鄭磊，曹慶喜

（中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司）

1 引言

由中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司（香港）承建的大直徑微型盾構(gòu)頂管工程是香港屯門區(qū)望后石主干渠務(wù)系統(tǒng)中難度最大（管徑最大且穿越巖層）且最為關(guān)鍵（管線最下游連接望后石污水處理廠）的施工項(xiàng)目。合同段共有8段頂管，總長(zhǎng)約860m。頂管采用鋼筋混凝土制作，內(nèi)徑2500mm，外徑2970mm，壁厚235mm，每節(jié)長(zhǎng)2000mm，混凝土強(qiáng)度為50MPa。

其施工地段處于青山山脈南麓，根據(jù)前期鉆孔情況，頂管所處地層均為巖性地層，管線穿越的大部分地層圍巖等級(jí)為II級(jí)。

2 TBM選型

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)查后，結(jié)合項(xiàng)目工期要求決定采用適用于巖層的泥水平衡法施工。根據(jù)工程量、工作強(qiáng)度及地質(zhì)條件，委托日本ISEKI公司設(shè)計(jì)并生產(chǎn)1臺(tái)泥水平衡式TBM微型盾構(gòu)機(jī)。

本TBM在傳統(tǒng)微型巖盤盾構(gòu)機(jī)的滾刀設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，引入了大型盾構(gòu)機(jī)的鉸刀以及土壓平衡盾構(gòu)機(jī)中的刮刀設(shè)計(jì)。刀盤選型對(duì)比如表1所示。

3 技術(shù)要點(diǎn)

在本項(xiàng)目泥水平衡法頂管施工中，整個(gè)施工過(guò)程由掘進(jìn)系統(tǒng)、頂推系統(tǒng)、測(cè)量糾偏系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、注漿減摩系統(tǒng)以及輔助保障系統(tǒng)協(xié)同完成。

3.1 掘進(jìn)系統(tǒng)

掘進(jìn)系統(tǒng)主要由刀盤和刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。需要注意的是，由于巖石本身軟硬程度及風(fēng)化程度不同，在同頂力的情況下，頂進(jìn)速度會(huì)突然降低甚至變?yōu)?。此時(shí)，不可盲目增大頂力（盲目增大頂力有可能造成刀具鎖死并導(dǎo)致非正常磨損，嚴(yán)重時(shí)可能造成驅(qū)動(dòng)電機(jī)燒毀），而要將頂推手柄放在持荷位置（既不前進(jìn)，也不回退），保持巖面阻力并使刀盤在同樣位置對(duì)巖體持續(xù)切削一段時(shí)間，然后向前推進(jìn)[1]。頂推過(guò)程中，操作人員要密切關(guān)注儀表盤上的迎面阻力、頂推力及頂推速度。

3.2 頂推系統(tǒng)

頂推系統(tǒng)是頂管施工的推進(jìn)動(dòng)力源，主要包括主頂油缸及中繼間，頂進(jìn)過(guò)程中，鋼筋混凝土管材和TBM工具在頂進(jìn)軸線上受力。

表1 刀盤選型對(duì)比

與主頂油缸接觸的管材承受的頂推力最大。實(shí)際頂進(jìn)過(guò)程中，其發(fā)生局部受壓破壞的風(fēng)險(xiǎn)也最大，為盡量減少因局部受壓造成的管材破壞，布置主頂油缸時(shí)，要盡量沿管材圓周均勻布置，活塞桿和管材之間應(yīng)引入分壓環(huán)。

由于管材所受摩擦力隨頂進(jìn)距離的增加而增大，當(dāng)所需頂推力超過(guò)主頂油缸的頂推能力或鋼筋混凝土頂管能承受的最大荷載時(shí)，需要設(shè)置中繼間。

頂推系統(tǒng)的工作核心是頂力控制。頂力控制包括以下二個(gè)方面：

1）工作千斤頂?shù)淖畲筝敵鲰斄?/p>

該項(xiàng)控制頂力其實(shí)就是頂進(jìn)設(shè)備的工作能力。根據(jù)參考文獻(xiàn)［2］中推薦的經(jīng)驗(yàn)公式，頂進(jìn)鋼筋混凝土管時(shí)，頂力估算公式為：

式中，P為計(jì)算的總頂力，kN；ω為管道單位長(zhǎng)度的自重，kN/m；L為管道的頂進(jìn)長(zhǎng)度，m；n為土質(zhì)系數(shù)，按管頂是否形成卸力拱而定，巖層、黏性土及含水量不大的粉土中，開(kāi)挖后能形成卸力拱的，n取1.5～2；砂土、含水量大的粉土、砂礫土，開(kāi)挖后不能形成土拱時(shí)，n取3～4。

結(jié)合本項(xiàng)目，最長(zhǎng)頂推距離L=160m, 管道單位長(zhǎng)度自重為ω=50.5 kN/m， n取1.75，可估算最大頂力約為14140kN，據(jù)此應(yīng)采購(gòu)8只最大輸出頂力為2000kN的頂推油缸作為主頂設(shè)備。

2）管材的允許壓力

在全截面參與受壓的理想情況下，管材能承受的壓力很大。但在頂進(jìn)過(guò)程中，實(shí)際頂進(jìn)軸線與理論頂進(jìn)軸線不可避免地會(huì)產(chǎn)生偏角。在這種情況下，管材實(shí)際上處于局部受壓，可以承受壓力便會(huì)衰減。

