硬岩中顶管施工的关键技术研究

韩 红，李云龙，王 伟，祁 飞

（1.天津市蓟州区水利工程项目服务中心，天津 301900；2.天津大学建工学院，天津 300350）

顶管技术是地下工程建设的关键技术之一，具有安全、可靠、环保及适应性强等特点[1]。近年来，随着我国水利工程的快速兴建，顶管技术研究逐渐深入。刘惠鹏[2]依托南水北调大兴支线施工工程，研究了泥水平衡式顶管在水利工程中的应用；范春香[3]根据太原市水西关道路改造工程，研究了大直径顶管的施工工艺；谈力昕[4]等人以港珠澳大桥连线拱北隧道口工程为对象，研究了曲线顶管的施工情况。但是国内顶管技术多用于土体或岩性较弱的岩体，对于强度高于80 MPa 的岩体，在岩石顶管机、顶进施工工艺和配套辅助系统设计等方面发展并不成熟[5]。本文结合蓟州区输水线路工程中硬岩顶管施工情况，探讨了施工过程中形成的成套硬岩顶管施工工艺，并就盾构机选型、泥水处理系统等关键技术问题进行了深入研究。

1 工程概况

蓟州区东后子峪地表水厂水源输水线路工程是蓟州区农村饮水提质增效工程中的一部分，主要任务是输送生活用水，生活用水保证率为95%，设计日输水量3 万m³，输水能力0.35 m³/s。输水线路主要由两段压力管线和一段隧洞组成，引水隧洞前段638 m 采用顶管式掘进机开挖。开挖段岩体地质情况复杂，岩性以页岩、白云岩和砂岩为主，最大单轴抗压强度可以达到80 MPa以上，对顶管施工工艺要求严格。

2 岩石顶管机造型与工作原理

本工程顶管施工具有以下特点：大直径顶管，管径2 000 mm；长距离顶管，一次最大顶进距离400 m。相较其他顶管施工工艺，泥水平衡式破岩顶管更加适合大直径、长距离工程情况，所以被确定为本工程施工工艺。

2.1 岩石顶管机选型

岩石顶管机需要破碎页岩、白云岩和砂岩等岩体，岩石强度高达80 MPa，本工程选用WNS-2000岩石顶管机作为顶进设备，主要性能参数详见表1。

表1 顶管机主要性能参数

该岩石顶管机具有以下优点：①控制便利，主顶、泥浆泵、纠偏系统等均由PLC可编程控制器直接控制，方便施工过程中的控制管理；②集成了先进的液压、导向技术，可以实现在岩体中的快速、准确掘进；③全断面、面板式刀盘设计，提高了机头刀盘的整体性，使刀盘结构更加稳固；④多个进浆喷射口设计，可以适应不同地层要求；⑤配备高效锥式二次破碎装置，使岩体完全破碎；⑥设有舱门，舱门上装有土压传感器和预留球阀，确保工作人员安全。该岩石顶管机的实物，如图1所示。

图1 岩石顶管机实物

2.2 岩石顶管机工作原理

（1）平衡原理。该顶管机是一种具有破碎能力的泥水平衡式顶管机，可以将切削下来的岩石在泥水仓中形成塑性体，以平衡土石压力；同时，可以在泥水仓内建立起高于地下水压力10～20 kPa 的泥水、泥浆体系，以平衡地下水压力；对于挖掘面完全岩石的土质，不易形成塑性体，可在进水中添加适当比重的黏土成份，在岩体外侧形成不透水泥膜，实现地下水压力、土石压力的平衡。

（2）初步破岩原理。顶管机的刀盘切割面装有合金滚动滚刀和固定刮刀，刀座和刀盘采用耐磨焊条进行焊接，形成一个整体，顶管机的刀盘构造如图2 所示。滚刀和刮刀在刀盘上呈全段面布置，施工过程中，刀盘在液压装置和电机装置的驱动作用下边转动边向前顶进，刀盘上的滚刀随之在工作面岩体上滚动，刀尖对岩体滚动挤压，使岩体出现破裂；同时，刮刀对破裂的岩体进行切割，使岩体脱落，实现对工作面岩体的初步破碎。

