长距离岩石顶管施工关键技术研究

刘 正 中交一公局华南工程有限公司

1 前言

我国在长距离岩石地层污水导排系统施工方面，通常采用顶管技术，而且获得了显著的成效，但是因为长距离岩石顶管施工结构非常复杂，对技术有着较高的要求，所以必须全面掌握岩石顶管机设备、刀盘和刀具的选择，并完善润滑减阻技术、长距离导向和纠偏施工技术，从而提高经济效益和社会效益。

顶管技术主要指使用各种设施设备的顶力，来缓解附近土壤中的摩擦力，将管道按照规定的坡度顶到土壤里面，并完成土方的转运，反复操作就可以达到持续施工的目的，需要结合具体工程的地势地貌、地质条件、附近环境和施工情况等因素来选择合理的顶管施工技术[1]。对于长距离的管道，应选择封闭式的顶管，通过有多次破碎功能的岩盘泥水顶管机对前方的岩体进行切削，而后方应使用油缸筒或者气压仓等辅助完成。

2 岩石顶管机设备的选择

顶管机主要包括土压平衡式和泥水平衡式两种，前者应用在地层条件比较好、地下水含量较少的区域，不适用于小断面、长距离、运输条件较差的隧洞；后者的应用范围非常广泛，能够将掘进泥渣转变为泥水并排出洞外，以便在洞外展开泥浆制备和处理。设备合理选型与进行针对性设计是长距离岩石顶管施工成败的关键。岩石顶管机设备的选择对于长距离岩石顶管的施工质量发挥着决定性的作用，具体应满足以下要求：第一，顶管设备必须要具备一次性顶进2km的能力，而且整个设备的性能必须稳定可靠，并保证其成洞质量符合标准要求；第二，切削最大饱和抗压强度应达到90MPa；第三，泥浆性能必须符合长距离顶进的施工标准；第四，设备的可操控性必须灵活、精度要高；第五，顶管机必须携带快速回退功能，以便在施工过程中出现无法吊出工作井的现象时，能够快速拆卸、回退和后续的组装，如果地质条件非常恶劣，该功能还能够及时应对施工过程中出现的紧急情况；第六，顶管机还要有一定的变径功能。

3 刀盘和刀具的选择

施工过程中所用的刀盘和刀具，应结合当地的地质条件和岩层硬度进行选择，如果岩盘泥水顶管机是大口径、全断面的，通常使用面板式的刀盘，在刀盘上往往会配备刀具刀座、碴石出口、添加剂注入口和连接在主轴承的小零件[2]。刮刀或者刮碴板通常处于面板的碴石出口两边，并且滚刀布置面板也就是刀座。滚刀是为了破碎岩体，通过刀具在快速滚动过程中形成的冲击力和碾压力来破碎岩石。滚刀只能滚动，无法进行其他处理，而且在安装方面必须重视其周边滚刀的角度，才能维持滚刀的固定切削直径状态，并增加滚刀的使用期限。在配置方面，应尽可能多的增加滚刀，同时每个滚刀中的间距必须合理，以免由于间距过大而出现“岩脊”的情况以及由于间距过小而出现的碎石，进而影响破岩效果。具体来说，正刀的刀间距应控制在50mm～120mm，软岩层应选择最大值，硬岩层应选择最小值；石灰岩地层的刀间距应控制在80mm；花岗岩地层应控制在50mm；整体布置时最好控制在70mm；在刀盘的中心处应添加多刃组合的滚刀。

4 润滑减阻技术

4.1 岩石地层顶管施工润滑减阻存在的问题

在常规顶管施工过程中，管节外壁摩阻力较强，远远超过正面阻力，摩阻力会随着顶进长度的不断增加而逐渐增大，在对其注入适量触变泥浆后，变固体间的滑动摩擦为固液间的滑动摩擦，通过此种方式，能够有效地降低阻力。基于此，在顶进施工过程中，通过采用适量的触变泥浆，能够促使顶进阻力在此作用下逐渐减小，降低安全事故的发生概率，并且作为降低阻力的重要手段。

触变泥浆注入管节壁，通常情况下最常采用两种方式：其一，与顶管机尾部同步进行注浆并加注；其二，通过采用管节上多点对称预留孔向管节璧均匀注入，使之填充于管节外壁和周围土体间的空隙，形成泥浆套，减小管壁与土体间的摩阻力。通常在刚注入触变泥浆的情况下，其会形成胶装液体，流动性与润滑性相对较为良好；当经过一定的时间静置后，泥浆会逐渐形成胶凝状，对土体具有较强的支撑作用；继续顶进时泥浆被触动，在其相关特性充分发挥作用的情况下，从而形成胶装液体。在具体顶管施工的过程中，触变泥浆呈液态一凝胶状一液态交替循环变化，直到顶进贯通。通过触变泥浆减阻和泥浆套的理论能够在土层顶进中得到良好的验证，在岩石地层中尚无应用实例。