根據(jù)香港地區(qū)施工規(guī)范要求，采用BS EN 1916:2002《無(wú)鋼筋和鋼筋混凝土管和管配件》提供的計(jì)算方法，其實(shí)質(zhì)思路是將管材在頂進(jìn)時(shí)的接觸狀態(tài)分為二種：①全截面接觸；②非全截面接觸（偏角出現(xiàn)時(shí)）。根據(jù)管材的內(nèi)外徑之比得出管材在非全截面接觸時(shí)的荷載折減系數(shù)e，從而得出局部承壓下（最不利狀況）管材的允許承受壓力。

主要計(jì)算參數(shù)計(jì)算如下：

管材內(nèi)徑：di=2500mm

管材外徑：de=2970mm

管材壁厚：t=235mm

管材偏角：φ=0.3°（管材生產(chǎn)商建議）

水松板壓縮量：t1=5mm（試驗(yàn)得出）

管材縫隙寬度：d=detanφ-t1=10.6mm

水松板接觸寬度：

根據(jù)以上參數(shù)求得：

圖1 荷載折減系數(shù)查詢圖

從圖1查得：

荷載折減系數(shù)：e=0.44

管材名義強(qiáng)度：fck=50MPa

全截面接觸時(shí)管材接觸面積：

管材最大理論設(shè)計(jì)荷載：

全截面接觸時(shí)管材容許最大頂力：

非全截面接觸時(shí)管材容許最大頂力：

3.3 測(cè)量糾偏

測(cè)量糾偏系統(tǒng)由洞口電子經(jīng)緯儀、機(jī)頭標(biāo)靶、激光發(fā)射器、傾角羅盤、糾偏油缸、控制室顯示儀表以及糾偏旋鈕等組成。

在實(shí)際頂進(jìn)過(guò)程中，頂管機(jī)可能會(huì)發(fā)生方向偏差和自轉(zhuǎn)偏差。而方向偏差又包括軸線高程偏差和平面方位偏差。方向偏差通過(guò)控制面板上的糾偏旋鈕控制置于TBM機(jī)頭內(nèi)的4個(gè)糾偏油缸進(jìn)行控制；自轉(zhuǎn)偏差則通過(guò)反轉(zhuǎn)刀盤進(jìn)行控制。操作過(guò)程中，要做到勤糾和緩糾，過(guò)大的糾偏和過(guò)快的糾偏都可能使與機(jī)頭相連的第1節(jié)甚至前幾節(jié)管材因局部承壓而遭到破壞。

3.4 泥漿循環(huán)

泥漿循環(huán)系統(tǒng)主要由泥水倉(cāng)、錐形破碎總程、泥漿泵、中繼泵、旁通閥、截止閥、泥漿管道、沉淀池以及泥漿池等組成。泥漿循環(huán)系統(tǒng)的主要作用是：①作為將切削下來(lái)的巖體輸送至地面的載體；②平衡地下水壓力及巖體壓力。

由刀盤切削下來(lái)的巖塊在刀盤葉片的帶動(dòng)下不斷滾落到泥水倉(cāng)下部的破碎口，通過(guò)泥漿的吸入作用，巖塊在經(jīng)錐形破碎總程破碎到一定尺寸后和泥漿一起經(jīng)出漿管抽至沉淀池，經(jīng)過(guò)沉淀作用，上層泥漿循環(huán)進(jìn)入泥漿池，通過(guò)注漿管進(jìn)入泥水倉(cāng)，從而實(shí)現(xiàn)泥漿的循環(huán)。

3.5 注漿減摩

目前的注漿減摩系統(tǒng)使用的減摩材料大致可分為兩類：傳統(tǒng)的膨潤(rùn)土減摩泥漿和新型的高分子化學(xué)減摩劑，這兩種減摩材料對(duì)比情況如表2所示。

本項(xiàng)目施工地段屬濱海地區(qū)，受潮位影響地下水位變化較大。結(jié)合上述兩種減摩材料的特點(diǎn)，本項(xiàng)目采用兩種減摩材料混合的方法，具體配合比為1：1：98（膨潤(rùn)土：POLY-DRIVE聚合物：水）。上述混合物在經(jīng)過(guò)注漿機(jī)離心攪拌后形成一種絮凝狀漿體，通過(guò)鋼筋混凝土管上的注漿孔加壓注漿。

表2 減摩材料對(duì)比情況

3.6 輔助保障

輔助保障系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、水泵、履帶吊車、隨車吊、抓泥車及日常維修保養(yǎng)（刀頭更換、油泵維修和電力故障排除等）人員和設(shè)備。在實(shí)際頂管過(guò)程中，頂進(jìn)作業(yè)時(shí)間只占到了整個(gè)作業(yè)時(shí)間的43%。要提高TBM施工工效，應(yīng)降低其他作業(yè)時(shí)間在整個(gè)作業(yè)時(shí)間中的比重，這就要求各個(gè)輔助保障系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)，動(dòng)力、吊裝和排泥等關(guān)鍵設(shè)備要定期安排檢修、保養(yǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

合理選用泥水平衡式微型盾構(gòu)機(jī)，并針對(duì)地質(zhì)情況對(duì)刀盤和刀具設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，提高工程的可靠性，在保證施工進(jìn)度的同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益。本工程采用新型POLY-DRIVE聚合物加膨潤(rùn)土的注漿減摩方法，成功解決了聚合物減摩材料在地下水位頻繁變化巖層中的流失問(wèn)題，可以形成較為完整的泥漿套，顯著降低了摩阻力，使本工程日頂進(jìn)距離最長(zhǎng)為6.3m，月頂進(jìn)距離最長(zhǎng)為89m，均達(dá)到了在同等管徑和地質(zhì)條件下，同類施工方法中的國(guó)內(nèi)、外先進(jìn)水平。