观景口水利枢纽长距离岩石顶管工程中继间布置研究

张绍炜，刘新荣，邓志云，钟祖良

（1.重庆市观景口水利开发有限公司，401336，重庆；2.重庆大学土木工程学院，400045，重庆；3.库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心（重庆），400045，重庆）

顶管工程以其安全、可靠、环保、地层适应性强以及高效等诸多优点，越来越广泛地应用到隧洞施工中。近年，顶进距离超过1 000 m的工程越来越多，工程所用的管径越来越大，混凝土管节内径已达到4.0 m，工程的用途包括排污水、市政供水、电力通道以及综合管廊，其穿越的地层也越来越复杂，由常见的黏土层、砂层推广到了岩层。对于长距离顶管工程，中继间的布置必不可少，中继间的设置能够在理论上将顶管工程顶进距离延伸为无限长，但中继间过多设置将严重降低顶进效率，因此合理布置中继间间距尤为重要。本文结合重庆市观景口水利枢纽工程，对深埋长距离岩石顶管中继间布置方案进行研究，提出了中继间间距的计算方法，以期为长距离岩石顶管工程的应用提供参考。

一、工程概况

重庆市观景口水利枢纽输水线路途经重庆东温泉镇至茶园，该工程控制流域面积439 km2，总库容1.52亿m3，年均供水1.19亿m3，总投资38.68亿元。线路总长21.98 km（优化后长度），共有8条无压隧洞以及2条有压隧洞。10座隧洞总长16.2 km，其中，3号无压隧洞最长，为3 224 m，输水路线示意见图1。

图1 观景口水利枢纽工程输水线路示意

该工程施工采用了岩石顶管施工新技术。在如此复杂的地质条件以及超长距离岩石地层中应用此项技术在我国尚属首次，面临极大的挑战。管节内径2.65 m，外径3.17 m，壁厚0.26 m。其中，单向顶进长度大于1 000 m的段落共计9段。管线沿线穿越的地质条件十分复杂，岩性包括灰岩、泥岩、砂岩，其最大单轴饱和抗压强度分别为20 MPa、70 MPa以及90 MPa。另外，还面临灰岩地层溶洞发育、岩体比较破碎等问题。

二、岩石地层管节摩阻力计算模型

地层稳定性是影响管节摩阻力的最主要因素，在稳定地层中，开挖的隧洞会保持张开状态，作用在管节上的土压力较小。此时，顶力几乎与顶进距离成正比，因为管节会由于自重在隧洞底部前行。而在不稳定地层中，开挖隧洞会逐渐收缩而与管节接触，造成管土接触压力增大，从而导致摩阻力增大。岩石地层管—岩接触状态如图2所示。

图2 管—岩接触状态

管节摩阻力计算模型有四类，分别为管—浆接触模型、顶部点接触模型、底部填充接触模型、上部填充接触模型。结合现场1-2号无压洞及8-2号无压洞顶力曲线（图3），在本工程中，1-2号无压洞位于灰岩地层，岩体节理裂隙非常发育，岩体破碎，岩溶填充物多。虽然岩溶填充物减少了膨润土泥浆的大量流失，但也造成部分岩体与管节接触；此外，碎屑进入超挖间隙中填补了管—岩开挖间隙，均会导致管—岩接触压力增大，相比于在其他地层中顶进，在该地层中顶进时摩阻力显著增大，正常顶进段k（每延米摩阻力）值为51.12 kN/m，如图3（a）所示。而在岩体较为完整的8-2号无压洞中如图3（b）所示，在正常顶进阶段k值仅为15.13 kN/m。上述差异与地层稳定性密切相关，在I、II类围岩中，围岩不产生压力或只产生变形压力，但较少产生松动压力；在Ⅲ、Ⅳ类围岩中岩体产生松动压力围岩能形成塌落拱；而在Ⅴ级围岩中管节上方围岩不能够形成塌落拱，因而顶管施工会存在很大的抱管风险。

图3 1-2号及8-2号无压洞顶力曲线

三、中继间布置

第一个中继间需要克服施工中迎面阻力和位于其前部的管节与地层之间的摩阻力；而后续的中继间只需要克服各自与其前方中继间之间管节与地层的摩擦阻力。

第一个中继站的间距L1：式中，Fijs为中继间最大顶推力；Ffa为掘进时机头阻力；k为单位长度管节受到的摩阻力；η为液压作用系数（0.7～0.9）。一般而言，第一个中继间应放在距离机头较近的位置用以克服顶管机在面对不良地质条件时可能出现的较大的机头阻力，因而建议值一般较小，约为40～50 m。

