非圆断面饱和黄土输水隧洞改进型顶管开挖设计与施工

颜志强,李 峰

(中国水利水电第十一工程局有限公司,郑州 450001)

0 前 言

随着中国地下工程的不断发展，盾构隧道以其施工受地面环境影响小、机械化程度高和开挖面控制精度高等独特的优越性，在开挖施工中得到了广泛应用[1]。近年来，国内外在盾构机的形式上取得了了较大的突破[2-4]，同时在开挖饱和土隧洞时，已有学者作出了一定的研究。张治国等[5]考虑了饱和土质以及隧道衬砌与土体间界面排水工况所带来的影响，分析了盾构隧道施工引起的环境土工效应；丁智等[6]研究了饱和土盾构施工引起的三维土体变形及孔隙水压力。但就目前而言，较多的研究和设计依旧针对于非饱和土[7-8]，而对于饱和土层的开挖仍是一个较为困难的问题。

本文依托南水北调穿黄工程，借鉴顶管原理，设计制造一种改进型顶管机，并验证其施工可靠性。

1 工程概况

南水北调中线一期穿黄工程退水洞穿越邙山将穿黄隧洞进口与黄河连通，退水洞长790 m，进口底板高程110.5 m，出口底板高程94.0 m，纵坡为2.09%。隧洞衬砌后断面为带仰拱的城门洞型，断面净尺寸4.2 m×5.8 m(宽×高)，边顶拱混凝土衬砌厚度0.5m，底板混凝土衬砌厚度为0.6 m。

工程区为邙山黄土丘陵，地表高程140.00～181.00 m。地层为第四系，地表～高程107.00～136.00 m为上更新统冲积层alQ3黄土状粉质壤土，呈灰黄、褐黄色，具大孔隙及垂直节理，呈软塑状、可塑状。其下为棕黄、褐黄或浅棕红色中更新统冲、洪积层al+plQ2粉质壤土，呈可塑～软塑状，其中在洞身附近分布两层古土壤层，顶面高程分别为105.00～118.00 m、95.00～102.5 m，厚度分别约为5.0、6.0 m，古土壤呈硬塑状。土体主要物理力学指标见表1。

表1 退水洞土体主要物理力学指标

隧洞穿越各地层，造成各段围土差异性：桩号0+000.00 m～0+192.46 m段alQ3黄土状粉质壤土；桩号0+192.46 m～0+347.36 m段洞身上部为alQ3黄土状粉质壤土，下部为古土壤；桩号0+347.360 m～0+456.35 m段洞身上部为古土壤，下部为粉质壤土；桩号0+456.35 m～0+701.00 m段隧洞围土为粉质壤土；桩号0+701.00 m～0+790.00 m段隧洞围土为古土壤。

工程区地下水按其赋存条件及性质为孔隙～裂隙水。地下水位沿隧洞高程为140.00～113.00 m。alQ3黄土状粉质壤土渗透系数1.0×10-5～1.0×10-4cm/s，al+plQ2粉质壤土渗透系数1.0×10-6～1.0×10-5cm/s，al+plQ2古土壤层渗透系数1.0×10-7～1.0×10-6cm/s。地层具弱透水性。

退水洞为饱和黄土隧洞，具有以下特点：埋深大，埋深60～80 m；地下水位高，高出隧洞底板29.5～19.5 m；地层复杂，多种地层互层，地层渗透系数小，降水难度大；隧洞穿越不同地层，施工难度不同。

退水洞前期开挖方案为降水条件下矿山法开挖，沿洞轴线两侧密集布置真空深井进行长时间超前降水。进口0+000.00 m～0+192.46 m段地层为alQ3黄土状粉质壤土，地层单一，渗透系数相对稍大，开挖时地下水可降至隧洞腰线附近，采用上台阶临时仰拱法结合洞内轻型井点降水开挖下台阶；出口0+701.00 m～0+790.00 m段围土为古土壤，土质坚硬，在地下水高出洞顶情况下采用台阶法开挖。0+247.00 m～0+701.00 m段围土主要为粉质壤土，并夹有古土壤相对隔水层，地下水难以降低至拱顶以下，采用CD法等矿山法开挖难度较大，即使有管棚支护，在地下水作用下，顶拱土体发生渗透破坏产生流泥，诱发塌方甚至冒顶，安全隐患极大；进度缓慢，难以按合同工期完成。

