頂管技術(shù)是地下工程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有安全、可靠、環(huán)保及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。近年來，隨著我國水利工程的快速興建，頂管技術(shù)研究逐漸深入。依托南水北調(diào)大興支線施工工程，研究了泥水平衡式頂管在水利工程中的應(yīng)用；根據(jù)太原市水西關(guān)道路改造工程，研究了大直徑頂管的施工工藝；以港珠澳大橋連線拱北隧道口工程為對象，研究了曲線頂管的施工情況。但是國內(nèi)頂管技術(shù)多用于土體或巖性較弱的巖體，對于強(qiáng)度高于80MPa的巖體，在巖石頂管機(jī)、頂進(jìn)施工工藝和配套輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面發(fā)展并不成熟。本文結(jié)合薊州區(qū)輸水線路工程中硬巖頂管施工情況，探討了施工過程中形成的成套硬巖頂管施工工藝，并就盾構(gòu)機(jī)選型、泥水處理系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了深入研究。
一、工程概況
薊州區(qū)東后子峪地表水廠水源輸水線路工程是薊州區(qū)農(nóng)村飲水提質(zhì)增效工程中的一部分，主要任務(wù)是輸送生活用水，生活用水保證率為95%，設(shè)計(jì)日輸水量3萬m3，輸水能力0.35m3/s。輸水線路主要由兩段壓力管線和一段隧洞組成，引水隧洞前段638m采用頂管式掘進(jìn)機(jī)開挖。開挖段巖體地質(zhì)情況復(fù)雜，巖性以頁巖、白云巖和砂巖為主，最大單軸抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到80MPa以上，對頂管施工工藝要求嚴(yán)格。
二、巖石頂管機(jī)造型與工作原理
本工程頂管施工具有以下特點(diǎn)：大直徑頂管，管徑2000mm；長距離頂管，一次最大頂進(jìn)距離400m。相較其他頂管施工工藝，泥水平衡式破巖頂管更加適合大直徑、長距離工程情況，所以被確定為本工程施工工藝。
（1）巖石頂管機(jī)選型
巖石頂管機(jī)需要破碎頁巖、白云巖和砂巖等巖體，巖石強(qiáng)度高達(dá)80MPa，本工程選用WNS-2000巖石頂管機(jī)作為頂進(jìn)設(shè)備。
該巖石頂管機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①控制便利，主頂、泥漿泵、糾偏系統(tǒng)等均由PLC可編程控制器直接控制，方便施工過程中的控制管理；②集成了先進(jìn)的液壓、導(dǎo)向技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在巖體中的快速、準(zhǔn)確掘進(jìn)；③全斷面、面板式刀盤設(shè)計(jì)，提高了機(jī)頭刀盤的整體性，使刀盤結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固；④多個(gè)進(jìn)漿噴射口設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)不同地層要求；⑤配備高效錐式二次破碎裝置，使巖體完全破碎；⑥設(shè)有艙門，艙門上裝有土壓傳感器和預(yù)留球閥，確保工作人員安全。
（2）巖石頂管機(jī)工作原理
（1）平衡原理。該頂管機(jī)是一種具有破碎能力的泥水平衡式頂管機(jī)，可以將切削下來的巖石在泥水倉中形成塑性體，以平衡土石壓力；同時(shí)，可以在泥水倉內(nèi)建立起高于地下水壓力10～20 kPa的泥水、泥漿體系，以平衡地下水壓力；對于挖掘面完全巖石的土質(zhì)，不易形成塑性體，可在進(jìn)水中添加適當(dāng)比重的黏土成份，在巖體外側(cè)形成不透水泥膜，實(shí)現(xiàn)地下水壓力、土石壓力的平衡。
