成都地区电力隧道机械顶管法选型探讨

朱文美

(上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092)

1 成都地区典型地质情况

成都平原发源于川西北高原的岷江、沱江及其支流等8个冲积扇重叠联缀而成的复合冲积扇平原[1]，地形地质形成了自身的特点。总体上成都地基土均匀性较差，自稳性差，地层存在以下特点：

（1）卵石含量高：卵石层粒径一般以20～100mm为主，最大粒径100 mm以上，卵石含量均大于50%。

（2）含水量高：地下水主要赋存于卵石层中，为松散岩类孔隙潜水，主要受地下径流及大气降水补给，其泄水方式主要以地下径流及蒸发为主。

（3）土质松散，自稳性差：卵石间充填物以中、细砂为主，次为泥质。

各岩土层围岩基本分级如表1所列。

表1 典型的岩土层围岩基本分级表

2 机械顶管法的特点

顶管法具有安全、快速、高效、对施工周围环境影响小等优点，在城市隧道施工中被广泛采用。

机械顶管法前端采用顶管机掘土，顶管机是集机械、液压、电控等为一体的自动化程度较高的地下隧道施工机械[2]。主要由工具管、刀盘、刀盘驱动、螺旋输送系统、管段拼装等系统组成，配备了机电一体化的液压驱动系统、同步注浆系统、工业空气系统、电控系统、泡沫设备、膨润土注入设备及激光导向等设备。在主控室内可对工具管的掘进姿态实时监控，还可在地面监控室对顶管作业实时监控。

3 选型分析

顶管机作为顶管法施工的核心机械设备，其选型的合理与否不仅关系到顶管施工的成本和效益，还关系到顶管施工的质量与安全。机械顶管机应具备以下功能：掘进、防坍塌、出泥和导向等，根据给排水工程结构设计手册[3]，其分类如表2所列。

表2 顶管机基本分类表

国内常用的顶管机有泥水平衡式、土压平衡式及气压平衡式。气压平衡式机械顶管投资大，一般用于长距离顶管，对每隔约200 m就需设置通风井的电力隧道不具有经济性，本文仅对泥水平衡和土压平衡这两种平衡方式进行比选。

3.1 泥水平衡式机械顶管的特点

泥水平衡式机械顶管的优点：

（1）适用的土质范围比较广；在地下水压力很高，以及变化范围较大的条件下也能适用；对管道周围的土体扰动较小，引起的地面沉降也较小。

（2）与其他类型顶管比较，泥水平衡顶管施工时的总推力较小，尤其是在粘土层则表现得更为突出，所以适宜于较长距离顶管。

（3）由于泥水输送弃土的作业是连续不断地进行的，所以作业进度比较快。

泥水平衡式机械顶管的缺点：

（1）弃土的运输和存放比较困难，运输成本较高。

（2）管径越大，泥水处理量也就越多，适用管径受限。

（3）如果遇到覆土层过薄或渗透系数特别大的砂砾、卵石层，作业容易受阻。

3.2 土压平衡式机械顶管的特点

土压平衡顶管掘进机一般用来进行中大口径的管道施工，可在覆土较浅的条件下正常工作。

土压平衡式机械顶管的优点：

（1）最浅覆土深度仅为0.8倍掘进机外径，这是其他形式顶管无法做到的。

（2）土压平衡式机械顶管能保持挖掘面的稳定，可以使地面变形极小。

（3）适用的土质范围广，是全土质的顶管掘进机。

（4）弃土的运输、处理都比较方便，不需要泥水式的泥水循环系统，操作更方便、安全。

（5）设备相对比较简单。

土压平衡式机械顶管的缺点：

（1）刀盘动力和扭矩较高，切削刀损耗较大。

（2）土层含砂量超过一定限度时，土体流性明显变差，土舱内的土体易发生堆积、压密、固结，可导致碴土难以排送，顶管推进被迫停止。

（3）为解决碴土排送困难，需要向土舱内注水、空气、膨润土或泥浆等材料，并需连续搅拌以提高土体的塑流性。

3.3 平衡方案比选

成都电力隧道主要穿越砂卵石地层，卵、砾石成分以灰岩、砂岩、石英岩等为主，呈圆形、亚圆形，粒径大小不一，分选性差。成都地铁土压平衡盾构的现有设备配置虽然证明可以在高富水、高卵石地质条件下施工，但存在刀具消耗成本大、换刀困难等诸多问题[4]。为了解决这些困难，在施工前应针对不同种类的平衡方式，刀盘布置，渣土处理，降低刀头磨损方法等特点进行方案比选（见表3），比选方案的前提条件是成都的高含水卵石土地质。

表3 土压平衡式与泥水平衡式对比表

为充分考虑内因、外因和不可抗力对选型的影响，可以通过量化各项指标来为方案比选提供更直观的依据，量化表格如表4所列。

表4中的权重是为了进行量化比较，其取值的逻辑如下：

（1）土质与石块直径和排泥管道的阻塞对方案选择的影响最为重大。因为这两个因素会直接决定施工的可行性和设备的正常运作。所以假定权重较大。

（2）其次，挖掘距离、地面设施与覆土深度对决策者的影响稍弱，因为这三项因素可以通过细节的改进来克服，但需要额外经济上的投入。

（3）小权重因素主要涉及到施工细节和成本的控制，所以权重相对最低。

综上所述，在实际施工过程中泥水平衡式顶管由于卵石含量大，存在破碎机破碎量大、掘进速度慢、泥水管路非常容易堵塞等困难，与土压平衡式顶管相比更不适合于成都的地质条件，应选用土压平衡式。

表4 泥水平衡式和土压平衡式方案比选表

4 结论

通过以上分析得知，顶管机的选型是机械顶管工程成败的关键，土压平衡式顶管更适合成都地区电力隧道的施工。

[1]四川省地质工程勘察院.蜀都大道东段道路综合整治工程220 kV电力隧道岩土工程勘察报告[R].成都：2011.

[2]马保松,等.非开挖工程学[M].北京:人民交通出版社,2008.

[3]沈世杰,等.给排水工程结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[4]王国义.成都富水砂卵石地层盾构设备配置探讨[J].现代隧道技术,2013,50(1),34-39.