2 改进型顶管思路

为解决退水洞开挖难题，借鉴顶管原理，采用改进型顶管开挖。由于退水洞进、出口段开挖衬砌已完成，顶管方案进行了圆形断面管片支护和城门洞型锚喷支护比选，经水力学、进度、安全论证，并从经济性考虑，顶管开挖断面维持城门洞型，支护结构采用钢拱架+锚喷支护。顶管推力通过“U”型钢垫梁传递到后部已浇筑的永久混凝土衬砌结构上，开挖循环10 m，顶进长度达10 m一个衬砌段停止开挖，进行混凝土衬砌，待混凝土达到强度后继续顶进开挖。顶管承受周围地层压力，钢支撑等支护作业在顶管内进行，顶管推进后，仅剩余喷混凝土作业，可快速施工，避免地层临空形成坍塌、流泥，保证施工安全。

3 顶管设计

3.1 顶管结构

顶管壳体采用厚度50 mm钢板制成。断面尺寸考虑衬砌混凝土厚度、一次支护厚度及预留变形量，一次支护厚度200 mm，顶拱预留变形量200 m，侧墙预留变形量100 mm，外形宽5 900 mm，高7 600 mm，顶管壳体前部设计为4.2∶1坡度，考虑掌子面稳定需要及增加顶管壳体刚度，加焊十字隔板，十字隔板布置挡板槽，在每次推进完成后安装挡板封闭掌子面；中部为液压缸区，液压缸由前后两层钢板固定；顶管尾部长度1 100 mm，用以超前施工一次支护。

结构简图见图1。

图1 顶管结构 单位：mm

3.2 装置荷载

机身主要承受围岩压力，参考《隧洞》(熊启钧编著)，围岩压力确定采用松散介质理论。

(1) 坍落拱高度

式中：B为隧洞开挖宽度,取5.9m；H为隧洞开挖高度H,取7.6m；f为岩石坚固系数，按《隧洞》，f≈tgφ=0.41；φ为土体内摩擦角，根据表1取22.6°。

(2) 垂直荷载

q1=0.7γh(曲线形顶拱)

(2)

其中γ=20.16kN/m3。

(3) 水平荷载

顶管顶部：

e1=0.7γhtg2(45°-φ/2)

(3)

顶管底部：

e2=(0.7h+H)γtg2(45°-φ/2)

(4)

(4) 底部垂直荷载

q2=(0.7h+H)γtg2(45°-φ/2)

(5)

(5) 荷载计算成果

将各参数代入上述公式，计算坍落拱高度h=19.5m。

顶部垂直荷载按q=270kN/m2；

顶部水平荷载e1=105.8kN/m2；

底部水平荷载e2=158.8kN/m2；

底部垂直荷载q2=158.8kN/m2。

3.3 顶管壳体受力分析

壳体受力按有限元法进行分析，网格划分采用实体单元，见图2。材料采用Q235钢材。约束见图2中左侧面，采用固定全约束，载荷为图2中壳体外周，载荷按前述计算载荷。顶管壳体应力分布见图3，最大应力为120N/mm2，小于钢板设计强度210N/mm2。顶管壳体位移分布见图4，最大位移为9mm。顶管壳体安全系数分布见图5，最小安全系数为1.787。

图2 顶管壳体有限元网格

图3 顶管壳体应力分布

图4 顶管壳体位移分布

图5 顶管壳体安全系数分布

3.4 推进液压系统

3.4.1推力计算

推进力主要为外壳与土体摩擦力F1和顶管切口环切入土体阻力F2。

(1) 外壳与土体摩擦力

F1=BLC

(6)

