大坡度岩石顶管施工关键技术应用

刘新星

(中国水利水电第五工程局有限公司,成都 610066)

0 引言

顶管施工是继盾构施工后,发展起来的一种新型的隧道工程暗挖技术。顶管施工技术在对土层的适应性范围、周边环境的保护、周围设施的施工扰动、施工安全可靠性、施工质量保证及施工经济效益等方面具有较大的优越性[1-3]。近年来,随着我国水利工程的快速发展,顶管施工技术应用场景不断扩充。邓章铁等[4]采用反顶对接施工技术并结合项目实际对顶管对接关键技术进行了研究;Zhang P et al.[5]以拱北隧道为例,对曲线顶管关键技术所面临的最具挑战性的方面进行了总结,并介绍了施工过程中采用的相关技术;韩红等[6]对硬岩顶管施工工艺及配套辅助系统进行了介绍;杨庆辉[7]分析了长距离岩石顶管工程面临的施工风险,总结了长距离岩石顶管施工关键技术;STERLING R L[8]讨论了顶管和微隧道方法的应用,并介绍了规划、设计和施工的各个方面。

综上所述,目前国内外对顶管施工技术展开了大量研究,包括顶管工程的基本原理、国内外工程经验及相关理论等,但是缺少对大坡度岩石顶管的施工研究。鉴于此,本文依托西彭水厂连通线大石路高地顶管项目,介绍大坡度岩石顶管的施工关键技术。

1 工程概况

西彭水厂连通线用于连通渝西工程东干线和嘉陵江干线,属于嘉陵江干线草街泵站向西彭水厂的备用输水线。连通线全长约18.06 km,设计为一根φ1.2 m的球墨铸铁管,设计流量1.2 m3/s。其中,全线顶管共17处,长约4.27 km,埋管长约13.79 km。西彭水厂连通线管道沿线浅丘与槽谷交错分布,槽谷内覆盖层一般厚约1～4m,局部地段覆盖层较厚,约5.0～13.3 m;沿线基岩岩性多为泥岩、粉砂岩、砂岩,少量页岩,管沟开挖覆盖层为普通土,强风化带基岩为硬土,弱风化泥岩、粉砂岩为软石,弱风化砂岩为次坚石。其中大石路高地顶管段长253.88 m,始发端与接收端高差约28.97 m、坡度高达6.55 °(见图1),对顶管施工工艺要求严格,施工难度极大。

图1 大石路高地顶管剖面

2 顶管施工关键技术

2.1 岩石顶管机选型与安装原理

结合西彭水厂联通线大石路高地顶管施工范围内地勘资料及现场实际情况,在保证项目安全、质量、进度前提下,结合项目设计报告及顶管专业施工经验,顶管采用泥水平衡施工工艺,选用全断面岩石顶管机。顶管机主要技术参数见表1。

表1 顶管机主要技术参数

所述的岩石顶管机有几个主要特点,使其非常适合于大坡度岩石顶管施工:①其强大的破岩能力使其可以处理硬度高达120 MPa的极硬岩石。配备圆盘式滚刀,这种锋利的工具具有性能稳定、耐磨性强、硬度高等特点,大大提高了切割刀盘的破岩能力。这在应对大坡度岩石顶管施工中经常遇到的坚硬而具有挑战性的地形时至关重要。②该机的施工速度快、效率高,部分原因是其特殊设计的大直径圆锥破碎仓。通过旋转、研磨和搅动,破碎仓可以对大块岩石进行二次破碎,使其更容易把岩石碎成泥浆,以方便从挖掘现场清除。③能够从机器上更换切割滚刀和刮刀,使其适用于长距离掘进,这对长距离岩石顶管施工至关重要。④在顶管施工过程中,机器的可视化和远程控制能力是至关重要的。操作人员可以在操作室实时监控整个施工过程,通过电子显示屏可以直观、准确地掌握切削速度、行走轨迹和工作状态。这样可以使操作更加精确和高效,减少施工过程中发生事故或其他问题的风险。该岩石顶管机的实物如图2所示。

图2 岩石顶管机

采用泥水平衡法的顶管施工主要内容包括:洞门止水环安装、主顶系统安装、顶管机的组装与调试,顶进施工,注入触变泥浆,顶管机姿态控制,进洞止水安装,泥浆置换等施工内容。

主顶系统是顶管机的一个重要组成部分,其安装过程通常包括以下步骤:测量和对准、轨道安装、后背墙安装、主顶油缸安装。

(1)测量和对准。在安装主顶系统之前,必须对顶管系统的位置和排列进行测量和检查,以确保主顶系统安装在正确的位置和正确的角度。

(2)轨道安装。在该项目中,顶管栏杆是用双支撑的25b型槽钢焊接的。在测量和确定坐标后,使用30 t汽车起重机将导轨放置到位,然后进行加固以保持稳定。导轨的位置和标高的允许偏差是:导轨的内侧距离:±2 mm;中心线:3 mm;顶部高程:0～3 mm。两根导轨应相互平行安装,其间距应与正在安装的管道直径相匹配。高度应与管道的设计高度相同或略高。纵向坡度应与管道的设计坡度一致,高度相等或略高于管道的设计标高。安装完毕后,在顶管施工过程中,导轨应牢固到位,不得移位,并有必要指派专人进行日常检查。