（2）初步破巖原理。頂管機(jī)的刀盤切割面裝有合金滾動(dòng)滾刀和固定刮刀，刀座和刀盤采用耐磨焊條進(jìn)行焊接，形成一個(gè)整體。滾刀和刮刀在刀盤上呈全段面布置，施工過程中，刀盤在液壓裝置和電機(jī)裝置的驅(qū)動(dòng)作用下邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊向前頂進(jìn)，刀盤上的滾刀隨之在工作面巖體上滾動(dòng)，刀尖對巖體滾動(dòng)擠壓，使巖體出現(xiàn)破裂；同時(shí)，刮刀對破裂的巖體進(jìn)行切割，使巖體脫落，實(shí)現(xiàn)對工作面巖體的初步破碎。
（3）二次破巖原理。初步破巖后，會(huì)產(chǎn)生一些大塊堅(jiān)硬石塊，經(jīng)刀盤開口進(jìn)入二次破碎艙后，刀盤背部的牛腿與錐形破碎艙下部的突起耐磨破碎筋會(huì)組成剪切破碎結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次破碎。耐磨破碎筋為破碎結(jié)構(gòu)的固定端；刀盤牛腿為破碎結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)端。在刀盤的運(yùn)動(dòng)作用下，二者配合形成剪切系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大塊石的二次破碎。
二次破碎倉
三、頂管施工工藝
1、頂進(jìn)前準(zhǔn)備
在頂管施工前，需要對頂進(jìn)裝置進(jìn)行安裝，包括導(dǎo)軌、千斤頂、油泵和頂鐵等。
（1）導(dǎo)軌安裝。選用鋼制材料導(dǎo)軌，順直、平行、等高地進(jìn)行安裝�？v坡與管道設(shè)計(jì)坡度一致，安裝后對導(dǎo)軌進(jìn)行檢查，確保導(dǎo)軌牢固，不會(huì)在使用中產(chǎn)生滑動(dòng)。
（2）千斤頂安裝。千斤頂以管線中心所在垂線為對稱軸進(jìn)行安裝，確保頂進(jìn)合力作用在管道中心線上，不會(huì)出現(xiàn)頂進(jìn)偏移。
（3）油泵安裝。油泵安裝在千斤頂附近，油管盡量順直，減少轉(zhuǎn)角；油泵與千斤頂配套使用，配備備用油泵，防止頂進(jìn)過程中出現(xiàn)意外情況導(dǎo)致油泵失效；油泵安裝完畢后，先進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，再進(jìn)行施工。
（4）頂鐵安裝。選用足夠剛度、整體澆筑而成的頂鐵，若采用焊接成型的頂鐵，要確保焊縫低于表面且沒有脫焊，防止在頂進(jìn)過程中損壞；頂鐵安裝時(shí)相鄰面要互相垂直；在頂鐵上應(yīng)當(dāng)設(shè)置鎖定裝置，確保頂進(jìn)過程安全。
2、初始穿墻頂進(jìn)
基坑的鋼筋混凝土底板施工完成后，利用機(jī)械切割法在井壁開孔。在洞口處安裝止水鋼圈，上設(shè)置止水膠圈，達(dá)到止水效果。洞口安裝好止水圈后，將工具頭吊起，用環(huán)形頂鐵對準(zhǔn)工具頭尾部，利用千斤頂將工具頭緩緩?fù)七M(jìn)到井壁洞內(nèi)。安裝好所有管線（電力電纜、信號線、油管、觸變泥漿管）后，轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，向工作倉注入一些泥漿，進(jìn)入正常頂進(jìn)工序。
頂管穿墻時(shí)，要注意防止工具管的下跌。在穿墻初期，由于工具管入土距離較小，管道的自重僅由導(dǎo)軌和入土后較淺的土體兩點(diǎn)承擔(dān)。此時(shí)作用于土體支撐面上的應(yīng)力可能會(huì)超過土體的允許承載力，造成工具頭下跌。因此，在初頂穿墻時(shí)，可采用一個(gè)向上的初始角進(jìn)行頂進(jìn)（約5'），同時(shí)在穿墻管下部進(jìn)行支托，加強(qiáng)管段之間的連接作用。
