大坡度巖石頂管施工關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

劉新星

(中國水利水電第五工程局有限公司,成都 610066)

0 引言

頂管施工是繼盾構(gòu)施工后,發(fā)展起來的一種新型的隧道工程暗挖技術(shù)。頂管施工技術(shù)在對土層的適應(yīng)性范圍、周邊環(huán)境的保護(hù)、周圍設(shè)施的施工擾動、施工安全可靠性、施工質(zhì)量保證及施工經(jīng)濟效益等方面具有較大的優(yōu)越性[1-3]。近年來,隨著我國水利工程的快速發(fā)展,頂管施工技術(shù)應(yīng)用場景不斷擴充。鄧章鐵等[4]采用反頂對接施工技術(shù)并結(jié)合項目實際對頂管對接關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究;Zhang P et al.[5]以拱北隧道為例,對曲線頂管關(guān)鍵技術(shù)所面臨的最具挑戰(zhàn)性的方面進(jìn)行了總結(jié),并介紹了施工過程中采用的相關(guān)技術(shù);韓紅等[6]對硬巖頂管施工工藝及配套輔助系統(tǒng)進(jìn)行了介紹;楊慶輝[7]分析了長距離巖石頂管工程面臨的施工風(fēng)險,總結(jié)了長距離巖石頂管施工關(guān)鍵技術(shù);STERLING R L[8]討論了頂管和微隧道方法的應(yīng)用,并介紹了規(guī)劃、設(shè)計和施工的各個方面。

綜上所述,目前國內(nèi)外對頂管施工技術(shù)展開了大量研究,包括頂管工程的基本原理、國內(nèi)外工程經(jīng)驗及相關(guān)理論等,但是缺少對大坡度巖石頂管的施工研究。鑒于此,本文依托西彭水廠連通線大石路高地頂管項目,介紹大坡度巖石頂管的施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

西彭水廠連通線用于連通渝西工程東干線和嘉陵江干線,屬于嘉陵江干線草街泵站向西彭水廠的備用輸水線。連通線全長約18.06 km,設(shè)計為一根φ1.2 m的球墨鑄鐵管,設(shè)計流量1.2 m3/s。其中,全線頂管共17處,長約4.27 km,埋管長約13.79 km。西彭水廠連通線管道沿線淺丘與槽谷交錯分布,槽谷內(nèi)覆蓋層一般厚約1～4m,局部地段覆蓋層較厚,約5.0～13.3 m;沿線基巖巖性多為泥巖、粉砂巖、砂巖,少量頁巖,管溝開挖覆蓋層為普通土,強風(fēng)化帶基巖為硬土,弱風(fēng)化泥巖、粉砂巖為軟石,弱風(fēng)化砂巖為次堅石。其中大石路高地頂管段長253.88 m,始發(fā)端與接收端高差約28.97 m、坡度高達(dá)6.55 °(見圖1),對頂管施工工藝要求嚴(yán)格,施工難度極大。

圖1 大石路高地頂管剖面

2 頂管施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 巖石頂管機選型與安裝原理

結(jié)合西彭水廠聯(lián)通線大石路高地頂管施工范圍內(nèi)地勘資料及現(xiàn)場實際情況,在保證項目安全、質(zhì)量、進(jìn)度前提下,結(jié)合項目設(shè)計報告及頂管專業(yè)施工經(jīng)驗,頂管采用泥水平衡施工工藝,選用全斷面巖石頂管機。頂管機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 頂管機主要技術(shù)參數(shù)

所述的巖石頂管機有幾個主要特點,使其非常適合于大坡度巖石頂管施工:①其強大的破巖能力使其可以處理硬度高達(dá)120 MPa的極硬巖石。配備圓盤式滾刀,這種鋒利的工具具有性能穩(wěn)定、耐磨性強、硬度高等特點,大大提高了切割刀盤的破巖能力。這在應(yīng)對大坡度巖石頂管施工中經(jīng)常遇到的堅硬而具有挑戰(zhàn)性的地形時至關(guān)重要。②該機的施工速度快、效率高,部分原因是其特殊設(shè)計的大直徑圓錐破碎倉。通過旋轉(zhuǎn)、研磨和攪動,破碎倉可以對大塊巖石進(jìn)行二次破碎,使其更容易把巖石碎成泥漿,以方便從挖掘現(xiàn)場清除。③能夠從機器上更換切割滾刀和刮刀,使其適用于長距離掘進(jìn),這對長距離巖石頂管施工至關(guān)重要。④在頂管施工過程中,機器的可視化和遠(yuǎn)程控制能力是至關(guān)重要的。操作人員可以在操作室實時監(jiān)控整個施工過程,通過電子顯示屏可以直觀、準(zhǔn)確地掌握切削速度、行走軌跡和工作狀態(tài)。這樣可以使操作更加精確和高效,減少施工過程中發(fā)生事故或其他問題的風(fēng)險。該巖石頂管機的實物如圖2所示。