图2 顶管机刀盘构造

（3）二次破岩原理。初步破岩后，会产生一些大块坚硬石块，经刀盘开口进入二次破碎舱后，刀盘背部的牛腿与锥形破碎舱下部的突起耐磨破碎筋会组成剪切破碎结构进行二次破碎，二次破碎舱如图3所示。耐磨破碎筋为破碎结构的固定端；刀盘牛腿为破碎结构的运动端。在刀盘的运动作用下，二者配合形成剪切系统，实现大块石的二次破碎。

图3 二次破碎仓

3 顶管施工工艺

硬岩顶管施工工艺流程，如图4所示。

图4 施工工艺流程

3.1 顶进前准备

顶进系统结构如图5 所示，在顶管施工前，需要对顶进装置进行安装，包括导轨、千斤顶、油泵和顶铁等。

图5 顶进系统结构

（1）导轨安装。选用钢制材料导轨，顺直、平行、等高地进行安装。纵坡与管道设计坡度一致，安装后对导轨进行检查，确保导轨牢固，不会在使用中产生滑动。

（2）千斤顶安装。千斤顶以管线中心所在垂线为对称轴进行安装，确保顶进合力作用在管道中心线上，不会出现顶进偏移。

（3）油泵安装。油泵安装在千斤顶附近，油管尽量顺直，减少转角；油泵与千斤顶配套使用，配备备用油泵，防止顶进过程中出现意外情况导致油泵失效；油泵安装完毕后，先进行试运转，再进行施工。

（4）顶铁安装。选用足够刚度、整体浇筑而成的顶铁，若采用焊接成型的顶铁，要确保焊缝低于表面且没有脱焊，防止在顶进过程中损坏；顶铁安装时相邻面要互相垂直；在顶铁上应当设置锁定装置，确保顶进过程安全。

3.2 初始穿墙顶进

基坑的钢筋混凝土底板施工完成后，利用机械切割法在井壁开孔。在洞口处安装止水钢圈，上设置止水胶圈，达到止水效果。洞口安装好止水圈后，将工具头吊起，用环形顶铁对准工具头尾部，利用千斤顶将工具头缓缓推进到井壁洞内。安装好所有管线（电力电缆、信号线、油管、触变泥浆管）后，转动刀盘，向工作仓注入一些泥浆，进入正常顶进工序。进洞口的止水圈和初始穿墙顶进的现场施工，如图6所示。

图6 初始穿墙顶进

顶管穿墙时，要注意防止工具管的下跌。在穿墙初期，由于工具管入土距离较小，管道的自重仅由导轨和入土后较浅的土体两点承担。此时作用于土体支撑面上的应力可能会超过土体的允许承载力，造成工具头下跌。因此，在初顶穿墙时，可采用一个向上的初始角进行顶进（约5'），同时在穿墙管下部进行支托，加强管段之间的连接作用。

工具管的推进一定要迅速。穿墙管内的土体暴露时间越长，施工过程中危险性越大，顶管穿墙位置处必须做好止水，防止孔口因减阻泥浆的流失导致减阻失效，甚至发生孔口塌陷。

3.3 正常顶进

正常顶进过程中，顶进一节管道结束后，先回缩千斤顶，然后拆开水、电、气、通风、泥浆等管线，吊入下一节的管段，调直对中，安装好接头的止水材料和顶铁，再接通各管线，开动油泵顶进一个千斤顶的距离，对顶进过程进行测量和纠偏，安放顶铁继续顶进，直至顶进一个管节，再重复本过程。正常顶进要伴随触变泥浆的注入，遵循边注浆边顶进、不注浆不顶进的原则；在重新开始顶进前，要先对整个管路进行补浆。

3.4 顶入接收井

当顶管接近接收井位置时，先对本段管道的实际长度与设计长度进行复测，符合设计值后，通过测量得出顶管机出口的具体位置。利用机械切割法凿除出口位置的混凝土护壁，确保顶管机可以破碎洞口处的岩石。顶管机入洞时要快速顶进。遇到地下水丰富的情况，要用棉纱对管和洞口间的空隙做封堵处理，等顶管机完全出洞后再用水玻璃或水泥浆压住止水。在顶管机出洞后，要及时将机头与管道分离，将机头吊出井外，并及时处理井内泥浆和洞口的封门止水。