式中：B为顶管壳体周长，取23m；L为顶管壳体平均长度，取5.5m； C为土体凝聚力，按在古土壤推进考虑C=42.8kPa；F1=5 393kN。

(2) 切口环切入土体阻力

包括顶管端面阻力及切入土体内侧面与土体摩阻力：

F2=lδPw+TLC

(7)

式中：l为贯入面长度，包括顶管壳体刃脚周长及十字隔板长度，取36.5m；δ为刃脚厚度，取50mm；T为刃脚贯入土体深度，按0.5m计算；Pw为作用在顶管上的平均土压,kPa;按顶部埋深60m土压计算，Pw=hγ=1 200kPa。F2=2 682.2kN。

(3) 总需推力

F=F1+F2=8075.2 kN

(8)

3.4.2推进液压系统设计

推进液压系统设计主要考虑克服土体阻力，并满足顶管进姿态调整需要。

(1) 液压缸设计

液压缸型号200/110-800mm，系统压力30MPa，行程800mm，共布置16支液压缸。

单支液压缸推力：

式中:D=200mm，P=30MPa。F′=942kN。

系统总推力：16×942=15 072kN，大于总需推力。

(2) 推进液压系统布置

由于隧洞断面为带仰拱城门洞型，顶拱部位后靠钢管片难以安装，推力无法向后传递，液压缸布置在拱肩以下，两侧边墙各布置支只液压缸，底拱布置支只液压缸。为简化操作，满足纠偏需要，采用分区控制，即将16支推进液压缸按推进特点划分为5分区，单侧墙上部3支、下部3支各为一个分区，底拱4支为一个分区，同时每支液压缸可单独控制，通过液压缸推力控制调整顶管姿态。

液压缸布置造成上下推力不均衡，会导致上下切口受力不均，易造成顶管抬头，此时需依靠上部6支液压缸独立运行纠偏，纠偏能力取决于顶管形心以上推力。

按3.4.1公式，B=12.3m，L=5.8m，l=19.2m,推力中心至形心力矩0.6m，其他参数同上，则形心上部顶管纠偏工况推力F=4 522.5kN，6支液压缸推力5 652.0kN，满足纠偏要求。

图6 单片后靠管片计算模型及有限元网格划分

图7 单片后靠应力

图8 单片管片位移

图9 单片管片安全系数分布

(3) 动力及附属系统

液压泵站布置以完成衬砌洞段，操作台布置在顶管中部侧边，液压泵站装机30kW，溢流阀调定压力31MPa，排量0.025L/rev。液压泵站通过液压油管与操作台连接，油管长度取决于单循环开挖长度，沿侧墙敷设，不对施工造成影响。

(4) 推进系统后靠

推进系统后靠由多个成“U”型结构的钢管片组成，单片长度为0.6m，为便于运输安装，每片钢管片由底板及两侧墙组成，构件之间采用螺栓连接，上端通过槽钢连接形成框架结构。单片钢管片受力采用有限元计算，推力按1 000kN考虑，最大应力117N/mm2，最大位移0.325mm，最小安全系数1.885，单片管片受力满足要求。钢管片宽5m，每循环后靠总长度为10m，10∶5=2没有压杆稳定性问题，后靠系统稳定。

4 施工关键技术

4.1 总体施工程序

顶管推进每个循环10m，开挖支护完成后对掌子面进行喷混凝土封闭，拆除后靠钢管片，进行该段底拱及边墙混凝土衬砌，待混凝土达到50%设计强度能承受顶进推力后进行下一循环顶进开挖施工。