工具管的推進(jìn)一定要迅速。穿墻管內(nèi)的土體暴露時(shí)間越長，施工過程中危險(xiǎn)性越大，頂管穿墻位置處必須做好止水，防止孔口因減阻泥漿的流失導(dǎo)致減阻失效，甚至發(fā)生孔口塌陷。
初始穿墻頂進(jìn)
3、正常頂進(jìn)
正常頂進(jìn)過程中，頂進(jìn)一節(jié)管道結(jié)束后，先回縮千斤頂，然后拆開水、電、氣、通風(fēng)、泥漿等管線，吊入下一節(jié)的管段，調(diào)直對中，安裝好接頭的止水材料和頂鐵，再接通各管線，開動(dòng)油泵頂進(jìn)一個(gè)千斤頂?shù)木嚯x，對頂進(jìn)過程進(jìn)行測量和糾偏，安放頂鐵繼續(xù)頂進(jìn)，直至頂進(jìn)一個(gè)管節(jié)，再重復(fù)本過程。正常頂進(jìn)要伴隨觸變泥漿的注入，遵循邊注漿邊頂進(jìn)、不注漿不頂進(jìn)的原則；在重新開始頂進(jìn)前，要先對整個(gè)管路進(jìn)行補(bǔ)漿。
4、頂入接收井
當(dāng)頂管接近接收井位置時(shí)，先對本段管道的實(shí)際長度與設(shè)計(jì)長度進(jìn)行復(fù)測，符合設(shè)計(jì)值后，通過測量得出頂管機(jī)出口的具體位置。利用機(jī)械切割法鑿除出口位置的混凝土護(hù)壁，確保頂管機(jī)可以破碎洞口處的巖石。頂管機(jī)入洞時(shí)要快速頂進(jìn)。遇到地下水豐富的情況，要用棉紗對管和洞口間的空隙做封堵處理，等頂管機(jī)完全出洞后再用水玻璃或水泥漿壓住止水。在頂管機(jī)出洞后，要及時(shí)將機(jī)頭與管道分離，將機(jī)頭吊出井外，并及時(shí)處理井內(nèi)泥漿和洞口的封門止水。
5、注意事項(xiàng)
（1）保持壓力平衡。施工過程中要保持土倉內(nèi)開挖面和水土壓力的動(dòng)態(tài)平衡，無論是掘進(jìn)階段還是停止掘進(jìn)階段，必須動(dòng)態(tài)設(shè)定切口壓力，防止切口壓力波動(dòng)，從而保證土體穩(wěn)定。
（2）合理控制速度。在同步注漿及管節(jié)壁后注漿充足、環(huán)流系統(tǒng)通暢的情況下可以加快施工速度，快速頂進(jìn)及早為管節(jié)背后注漿創(chuàng)造條件，以利于管道的穩(wěn)定和地表沉降的控制。當(dāng)頂管穿過地面建筑、管道、管線等下方時(shí)，減緩頂進(jìn)速度，密切關(guān)注頂管推力和掘進(jìn)速度變化，確保頂進(jìn)過程的安全性。根據(jù)施工段工程條件，設(shè)置合理施工速度。
（3）保護(hù)刀盤刀具。刀盤刀具的磨損情況是制約施工的重要因素之一。在施工過程中用小推力低轉(zhuǎn)速推進(jìn)，保護(hù)刀盤的受力結(jié)構(gòu)；對施工中的頂管機(jī)溫度和泥漿處理設(shè)備的出漿口溫度進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立刻停止作業(yè)，保護(hù)刀片安全；確保頂管機(jī)密封艙可靠密閉性，防止漏水、漏漿、涌水、噴水、噴砂等現(xiàn)象損壞刀盤刀片。同時(shí)，可以采取適當(dāng)加厚滾刀刀刃、增加耐磨焊條等措施提高刀片的抗磨性能。
四、施工輔助系統(tǒng)
（1）泥水循環(huán)系統(tǒng)
泥漿對頂管施工過程中工作面的穩(wěn)定起著重要作用。泥漿濃度越高，工作面穩(wěn)定效果越好，但流體運(yùn)輸設(shè)備和泥水處理設(shè)備的負(fù)擔(dān)也會(huì)增加，需要良好的泥水循環(huán)系統(tǒng)。泥水循環(huán)系統(tǒng)的組成如下。