(3)后背墙安装。将靠背安装在主顶系统后面。在挖掘过程中,靠背支持顶升力,并为顶升系统提供一个稳定的基础。

一旦主顶系统安装完毕,就必须对其进行检查和测试,以确保其功能正常,可以投入使用。这可能涉及测试主顶系统的对准、顶升力和移动等因素。正确安装主顶系统对于顶管施工项目的成功和安全至关重要。

2.2 顶进施工

硬岩顶管顶进施工包括机头入仓、顶管机出洞、试顶进、正常顶进4个关键工艺。

(1)机头入仓

顶管施工前由人工配合电焊拆除封堵钢板,预留孔洞内砂石或铁块配重,人工配合30 t汽车吊吊入工作井孔洞内。

(2)顶管机出洞

为了防止顶管机进出时地表塌陷,孔环外的土壤加固措施是必不可少的。一种常见的方法是使用搅拌桩,即向土壤中注入水泥基灌浆料混合物,以提高其强度和稳定性。搅拌桩有助于在隧道孔周围形成一个加固环,在机器进入和退出时提供支持并防止土壤移动。同样重要的是,在开始顶管工作之前,确保土壤已经达到止水效果,以确保土壤有足够的稳定性来承受顶管过程中产生的力量。

(3)试顶进

由于顶管出洞处于加固区域,应将顶管机与顶管孔的轴线对准,以确保顶管机被顺利顶出孔道。还应仔细监测和控制顶进速度,以避免潜在的问题或事故。此外,在顶进过程中,测量和纠正顶管机的姿态也很重要,以确保管道出孔段的轴线得到正确控制和对准,这将有助于指导后续的顶管施工。

(4)正常顶进

在正常顶进过程中,开挖岩石和输送矿渣、泥浆的过程是连续的,需要定期监测和调整顶管机的姿态,以保证顶进过程的准确性和稳定性。此外,管道插口处的止水带和顶管铁的安装也必须谨慎而精确地进行,以确保顶管工作的质量。一旦完成了一个顶管段,就需要重新定位顶管机,开始下一节顶管。这个过程将持续到整个管道安装完毕。

2.3 泥浆减阻

使用触变性泥浆是顶管施工中的一项重要技术措施。触变泥浆在管道周围形成一个浆液套筒,可以减少管道与地面之间的摩擦阻力,使管道更容易顶进。同时,触变泥浆还通过对周围土壤提供支撑,有助于控制地面沉降。为了确保浆液套筒的稳定性,通常每隔2至4个管段就会设置灌浆孔,以防止形成任何空隙或缝隙。这有助于保持泥浆套筒的完整性,防止周围土壤塌陷或沉降。

注浆原则。在顶管施工过程中,灌浆孔的合理布置对保证触变泥浆的效果至关重要。灌浆孔应每2至4个管段间隔开来,并置于插口前或钢套环内,以形成均匀的浆液集结。这样可以防止浆液孔被堵塞,使灌浆工作顺利进行。触变泥浆的注入顺序应从前到后,并在一定距离后及时补充浆液。灌浆泵及输出压力应符合规范要求。

注浆质量控制措施。顶进施工前要做泥浆配合比实验,膨润土中蒙脱石含量要求≥60 %,其他触变泥浆性能指标参数如表2所示。

表2 触变泥浆性能指标

顶进后的管道外壁加固是保证顶进后管道稳定性和耐久性的重要步骤。使用混有粉煤灰的水泥砂浆作为膨润土泥浆的替代材料,可以有效提高管壁的强度和稳定性。注浆过程应谨慎进行,多次注浆,每次注浆之间要有足够的固化时间,以保证管壁与周围土壤之间的空间填充牢固、均匀。应持续观察注浆过程和管壁的情况,以发现变形或损坏,必要时采取纠正措施。用环氧树脂水泥对孔口进行最后的密封也很重要,以防止水渗透和腐蚀。

2.4 中继间安装

中继区对保证长距离顶管的安全和效率起着重要作用。通过将顶管划分为若干个区间并设置中继间,可以将顶力均匀地分配到各个区间,减少管道变形和损坏的风险。此外,使用中继间还可以减少每个区间所需的顶进力,可以大大减轻主顶系统的负荷,延长顶进设备的使用寿命。需要注意的是,中继间的设计和安装应按照相关标准和准则进行,以确保其可靠性和稳定性。