圖2 巖石頂管機

采用泥水平衡法的頂管施工主要內(nèi)容包括:洞門止水環(huán)安裝、主頂系統(tǒng)安裝、頂管機的組裝與調(diào)試,頂進(jìn)施工,注入觸變泥漿,頂管機姿態(tài)控制,進(jìn)洞止水安裝,泥漿置換等施工內(nèi)容。

主頂系統(tǒng)是頂管機的一個重要組成部分,其安裝過程通常包括以下步驟:測量和對準(zhǔn)、軌道安裝、后背墻安裝、主頂油缸安裝。

(1)測量和對準(zhǔn)。在安裝主頂系統(tǒng)之前,必須對頂管系統(tǒng)的位置和排列進(jìn)行測量和檢查,以確保主頂系統(tǒng)安裝在正確的位置和正確的角度。

(2)軌道安裝。在該項目中,頂管欄桿是用雙支撐的25b型槽鋼焊接的。在測量和確定坐標(biāo)后,使用30 t汽車起重機將導(dǎo)軌放置到位,然后進(jìn)行加固以保持穩(wěn)定。導(dǎo)軌的位置和標(biāo)高的允許偏差是:導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)距離:±2 mm;中心線:3 mm;頂部高程:0～3 mm。兩根導(dǎo)軌應(yīng)相互平行安裝,其間距應(yīng)與正在安裝的管道直徑相匹配。高度應(yīng)與管道的設(shè)計高度相同或略高?？v向坡度應(yīng)與管道的設(shè)計坡度一致,高度相等或略高于管道的設(shè)計標(biāo)高。安裝完畢后,在頂管施工過程中,導(dǎo)軌應(yīng)牢固到位,不得移位,并有必要指派專人進(jìn)行日常檢查。

(3)后背墻安裝。將靠背安裝在主頂系統(tǒng)后面。在挖掘過程中,靠背支持頂升力,并為頂升系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

一旦主頂系統(tǒng)安裝完畢,就必須對其進(jìn)行檢查和測試,以確保其功能正常,可以投入使用。這可能涉及測試主頂系統(tǒng)的對準(zhǔn)、頂升力和移動等因素。正確安裝主頂系統(tǒng)對于頂管施工項目的成功和安全至關(guān)重要。

2.2 頂進(jìn)施工

硬巖頂管頂進(jìn)施工包括機頭入倉、頂管機出洞、試頂進(jìn)、正常頂進(jìn)4個關(guān)鍵工藝。

(1)機頭入倉

頂管施工前由人工配合電焊拆除封堵鋼板,預(yù)留孔洞內(nèi)砂石或鐵塊配重,人工配合30 t汽車吊吊入工作井孔洞內(nèi)。

(2)頂管機出洞

為了防止頂管機進(jìn)出時地表塌陷,孔環(huán)外的土壤加固措施是必不可少的。一種常見的方法是使用攪拌樁,即向土壤中注入水泥基灌漿料混合物,以提高其強度和穩(wěn)定性。攪拌樁有助于在隧道孔周圍形成一個加固環(huán),在機器進(jìn)入和退出時提供支持并防止土壤移動。同樣重要的是,在開始頂管工作之前,確保土壤已經(jīng)達(dá)到止水效果,以確保土壤有足夠的穩(wěn)定性來承受頂管過程中產(chǎn)生的力量。

(3)試頂進(jìn)

由于頂管出洞處于加固區(qū)域,應(yīng)將頂管機與頂管孔的軸線對準(zhǔn),以確保頂管機被順利頂出孔道。還應(yīng)仔細(xì)監(jiān)測和控制頂進(jìn)速度,以避免潛在的問題或事故。此外,在頂進(jìn)過程中,測量和糾正頂管機的姿態(tài)也很重要,以確保管道出孔段的軸線得到正確控制和對準(zhǔn),這將有助于指導(dǎo)后續(xù)的頂管施工。

(4)正常頂進(jìn)

在正常頂進(jìn)過程中,開挖巖石和輸送礦渣、泥漿的過程是連續(xù)的,需要定期監(jiān)測和調(diào)整頂管機的姿態(tài),以保證頂進(jìn)過程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。此外,管道插口處的止水帶和頂管鐵的安裝也必須謹(jǐn)慎而精確地進(jìn)行,以確保頂管工作的質(zhì)量。一旦完成了一個頂管段,就需要重新定位頂管機,開始下一節(jié)頂管。這個過程將持續(xù)到整個管道安裝完畢。