根据相关项目长距离岩石顶管施工实践效果，对以下所存在的差异性进行分析。岩石具备较强的自稳能力，由于隧洞和管节外币之间存在了一定的间隙始终存在，长此以往成为前后连通的通道，在地下水等其他流动性影响下，不能成为泥浆套，在大量膨润土流入刀盘后，循环泥浆会将其带走。在顶进过程中，由于掌子面破岩，从而使形成的石渣会通过超挖间隙向后流动进入管节外壁与洞壁间隙，使管节上浮，严重时会使管节与拱顶岩面直接接触。当膨润土与石渣不断长期混合后，底部石渣与触变泥浆的混合物由于长期受到管道重量挤压、水分流失后会从而形成泥饼，导致摩阻力不断快速增强。围岩破碎的洞段，触变泥浆会渗入到岩石裂隙，在其润滑性的作用下，加大围岩失稳的风险。富水段和裂隙发育地层中，触变泥浆漏失严重，不能更好地提供润滑作用。

4.2 应对措施

4.2.1 确定触变泥浆配比

触变泥浆的成分主要有膨润土、粉末化学浆糊、纯碱和水，应根据当地的地质条件进行针对性配比，根据相关研究表明，触变泥浆配比为膨润土∶水∶纯碱∶粉末化学浆糊＝1∶6∶0.035∶0.015，这样的浆液具有良好、稳定的触变性能，而且稠度合理。在实际的施工过程中，还应根据顶管机的各项参数和岩层状态对触变泥浆的配比进行调整。

4.2.2 控制出渣泥水压力和触变泥浆压力

在完整岩层中进行顶进时，必须在维持正常循环的基础上，最大限度地降低出渣系统掌子面的泥水压力，选择常压模式，泥水仓水位应控制在大约半仓，以免开挖石渣回流到管壁和洞壁之间的缝隙中，同时，还应合理调整触变泥浆的注入压力，以免进入刀盘而造成流失。

4.2.3 监控摩阻力指导顶进施工

通过对主顶和中继间顶力变化的监测，分析各个段落的摩阻系数，摩阻力最好调整为每平方米3kN；如果摩阻力超过每平方米5kN，必须提高重视；如果摩阻力超过每平方米8kN，应通过清理沉渣等对策来降低摩阻力。

4.2.4 控制触变泥浆黏度

正常洞段触变泥浆的马氏黏度在90s左右；岩层破碎洞段触变泥浆的马氏黏度应大于120s，以免增加漏失量；在特殊情况下可以添加高分子材料，以增加黏度，提高保水率。

4.2.5 保持触变泥浆润滑效果

如果岩层较好而且地下水丰富，触变泥浆流失量较大，经过稀释会大大降低润滑效果，应针对性的停止注浆或者只注入高分子材料。

5 长距离导向和纠偏施工技术

5.1 陀螺仪导向原理

在进行顶管测量的时候，所利于的仪器为陀螺仪+静力水准仪，测量方法在于控制测量。顶管导向系统作为一种科学的惯性导航系统，工作时，需要以移动物体作为目标和方向，然后根据物体的移动速度对其坐标进行计算。

5.2 顶管施工方向的控制

顶管施工技术可以适用于直线和曲线管道中，然而在实际施工过程中必须要展开针对性的控制。对直线顶进工作来说，应稍微降低顶进路线的偏差；对曲线顶进来说，必须控制其施工方向。岩石地层的顶管控制通常在刀盘转动切削过程中完成，或者进行在调整千斤顶的过程中，不同于常规的顶管控制，常规的顶管是以停止刀盘转动的方式来控制的，而岩石地层的顶管应根据刀盘转动前进的方向和各个关节之间木环衬垫的弹性展开调整。对直线岩石地层的顶管施工来说，最难的是怎么样才能预防由于细小岩粒和岩粉进入管道而发生机头卡住现象。所以，刀盘的间隙应控制在70mm～80mm。对弯曲岩石地层的顶管施工来说，应根据具体的曲线半径来增加刀具间的间隙，如果管道的弯曲半径为300m，应将刀具的间隙控制在大约50mm，然而整条管道都应根据刀盘的切削路径展开前进，从而使铺设的管线满足标准要求[3]。