中继间的壳体应有足够的刚度,每个中继间按照16台千斤顶,每台千斤顶的顶力500 kN,即总顶力8000 kN,中继间总长度12 m,顶程9 m。同时在管道表面采取熔蜡措施,以减少顶进阻力。

在安装前必须确保继电器室处于良好状态。运输和吊装也应谨慎进行,以防止任何损坏。安装后还需对继电器室进行测试,确保其功能正常,然后再用于顶进作业。启动和拆除时也应按照正确的程序,认真有序地进行。

中继间内设备拆除后,采用C30细石混凝土对中继环进行抹面,并且在抹面时应沿外壳周圈挂φ6@100×100的钢筋网,防止混凝土脱落,混凝土抹面应与两侧管道内衬齐平。

2.5 顶管机姿态控制

2.5.1 顶进偏差产生的原因

当摩擦力矩不能补偿切割盘切割岩石时产生的扭矩时,就会发生滚动。过大的摩擦力会影响激光目标,使其偏离正常位置,造成测量、校准和除渣的问题。由于不同的顶进参数设置偏差、顶管机表面与地层之间的摩擦阻力不均匀、开挖面土压的差异和切割刀下切造成的地层阻力不同、开挖面岩层性质的差异等原因都会造成方向偏差。在顶进过程中,必须密切监测和控制垂直方向,随时纠正偏差值,使顶进方向的偏差保持在允许范围内。

2.5.2 顶管机的姿态监测

使用全站仪、经纬仪、水准仪等来测量顶管机轴线的偏转,并检查顶管机的姿态。

滚动角的监测。可以通过使用电子水平仪测量两个测量点之间的高度差来计算滚动圆心角。这种方法有助于监测顶管机在顶进过程中的滚动偏差。重要的是,要确保测量点的位置对称,处于同一水平面,以获得准确的测量结果。滚动监测示意如图3所示。

图3 滚动角的监测布置示意

A、B为测量点;a、b为顶管机发生滚动后,测量点所处的新位置;Ha、Hb为两点的高度;α为顶管机的滚动圆心角。

线段AB=2OA=2OB=定值

α=arcsin[(Hb-Ha)/AB]

式中,如果Hb-Ha>0,表明顶管机逆时针方向滚动;如果Hb-Ha<0,表明顶管机顺时针方向滚动。

竖直偏角的监测。电子水平仪直接测量顶管机倾斜角度的变化,向上或向下,与角度增量的变化方向相反。

水平偏角的监测。电子水平仪是一种用于测量两点之间高度差的工具,可以用来计算顶管机的滚动角度。

2.5.3 激光导向监测

激光引导系统是一种常用的方法,用于监测顶管机与设计线的偏差。一束激光从一个固定的参考点射向顶管机上的测量板。然后计算测量板的位置,并在控制屏幕上显示顶管机与设计轴的偏差。最后,控制室的操作员可以使用控制系统进行调整,以纠正顶管机的偏差。

在测量过程中,自动和手动控制相互修正,进一步提高了顶管机机器定位的准确性和精确性。

2.5.4 顶管机姿态调整

(1)滚动纠偏。通过扭转刀盘来纠正滚动偏差是一种方法,但它不一定是最有效或最高效的方法。纠正滚动偏差的其他方法包括调整顶升速度,调整液压千斤顶的推力,以及调整切割器的切割参数。所选择的方法取决于具体的情况和偏差的严重程度。必须持续监测滚动偏差,并及时进行调整,以确保顶管机保持正常运行。

(2)竖直方向纠偏。测量人员可以调整顶管机的转向和推进,以纠正偏差。例如,操作员可以将顶管机转向一侧或另一侧以纠正偏差,或调整推进速度,减慢或加快顶管过程以纠正偏差。测量人员必须密切监测偏差,并及时纠正,以确保顶管机保持在轨道上和允许的偏差范围内。

(3)水平方向纠偏。与竖直方向纠偏的原理相同。

纠偏过程中的注意事项:在调整刀盘的旋转方向时,要慢慢降低刀盘的旋转速度,以保持挖掘面的稳定。一段时间后,可以改变旋转方向。根据开挖面的地面情况调整提升参数,纠正顶进方向,防止偏差增大。在顶进过程中,要注意及时纠正偏差,减少偏差,然后继续向前顶进。

3 结语

通过西彭水厂连通线大石路高地顶管施工实践,探索总结了适用于大坡度岩石顶管的顶管机设备选型主要特点及主顶系统安装过程中的注意事项、顶进施工过程中使用触变泥浆减阻的注浆原则和注浆质量的控制措施及顶进后的管道外壁加固措施、顶管机顶进偏差产生的原因及顶进姿态控制的方法与注意事项等大坡度岩石顶管施工中的关键技术。同时,根据实践经验验证了这些关键技术的可行性。继续完善和优化这些技术对于确保大坡度岩石顶管工程的安全和高效施工具有重要意义。