠市清城區(qū)《區(qū)政府常務(wù)會議決定事項的通知》（[2020]116 號精神,擬于2021年春節(jié)前完成赤獅坑村整村搬遷異地安置工作。新村占地面積約42 畝,選址部分位于廣州北江引水工程（水源工程）3#隧洞上方,占壓3#隧洞進口段約130 m。新村設(shè)計地面高程距設(shè)計洞頂距離為8.6 m～10.0 m,如果按照隧洞段爆破施工,不僅會對居民生活產(chǎn)生嚴重干擾,且對房屋結(jié)構(gòu)安全影響很大,極易對房屋造成開裂等破壞。目前赤獅坑村新村一期工程已完工,鑒于此,3#隧洞開挖方式采用巖石頂管是非常有必要的。

1 工程概況

廣州北江引水工程建成后,對北江水資源利用率有效提高,讓北江水資源在清遠地區(qū)段更合理高效,對區(qū)域水資源配置達到更優(yōu)。引水工程實施后,極大緩解了花都區(qū)未來的水資源供需矛盾,對確保國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展和人民生活水平持續(xù)提高有著重大的意義。

2 3#隧洞工程地質(zhì)

根據(jù)勘探揭露,隧洞圍巖大部分為弱風(fēng)化～微風(fēng)化花崗巖,巖質(zhì)堅硬,飽和單軸抗壓強度范圍值32.10 MPa～100.00 MPa,平均55 MPa,巖體完整性系數(shù)多為0.60～0.79,屬堅硬巖石,屬較破碎～較完整。隧洞大部分位于弱風(fēng)化花崗巖體中,巖體較完整～完整性差,呈鑲嵌～塊狀結(jié)構(gòu),圍巖基本穩(wěn)定,局部穩(wěn)定性差,圍巖以Ⅲ類為主。

3 頂管設(shè)計方案

3.1 頂管工程布置

3#隧洞布置示意圖見圖3,巖石頂管段,管線長約689 m,鋼管型號為D3000×34 SP,板材為Q345 B-Z,單管鋪設(shè),施工時布置4 個中繼間,頂管進口布置一個頂管井,在出口布置一個接收坑。

3.2 頂管結(jié)構(gòu)計算

土層段頂管強度計算采用《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS246-2008）中的式（8.2.1-1）～式（8.2.1-4）計算：

式中：σQ為鋼管管壁橫截面最大環(huán)向應(yīng)力,N/mm2；σx為鋼管管壁的縱向應(yīng)力,N/mm2；σQ為鋼管管壁的最大組合折算應(yīng)力,N/mm2；η為應(yīng)力折減系數(shù),可取η=0.9；f 為管材的強度設(shè)計值。

巖層段頂管強度計算采用《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》（SL 281-2003）中的式（B.2.1-1）和式（6.1.5）計算,計算過程與結(jié)果見表1。

表1 頂管結(jié)構(gòu)計算表

式中：Pcr為臨界外壓,N/mm2；σs為鋼材屈服點,N/mm2；P0為徑向均布壓力,N/mm2；r 為鋼管（鋼襯）內(nèi)半徑,mm；t0為鋼管（鋼襯）管壁計算厚度,mm。

計算典型斷面位置的選取與地質(zhì)條件有關(guān)。在巖層中,外水壓力是起控制作用的荷載,圍巖壓力荷載可忽略不計,因此計算典型斷面應(yīng)選在地下水位最高的位置。在土層中,土壓力是起控制作用的荷載,因此計算典型斷面應(yīng)選在覆蓋層最高的位置。經(jīng)計算,鋼管管壁的最大組合折算應(yīng)力σQ=13.17 N/mm2,臨界外壓Pcr=3.27 N/mm2,滿足設(shè)計要求。

3.3 頂管允許頂力計算

頂管中繼間數(shù)量按照《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS 246-2008）中的式（12.4.4）估算,頂管傳力面允許的最大頂力采用式（8.1.3）計算,頂管的總頂力采用式（12.4.1）估算。計算過程與結(jié)果見表2。

表2 頂管頂力計算表

式中：Fds為鋼管管道允許頂力設(shè)計值,N；1為鋼材受壓強度折減系數(shù)；3為鋼材脆性系數(shù)；4為鋼管頂管穩(wěn)定系數(shù)；fS為鋼材受壓強度設(shè)計值,N/mm2。

續(xù)表2

在長距離頂管施工中,為了將整段管道分段推進,減少總頂力和后靠背的反作用力,常設(shè)置中繼間。根據(jù)計算需設(shè)置4 個中繼間,即本段頂管采用平均每隔大約138 m設(shè)一中繼間。總頂力為9028 kN,小于鋼管允許頂力設(shè)計值26474 kN,滿足設(shè)計要求。

3.4 頂管出發(fā)井設(shè)計

頂管出發(fā)井采用方形沉井結(jié)構(gòu),凈長L=11 m、凈寬B=7 m；沉井結(jié)構(gòu)總高度H=11 m,井壁為變截面,下部厚C1=1 m,上部厚C2=0.75 m；洞口用4 排旋噴樁φ600@450 咬合加固,加固寬度1.95 m,加固樁長10.5 m,后靠背用2 排旋噴樁φ600@450 咬合加固,加固寬度1.05 m,加固樁長10.5 m。