3.5 注意事项

（1）保持压力平衡。施工过程中要保持土仓内开挖面和水土压力的动态平衡，无论是掘进阶段还是停止掘进阶段，必须动态设定切口压力，防止切口压力波动，从而保证土体稳定。

（2）合理控制速度。在同步注浆及管节壁后注浆充足、环流系统通畅的情况下可以加快施工速度，快速顶进及早为管节背后注浆创造条件，以利于管道的稳定和地表沉降的控制。当顶管穿过地面建筑、管道、管线等下方时，减缓顶进速度，密切关注顶管推力和掘进速度变化，确保顶进过程的安全性。根据施工段工程条件，设置合理施工速度。

（3）保护刀盘刀具。刀盘刀具的磨损情况是制约施工的重要因素之一。在施工过程中用小推力低转速推进，保护刀盘的受力结构；对施工中的顶管机温度和泥浆处理设备的出浆口温度进行监测，一旦发现异常，立刻停止作业，保护刀片安全；确保顶管机密封舱可靠密闭性，防止漏水、漏浆、涌水、喷水、喷砂等现象损坏刀盘刀片。同时，可以采取适当加厚滚刀刀刃、增加耐磨焊条等措施提高刀片的抗磨性能。

4 施工辅助系统

4.1 泥水循环系统

泥浆对顶管施工过程中工作面的稳定起着重要作用。泥浆浓度越高，工作面稳定效果越好，但流体运输设备和泥水处理设备的负担也会增加，需要良好的泥水循环系统。泥水循环系统的组成如下。①送排泥管路：送排泥管路是顶管机和泥水处理设备间的输送管路，为施工过程运送泥浆。②接力泵：接力泵是泵送过程中的二次供能装置。随着管道的延长，排泥管泥水密度增大，输送压力降低，不利于出浆。接力泵可以防止排泥压力降低导致的泵送失败。③排砾装置：当排泥管中混入砾石或其他固结物体时，会影响泥水输送效率，造成管道堵塞。砾石破碎装置可以将其破碎，消除排泥管中的砾石堵塞。④旁通管：遇到软弱土层时，切削后的泥土会造成排泥管口堵塞，通过旁通管排出堵塞泥土，确保施工安全。

4.2 泥水处理系统

泥水处理系统是对泥水平衡过程中排出的泥水进行分离的系统。系统采用泥浆净化装置与旋流器组合进行分离，如图7 所示。由泥浆净化装置和旋流器分离出来的的砂石泥土集中装车，运至场外垃圾消纳点处理。经过泥浆净化装置和旋流器处理完成的泥浆（大部分是水）重新循环使用。

图7 组合泥水分离器

4.3 测量系统

（1）平面控制网建立。地面上根据设计的井位轴线控制桩定位。工作井施工结束后，按工作井穿墙孔实际坐标与设计终点的坐标测量放线，定出管道顶进轴线并投放到工作井测量平台和井壁上。在工作井四周建立测量控制网，并定期复核各控制点。投放顶管测量始测点和2 个后视点，始测点设在顶管后座专用测量平台上，后视点设于穿墙孔上部的井壁上，定期互相校核。

（2）管道轴向测量。采用高精度激光经纬仪对管道进行轴向测量。测量采用导线测量法，测量平台设在顶管后座处。测量光靶安装在掘进机尾部，测量时用激光经纬仪直接测量机头尾部的测量光靶位置，并根据机头内的倾斜仪计算机头实际状态。

（3）管道水准测量。在地面上把永久性水准引测至井边，通过垂直吊钢尺引测至井下，设临时水准点，在管道内架设水准仪测至机尾部标靶，得到机头高程偏差。为确保机头准确进洞，在顶进的最后30~50 m，通过人工测量方式对管道进行全线复核。

4.4 纠偏系统

纠偏系统主要包括纠偏千斤顶、油泵站、位移传感器和倾斜仪，控制施工中的顶管机推进方向。通过地面操作室的操作台远程控制纠偏系统，利用安放在纠偏千斤顶上的位移传感器来实现纠偏量的控制，通过一个纠偏千斤顶的组合式动作实现纠偏动作。

5 结语

蓟州区东后子峪地表水厂水源输水线路工程在施工过程中，通过硬岩顶管机选型，具体施工工艺设计如施工前准备工作、初始穿墙顶进、正常顶进过程、顶入接收井等工艺设计，以及施工过程中的配套辅助系统设计，实现了80 MPa 岩体硬岩顶管施工，形成了一套较为成熟的硬岩顶管施工工艺。这为类似的大断面、长距离硬岩顶管施工提供了借鉴。