表1 顶管管道允许偏差

方向控制要点：

（1）对于趋势值的控制要严格。操作人员需要从控制实际出发，根据导向系统进行偏差值和趋势值的计算，然后根据设备的实际状态来判断其趋势是否接近“o”位，趋势值需要控制在±3mm/m范围中。

（2）对漂移值进行确定。在确定漂移值的时候，需要将水平方向的偏差给予掌握，然后确定顶管机在测量过程中所发生的姿态变化，根据实际的标准分析偏差角度，设定补偿值，也就是需要确定的漂移值，再进行导向系统的输入。漂移值的设定范围控制在0～1，取值的微小差异都会对方向的确定造成较大影响，所以需要严格进行控制，保证取值合理，方便对下一次的测量值进行验证，数据分析时，必须要做好数据的累计，然后保证取值符合基础数据。

（3）做好顶进和控制测量配合。在进行顶进操作的时候，要注意保证和测量值之间的配合作用，保证顶管机处于一种实际的姿态，保证漂移值的精确确定；顶进操作的过程中，需要严格的根据数据信息系统，对顶管机的姿态确定，然后严格控制调整幅度，一旦发现顶管机存在异常，就要再次进行二次测量，保证顶管机最后处于一种正常姿态。

（4）根据当地地质条件总结经验。顶进操作和控制测量需要在符合当地实际的条件下进行确定，然后对施工的经验进行总结，探索不同地质条件下的不同方向变化，从而掌握合理的漂移值，控制顶进方向。

（5）复核测量十分关键。为了保证方向控制的准确性，就要在顶进过程中，复核测量顶进轴线，保证轴线之间没有太大差异，在导向系统数据变化大的背景下，需要将复核的频率加大，保证测量的经确定。

5.3 纠偏技术

5.3.1 纠偏原则

实现管节按设计轴线顶进，应当更加注重控制顶进轴线的偏差，同时有效控制纠偏量。及时对铰接油缸的行程进行良好的调节，确保将其持续控制在轴线的标准范围内。顶管操作纠偏控制的主要原则为：“勤纠、缓纠、提前纠”，同时，对轴线变化的自然规律加以重视、关注，多次进行纠偏，每一次尽可能地少量纠正；一旦出现较大的图片或是变化情况较为严重的情况下，对于纠偏情况不要操之过急，根据较长的距离进行纠偏，保证顶管的推进的顺利性；在具体纠偏过程中，应当在实操时对相关规律进行有效的摸索与拿捏，提前对量度进行掌握、分析。对纠偏的幅度进行严格的控制，确保正规的操作流程，全程操作应当按照相关标准与要求进行，在顶进过程中，需要按照小幅并多次的持续纠偏为标准进行，使顶进方向能够逐渐复位，杜绝一次性大幅纠偏，避免造成不利影响。

5.3.2 纠偏技术措施

纠正顶管的偏差，最重要的就是做好预防工作，不要在严重超差后才展开纠正。陀螺仪导向系统因为其显示的偏差就是计算值，在顶进过程中有极大的可能发生测量设备偏航角和实际偏航角不符的现象，从而导致超差严重。因此，为了最大限度地避免超差问题，应按照实际偏差实施控制测量，在需要的情况下，每10m做一次测量。在顶进过程中，如果管位偏差大约为30mm，必须进行校正，将左右铰接油缸的差值最好1次调整2mm，左右铰接油缸偏差值不能高于20mm；上下铰接油缸的差值最好1次调整2mm，最大偏差不能高于15mm。如果方向很难控制，应在每掘进1m～2m时做1次调整[4]。一旦发生特殊情况，必须及时告知技术主管，以便一起制定控制计划，同时应根据实际施工情况，严格按照标准操作步骤进行多次测量、多次纠偏、多次复核。为了防止纠偏范围过大而增加顶进难度，并损坏管节，每次纠偏范围最好控制在5mm以内。

6 结束语

随着长距离岩石顶管施工技术在我国的水利工程领域日益普及，工程条件对施工技术有了更高的要求，尤其是对于断层破碎带、高压富水段、岩层收敛和掉块、触变泥浆的配比、岩石顶管施工的指导理论等方面，依旧需要根据未来的工程不断进行系统性的研究，只要持续积累经验，完全掌握长距离岩石顶管施工中的关键技术，才能促进岩石顶管技术的长远发展，从而为我国的基础设施建设奠定坚实的基础。