4.2 顶管顶进施工工艺流程

顶管顶进→开挖出土→上一循环混凝土喷护→工作面清理→顶管尾部钢拱架拼装→钢管片后靠安装→下一循环。

4.3 施工工艺及方法

(1) 顶管顶进

顶管顶进在上一循环钢拱架及钢筋网片安装完成后实施。先安装钢管片后靠，钢管片后靠分标准型节和尾节2种，宽度为0.6m。每节均分为左侧结构、右侧结构、底部结构3部分，顶部设连接梁。钢管片需与上一节后靠试装连接，以保证前后的匹配度，相邻后靠通过M16螺栓连接。后靠安装完毕，顶管液压系统启动，开始向前顶进。根据设计，一次顶进距离为0.6m，如土质极差，顶进可分2次进行，围土出露约0.3m后临时喷护，之后再顶进至设计位置。顶管顶进由专人操作，注意顶进方向与设计的一致性，以及分区液压系统的协调性。一般情况下，应先启动两侧油缸向前顶进，再启动底部油缸，如发现异常暂停顶进排除故障后继续顶进。

降低阻力措施：利用顶管周边8个浆孔注射膨润土浆，根据研究及经验，膨润土浆可降低50%～70%摩阻力，并对周边土体起到护壁作用。

(2) 开挖出土

顶管内土方出渣方式采用小型反铲装车运至洞外。开挖出土分两次完成：在顶管推进过程中，掌子面土体坍落形成自然坡度，由于顶管长度限制，部分土体散落在顶管内及顶管后部一定范围，此时开挖主要清除顶管尾部及后部土体，满足脱空围土快速喷锚封闭需要，该过程掌子面在堆土压坡作用下是稳定的；在锚喷支护完成后进行第二次开挖，出土位置保证土体在顶管前部预设挡板附近，并形成约1∶0.5的坡面，安装挡板支撑掌子面稳定，挡板在下次推进前拆除。

(2) 上一循环混凝土喷护

喷层总厚度为26cm，喷射分3～4层进行，每层厚度6～8cm左右。顶管推进到位后，立即进行顶拱及边墙的初喷，避免围土松动变形。喷射自两侧向中间进行，先对工字钢翼缘后喷射，避免出现局部脱空。边墙喷射时自下而上堆喷的方法，提高施工效率。

(3) 工作面清理

人工配合小型反铲挖掘机对工作面进行清理，清理范围包括：顶管尾部待安装钢拱架区域、顶管后部待安装钢管片后靠处。

(4) 钢拱架拼装

钢拱架采用Ⅰ20a工字钢弯制，分段加工，并焊接钢连接板现场连接。每榀钢拱架间采用Ⅰ16工字钢焊接连接，连接间距1.2～1.5m。钢拱架安装间距与后靠相适应，严格按照0.6m控制，拼装时与顶管壳体间保持约1～2cm的空隙，便于顶管推进时顺利脱出。拱架与壳体间铺土工膜，防止顶管推进后土体脱空后坍塌流泥，挂钢筋网片固定。顶管顶进0.6m，钢拱架出露后，钢拱架与围土间存在约5～6cm的空隙，快速向空隙内塞入干硬混凝土，确保工字钢与围土贴紧，承担早期压力。

(5) 纠 偏

为保证隧洞线，每个推进循环进行测量检查。根据测量成果对下个推进循环液压缸运行状态进行指导。推进过程中专人量测液压缸行程，检查行程一致性，判断顶管是否偏移及偏移程度。若发现顶管移位，首先利用油泵分区控制，向反方向增加推进力量纠偏；或由人工在反方向适当开挖，减少推进阻力，辅助纠偏。

5 结 语

针对穿黄工程退水洞饱和黄土隧洞。通过对顶管结构、推进系统进行力学分析与设计，并对施工技术总结，得到了以下结论：

(1) 顶管壳体所受最大应力为120N/mm2，壳体位移最大位移为0.9cm，均满足安全性要求。

(2) 设计系统总推力为15 072kN，大于总需推力，满足设备的推进需求。

(3) 推进系统后靠受力满足要求，无压杆稳定性问题。

(4) 设计成果和施工过程总结证明了该设备在饱和黄土隧洞施工的可行性。