①送排泥管路：送排泥管路是頂管機(jī)和泥水處理設(shè)備間的輸送管路，為施工過程運(yùn)送泥漿。②接力泵：接力泵是泵送過程中的二次供能裝置。隨著管道的延長，排泥管泥水密度增大，輸送壓力降低，不利于出漿。接力泵可以防止排泥壓力降低導(dǎo)致的泵送失敗。③排礫裝置：當(dāng)排泥管中混入礫石或其他固結(jié)物體時(shí)，會(huì)影響泥水輸送效率，造成管道堵塞。礫石破碎裝置可以將其破碎，消除排泥管中的礫石堵塞。④旁通管：遇到軟弱土層時(shí)，切削后的泥土?xí)斐膳拍喙芸诙氯�，通過旁通管排出堵塞泥土，確保施工安全。
（2）泥水處理系統(tǒng)
泥水處理系統(tǒng)是對泥水平衡過程中排出的泥水進(jìn)行分離的系統(tǒng)。系統(tǒng)采用泥漿凈化裝置與旋流器組合進(jìn)行分離。由泥漿凈化裝置和旋流器分離出來的的砂石泥土集中裝車，運(yùn)至場外垃圾消納點(diǎn)處理。經(jīng)過泥漿凈化裝置和旋流器處理完成的泥漿（大部分是水）重新循環(huán)使用。
組合泥水分離器
（3）測量系統(tǒng)
（1）平面控制網(wǎng)建立。地面上根據(jù)設(shè)計(jì)的井位軸線控制樁定位。工作井施工結(jié)束后，按工作井穿墻孔實(shí)際坐標(biāo)與設(shè)計(jì)終點(diǎn)的坐標(biāo)測量放線，定出管道頂進(jìn)軸線并投放到工作井測量平臺(tái)和井壁上。在工作井四周建立測量控制網(wǎng)，并定期復(fù)核各控制點(diǎn)。投放頂管測量始測點(diǎn)和2個(gè)后視點(diǎn)，始測點(diǎn)設(shè)在頂管后座專用測量平臺(tái)上，后視點(diǎn)設(shè)于穿墻孔上部的井壁上，定期互相校核。
（2）管道軸向測量。采用高精度激光經(jīng)緯儀對管道進(jìn)行軸向測量。測量采用導(dǎo)線測量法，測量平臺(tái)設(shè)在頂管后座處。測量光靶安裝在掘進(jìn)機(jī)尾部，測量時(shí)用激光經(jīng)緯儀直接測量機(jī)頭尾部的測量光靶位置，并根據(jù)機(jī)頭內(nèi)的傾斜儀計(jì)算機(jī)頭實(shí)際狀態(tài)。
（3）管道水準(zhǔn)測量。在地面上把永久性水準(zhǔn)引測至井邊，通過垂直吊鋼尺引測至井下，設(shè)臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)，在管道內(nèi)架設(shè)水準(zhǔn)儀測至機(jī)尾部標(biāo)靶，得到機(jī)頭高程偏差。為確保機(jī)頭準(zhǔn)確進(jìn)洞，在頂進(jìn)的最后30~50m，通過人工測量方式對管道進(jìn)行全線復(fù)核。
（4）糾偏系統(tǒng)
糾偏系統(tǒng)主要包括糾偏千斤頂、油泵站、位移傳感器和傾斜儀，控制施工中的頂管機(jī)推進(jìn)方向。通過地面操作室的操作臺(tái)遠(yuǎn)程控制糾偏系統(tǒng)，利用安放在糾偏千斤頂上的位移傳感器來實(shí)現(xiàn)糾偏量的控制，通過一個(gè)糾偏千斤頂?shù)慕M合式動(dòng)作實(shí)現(xiàn)糾偏動(dòng)作。
五、結(jié)語
薊州區(qū)東后子峪地表水廠水源輸水線路工程在施工過程中，通過硬巖頂管機(jī)選型，具體施工工藝設(shè)計(jì)如施工前準(zhǔn)備工作、初始穿墻頂進(jìn)、正常頂進(jìn)過程、頂入接收井等工藝設(shè)計(jì)，以及施工過程中的配套輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了80MPa巖體硬巖頂管施工，形成了一套較為成熟的硬巖頂管施工工藝。這為131=19*10/2-9*7-3類似的大斷面、長距離硬巖頂管施工提供了借鑒。
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