2.3 泥漿減阻

使用觸變性泥漿是頂管施工中的一項重要技術(shù)措施。觸變泥漿在管道周圍形成一個漿液套筒,可以減少管道與地面之間的摩擦阻力,使管道更容易頂進(jìn)。同時,觸變泥漿還通過對周圍土壤提供支撐,有助于控制地面沉降。為了確保漿液套筒的穩(wěn)定性,通常每隔2至4個管段就會設(shè)置灌漿孔,以防止形成任何空隙或縫隙。這有助于保持泥漿套筒的完整性,防止周圍土壤塌陷或沉降。

注漿原則。在頂管施工過程中,灌漿孔的合理布置對保證觸變泥漿的效果至關(guān)重要。灌漿孔應(yīng)每2至4個管段間隔開來,并置于插口前或鋼套環(huán)內(nèi),以形成均勻的漿液集結(jié)。這樣可以防止?jié){液孔被堵塞,使灌漿工作順利進(jìn)行。觸變泥漿的注入順序應(yīng)從前到后,并在一定距離后及時補充漿液。灌漿泵及輸出壓力應(yīng)符合規(guī)范要求。

注漿質(zhì)量控制措施。頂進(jìn)施工前要做泥漿配合比實驗,膨潤土中蒙脫石含量要求≥60 %,其他觸變泥漿性能指標(biāo)參數(shù)如表2所示。

表2 觸變泥漿性能指標(biāo)

頂進(jìn)后的管道外壁加固是保證頂進(jìn)后管道穩(wěn)定性和耐久性的重要步驟。使用混有粉煤灰的水泥砂漿作為膨潤土泥漿的替代材料,可以有效提高管壁的強度和穩(wěn)定性。注漿過程應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)行,多次注漿,每次注漿之間要有足夠的固化時間,以保證管壁與周圍土壤之間的空間填充牢固、均勻。應(yīng)持續(xù)觀察注漿過程和管壁的情況,以發(fā)現(xiàn)變形或損壞,必要時采取糾正措施。用環(huán)氧樹脂水泥對孔口進(jìn)行最后的密封也很重要,以防止水滲透和腐蝕。

2.4 中繼間安裝

中繼區(qū)對保證長距離頂管的安全和效率起著重要作用。通過將頂管劃分為若干個區(qū)間并設(shè)置中繼間,可以將頂力均勻地分配到各個區(qū)間,減少管道變形和損壞的風(fēng)險。此外,使用中繼間還可以減少每個區(qū)間所需的頂進(jìn)力,可以大大減輕主頂系統(tǒng)的負(fù)荷,延長頂進(jìn)設(shè)備的使用壽命。需要注意的是,中繼間的設(shè)計和安裝應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則進(jìn)行,以確保其可靠性和穩(wěn)定性。

中繼間的殼體應(yīng)有足夠的剛度,每個中繼間按照16臺千斤頂,每臺千斤頂?shù)捻斄?00 kN,即總頂力8000 kN,中繼間總長度12 m,頂程9 m。同時在管道表面采取熔蠟措施,以減少頂進(jìn)阻力。

在安裝前必須確保繼電器室處于良好狀態(tài)。運輸和吊裝也應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)行,以防止任何損壞。安裝后還需對繼電器室進(jìn)行測試,確保其功能正常,然后再用于頂進(jìn)作業(yè)。啟動和拆除時也應(yīng)按照正確的程序,認(rèn)真有序地進(jìn)行。

中繼間內(nèi)設(shè)備拆除后,采用C30細(xì)石混凝土對中繼環(huán)進(jìn)行抹面,并且在抹面時應(yīng)沿外殼周圈掛φ6@100×100的鋼筋網(wǎng),防止混凝土脫落,混凝土抹面應(yīng)與兩側(cè)管道內(nèi)襯齊平。

2.5 頂管機姿態(tài)控制

2.5.1 頂進(jìn)偏差產(chǎn)生的原因

當(dāng)摩擦力矩不能補償切割盤切割巖石時產(chǎn)生的扭矩時,就會發(fā)生滾動。過大的摩擦力會影響激光目標(biāo),使其偏離正常位置,造成測量、校準(zhǔn)和除渣的問題。由于不同的頂進(jìn)參數(shù)設(shè)置偏差、頂管機表面與地層之間的摩擦阻力不均勻、開挖面土壓的差異和切割刀下切造成的地層阻力不同、開挖面巖層性質(zhì)的差異等原因都會造成方向偏差。在頂進(jìn)過程中,必須密切監(jiān)測和控制垂直方向,隨時糾正偏差值,使頂進(jìn)方向的偏差保持在允許范圍內(nèi)。