其他中继间的间距Li：

对于破碎地层，管节底部沉渣较多，沉渣不断累积作用下会逐步填充管节与围岩的空隙，此时膨润土浆液流失可忽略其对管节的浮托作用，管岩处于全接触状态，如图4所示。

图4 破碎地层管—岩全接触状态

因而，在稳定岩层中中继间的间距Li为：

式中，Gc为管节自重，Gs为管节配重，R为管节半径，φ为内摩擦角。在本工程中，取η为0.7，γr=25 kN/m3，μs取不良注浆条件下的管—岩摩擦系数0.506，本工程中继间油缸为26根，可提供的最大顶力约为17 000 kN，采用式（3）计算可得Li为134 m。考虑到一定的安全系数,破碎地层中继间间距由最初设计的150 m降低为100 m。而对于1-2号无压洞，中继间的布置间距取值为100 m情况下，实际施工中大多中继间被启用，每个中继间只能驱动100～200 m，主顶仅能顶进161 m。这正是由于在1-2号无压洞中岩溶发育/围岩破碎，管—岩几乎处于全接触的状态。1-2号无压洞围岩参照相关文献，分级虽然为V级，但顶管施工面临很大风险，按照本文计算结果将中继间间距由最初设计的150 m降低为100 m，在启用中继间情况下实现了单向顶进1 100 m，进一步丰富和扩展了相关研究成果。可见，在中继间合理布置的前提下，长距离硬岩顶管施工方法也可用于破碎的灰岩地层。

而对于硬岩隧洞，围岩完整性较好的前提下，中继间的布置间距可以适当加大。例如8-2号无压洞处于硬岩地层中，管节开挖空隙较为稳定，管节与围岩此时因为底部沉渣处于一定的接触角度2θ，管—岩接触模型为底部填充接触模型，如图5所示。

图5 硬岩地层管—岩底部接触状态

在接触角度2θ不大的情况下，由于泥浆的浮托作用以及管—岩接触面积较小，管—岩接触压力较小，且此时注浆润滑效果较好，μs较小，因而管—岩摩阻力较小，所以硬岩地层中继间间距相比破碎地层间距大，且启用数量也较少。中继间布置距离Li可由式（2）及（4）求解，此时管—岩摩擦系数可取浆液润滑效果较好条件0.332，其中，式（4）如下：离为846 m，为安全起见，布置的5个中继间距离机头分别为50 m、170 m、320 m、450 m以及625 m，中继间之间的间距为120～175m，比在破碎地层布置间距大，实际施工中只有3号中继间被启用，主顶一次顶进距离可达764m。可见，围岩完整性较好的硬岩地层，采用管—岩底部接触状态较好计算管节摩阻力，进而采用公式（3）可较为准确计算岩石地层中继间布置间距。

四、结 论

（注释：硬岩地层正常顶进阶段管—岩接触角度2θ可取为60°）

式中，kc为管一岩接触压力增大系数，Gc为管节自重，Gs为管节配重，γm为泥浆重度，R为管节半径，H为管节顶部泥浆水头高度，θ为管—岩接触角度的一半，μs为管—岩摩擦系数，Dp为管节外径，Pm为泥浆压力，μm为管—岩摩擦系数。

本工程中Li在最大顶力17 000 kN条件下顶进距离为917 m。实际施工为避免较大顶力引起管节开裂，且为安全储备考虑实际主顶顶力不超过12 000 kN。8-2号无压洞顶进距

通过理论分析及工程对比印证，提出了适用于长距离岩石顶管中继间布置的方法，发现在破碎和完整性较好的岩石地层中，可分别采用管—岩全接触模型及管—岩下部接触模型计算中继间间距，且管—岩接触角度可分别取值为360°及60°。

观景口水利枢纽工程采用本文提出的长距离岩石顶管中继间布置方法，成功应用到3 224 m长的3号无压隧洞施工中，完成单向顶进1702 m，创造了我国同类工程超长距离顶管施工的新纪录，取得显著可观的效益。