3.5 頂管接收坑設(shè)計

頂管接收坑結(jié)合埋管施工采用大開挖方式,洞口用6 排旋噴樁φ600@450 咬合加固,加固寬度2.85 m,加固樁長10.5 m。

4 頂管機選型

4.1 頂管機選型原則

（1）適應(yīng)性原則：須與周邊地形、建筑物條件相適應(yīng),與管道地質(zhì)條件相適應(yīng),與設(shè)計條件（頂管長度、直徑、管材、覆土深度、坡比等）相適應(yīng)。選用頂管機刀具要考慮切削巖石強度超過100 MPa,對掘進安全留有余地。

（2）可靠性原則：頂管機設(shè)計的可靠性,使用壽命的耐用性,設(shè)備的維修性等。

（3）安全性原則：隧洞頂進過程中,頂管機在地下環(huán)境的安全及施工人員安全等。

（4）經(jīng)濟性原則：頂管機性價比高,適用范圍廣,施工速度快,施工質(zhì)量高,棄土處理容易且處理成本低。

4.2 頂管機選型

根據(jù)3#隧洞地質(zhì)條件,應(yīng)主要選用巖石類頂管機。巖石類頂管機大多采用泥水形式,一方面便于刀具散熱冷卻,另一方面便于切削的巖渣通過排泥管排出。

針對3#隧洞地質(zhì)條件和設(shè)備選型原則,設(shè)備能滿足以下地質(zhì)與環(huán)境的要求：

（1）具有較強的一次破碎和二次破碎功能,盤面上具有滾刀和刮刀,各種地層均可掘進。能適用于復(fù)合地層或某種單一地層頂管掘進的要求,如粉土層、砂土層、淤泥層、粘泥地層,泥石混合地層、卵礫石層、有磚塊、石塊、建筑垃圾的人工回填土、至少130 MPa 以下弱風(fēng)化花崗巖層等地層；

（2）刀盤驅(qū)動采用變頻無級調(diào)速（0～3.6 r/min）,滿足上述地質(zhì)正常掘進及其巖石漂石破碎后輸送的要求；

（3）集迷宮密封、沙密封、水密封、油密封等為一體的密封結(jié)構(gòu),保證5 bar 以下水壓全封閉密封施工；

（4）配備對掘進面泥水壓力調(diào)整的功能,滿足泥水平衡控制的要求,同時滿足淺深覆土情況下的壓力平衡控制；

（5）配備液壓控向糾偏系統(tǒng),最大調(diào)整角度不小于2.5 度,滿足線隧道糾偏施工；

（6）為保證在土層具有較高的頂進效率,刀盤開口率20%以上。配置前、后、外三種供水方式,當(dāng)設(shè)備在硬巖或粘性土壤中掘進時,需要啟動錐形破碎板前部的進漿噴嘴。可有效地防止粘泥質(zhì)地層掘進刀盤結(jié)泥餅、糊刀盤等問題。

為滿足本工程施工要求,本工程可選用復(fù)合式巖石破碎泥水平衡頂管機,確保設(shè)備自動化程度高,可操作性強,工效高,安全性高,地層適應(yīng)能力強,具備巖石層頂進能力。具體的設(shè)備型號由施工單位根據(jù)以上原則和設(shè)備價格,以及本單位管理要求自行選擇。

4.3 頂管機施工工藝流程

（1）頂管施工工藝流程主要包括施工準備、設(shè)備安裝與調(diào)試、始發(fā)、頂進、測量導(dǎo)向與糾偏、中繼間安裝、主機回退/拆卸與轉(zhuǎn)場、中繼間頂進與拆卸、泥漿置換與接縫處理等[1]。頂管施工工藝流程見圖1。

圖1 頂管施工工藝流程

（2）施工過程中,通過地面操作室控制,實現(xiàn)自動化施工。

4.4 頂管施工過程中應(yīng)注意的問題

（1）避免軸線偏差過大,否則容易造成管道彎曲導(dǎo)致變形或損壞等。

（2）避免地面沉降或隆起,頂管施工過程中需做好復(fù)測及糾偏工作,重要部位頂進完成后需二次注水泥漿,確保泥漿固結(jié)后空腔的填充。

（3）避免頂力突然增大,頂進過程中需做好維護保養(yǎng),根據(jù)不同地質(zhì)段調(diào)整減阻泥漿參數(shù)。

（4）避免掌子面土體坍塌,需隨時觀察土質(zhì)和泥水艙壓力的變化情況,確保出土量與掘進方量基本吻合,注意前方壓力平衡情況。

5 結(jié)語

3#隧洞全長約689 m,巖石頂管掘進正常是3 m/d～6 m/d,約75 m/月～125 m/月,平均100 m/月,則施工工期約7 個月,加上始發(fā)井施工時間2 個月,初估全頂管合計工期10 個月。3#隧洞作為工程的重難點部位目前已按設(shè)計方案順利完成,說明廣州北江引水工程（水源工程）的3#長隧洞采用巖石頂管方案是合適的。