2.5.2 頂管機的姿態(tài)監(jiān)測

使用全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等來測量頂管機軸線的偏轉(zhuǎn),并檢查頂管機的姿態(tài)。

滾動角的監(jiān)測?？梢酝ㄟ^使用電子水平儀測量兩個測量點之間的高度差來計算滾動圓心角。這種方法有助于監(jiān)測頂管機在頂進(jìn)過程中的滾動偏差。重要的是,要確保測量點的位置對稱,處于同一水平面,以獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。滾動監(jiān)測示意如圖3所示。

圖3 滾動角的監(jiān)測布置示意

A、B為測量點;a、b為頂管機發(fā)生滾動后,測量點所處的新位置;Ha、Hb為兩點的高度;α為頂管機的滾動圓心角。

線段AB=2OA=2OB=定值

α=arcsin[(Hb-Ha)/AB]

式中,如果Hb-Ha>0,表明頂管機逆時針方向滾動;如果Hb-Ha<0,表明頂管機順時針方向滾動。

豎直偏角的監(jiān)測。電子水平儀直接測量頂管機傾斜角度的變化,向上或向下,與角度增量的變化方向相反。

水平偏角的監(jiān)測。電子水平儀是一種用于測量兩點之間高度差的工具,可以用來計算頂管機的滾動角度。

2.5.3 激光導(dǎo)向監(jiān)測

激光引導(dǎo)系統(tǒng)是一種常用的方法,用于監(jiān)測頂管機與設(shè)計線的偏差。一束激光從一個固定的參考點射向頂管機上的測量板。然后計算測量板的位置,并在控制屏幕上顯示頂管機與設(shè)計軸的偏差。最后,控制室的操作員可以使用控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,以糾正頂管機的偏差。

在測量過程中,自動和手動控制相互修正,進(jìn)一步提高了頂管機機器定位的準(zhǔn)確性和精確性。

2.5.4 頂管機姿態(tài)調(diào)整

(1)滾動糾偏。通過扭轉(zhuǎn)刀盤來糾正滾動偏差是一種方法,但它不一定是最有效或最高效的方法。糾正滾動偏差的其他方法包括調(diào)整頂升速度,調(diào)整液壓千斤頂?shù)耐屏?以及調(diào)整切割器的切割參數(shù)。所選擇的方法取決于具體的情況和偏差的嚴(yán)重程度。必須持續(xù)監(jiān)測滾動偏差,并及時進(jìn)行調(diào)整,以確保頂管機保持正常運行。

(2)豎直方向糾偏。測量人員可以調(diào)整頂管機的轉(zhuǎn)向和推進(jìn),以糾正偏差。例如,操作員可以將頂管機轉(zhuǎn)向一側(cè)或另一側(cè)以糾正偏差,或調(diào)整推進(jìn)速度,減慢或加快頂管過程以糾正偏差。測量人員必須密切監(jiān)測偏差,并及時糾正,以確保頂管機保持在軌道上和允許的偏差范圍內(nèi)。

(3)水平方向糾偏。與豎直方向糾偏的原理相同。

糾偏過程中的注意事項:在調(diào)整刀盤的旋轉(zhuǎn)方向時,要慢慢降低刀盤的旋轉(zhuǎn)速度,以保持挖掘面的穩(wěn)定。一段時間后,可以改變旋轉(zhuǎn)方向。根據(jù)開挖面的地面情況調(diào)整提升參數(shù),糾正頂進(jìn)方向,防止偏差增大。在頂進(jìn)過程中,要注意及時糾正偏差,減少偏差,然后繼續(xù)向前頂進(jìn)。

3 結(jié)語

通過西彭水廠連通線大石路高地頂管施工實踐,探索總結(jié)了適用于大坡度巖石頂管的頂管機設(shè)備選型主要特點及主頂系統(tǒng)安裝過程中的注意事項、頂進(jìn)施工過程中使用觸變泥漿減阻的注漿原則和注漿質(zhì)量的控制措施及頂進(jìn)后的管道外壁加固措施、頂管機頂進(jìn)偏差產(chǎn)生的原因及頂進(jìn)姿態(tài)控制的方法與注意事項等大坡度巖石頂管施工中的關(guān)鍵技術(shù)。同時,根據(jù)實踐經(jīng)驗驗證了這些關(guān)鍵技術(shù)的可行性。繼續(xù)完善和優(yōu)化這些技術(shù)對于確保大坡度巖石頂管工程的安全和高效施工具有重要意義。