王寶友 黃 欣 楊慶輝

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222）

1 引言

頂管法作為非開挖敷設(shè)地下管道的施工方法，具有噪聲低、干擾小、快速、高效等優(yōu)點(diǎn)，在城市管網(wǎng)施工中得到了廣泛應(yīng)用［1］。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的全面展開，頂管法施工技術(shù)由城市管網(wǎng)逐漸走向山嶺隧道（洞）。山嶺隧道（洞）不同于城市管網(wǎng)，其地質(zhì)多以巖石為主，長距離頂進(jìn)是山嶺隧道（洞）施工不同于城市管網(wǎng)的顯著特征，這給頂管法施工帶來了新的挑戰(zhàn)。隨著頂進(jìn)距離的增加，頂管法面臨的最大挑戰(zhàn)就是管道摩擦阻力逐步增加造成頂進(jìn)速度降低甚至預(yù)制管卡滯。在這方面，諸多專家學(xué)者均進(jìn)行了深入研究。韓選江［2］論述了直線和曲線頂管施工中影響頂推力的各種因素，通過頂力分析與計(jì)算，并結(jié)合大型頂管工程實(shí)例，針對其工程特點(diǎn)、場地惡劣環(huán)境和技術(shù)難度，詳細(xì)闡述頂進(jìn)施工方法的實(shí)際應(yīng)用及效果。王承德［3］對管道摩阻力計(jì)算公式進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出其適用范圍。王素偉［4］結(jié)合工程應(yīng)用對特大管徑長距離機(jī)械頂管施工中容易出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，提出了采用中繼間、加強(qiáng)注漿減阻以及頂管糾偏等措施解決長距離頂進(jìn)問題。李萬才［5］則從觸變泥漿制作及注漿工藝方面提出了減阻措施。吳建軍［6］詳細(xì)闡述頂管機(jī)頂進(jìn)方式、注漿減阻、中繼間使用等技術(shù)性問題，并借助工程實(shí)例提出了改進(jìn)措施。張斌梁等［7］針對軟土地層卡管提出中繼套管頂推方案，并獲得成功。

針對預(yù)制管卡滯問題，現(xiàn)有研究多集中在如何降低頂管機(jī)長距離頂進(jìn)期間摩擦阻力問題上，如減小超挖量［8］、注漿潤滑［9－10］、合理布置中繼間［11］等，且地質(zhì)多為軟土、淤泥質(zhì)土等，而對于巖石地層頂管機(jī)頂進(jìn)期間預(yù)制管卡滯原因及脫困技術(shù)卻未見深入研究。本文將結(jié)合觀景口水利工程，分析巖石地層預(yù)制管卡滯原因，提出卡管位置判別方法、預(yù)制管脫困技術(shù)等，并就如何預(yù)防預(yù)制管卡滯提出針對性改進(jìn)措施。

2 工程概況

觀景口水利樞紐是重慶市重點(diǎn)水源工程之一，輸水線路位于重慶東溫泉鎮(zhèn)至茶園段，線路總長21.6 km。其中，10座隧洞全長15.6 km，單洞最長3 193 m，開挖直徑為3.23 m，隧洞內(nèi)徑2.65 m。采用硬巖頂管施工技術(shù)，泥水平衡頂管機(jī)頂進(jìn)。

3 2#無壓洞工程地質(zhì)條件

試驗(yàn)段2＃無壓隧洞總長1 244 m，埋深4～120 m。該洞段圍巖主要有雷口坡組巖溶角礫巖、泥質(zhì)白云巖、炭質(zhì)頁巖及巖溶充填物；須家河組砂巖夾粉砂巖、泥巖及煤線；珍珠沖組泥巖、粉砂巖夾砂巖。

4 預(yù)制管卡滯經(jīng)過及原因分析

4.1 預(yù)制管卡滯經(jīng)過

2017年5月17日白班頂進(jìn)時(shí)，2＃中繼間頂力接近1 500 t，夜班出現(xiàn)頂力達(dá)到1 600 t無法閉合1＃中繼間情況。截至2017年5月17日，頂管機(jī)共掘進(jìn)548.9 m。5月21日，調(diào)高油壓使2＃中繼間頂力增加至2 100 t，仍然未能閉合1＃中繼間。在嘗試對2＃中繼間進(jìn)行閉合時(shí)，出現(xiàn)3＃中繼間頂力增大至2 100 t無法閉合2＃中繼間情況。由此判斷1＃和2＃中繼間之間、2＃和3＃中繼間之間均出現(xiàn)某處預(yù)制管卡滯情況。

4.2 預(yù)制管卡滯原因分析

綜合評估頂管機(jī)受困狀態(tài)及各地段圍巖情況，分析管材受困可能因素如下：

（1）地質(zhì)復(fù)雜，觸變泥漿流失、圍巖變形導(dǎo)致管材卡滯

2＃無壓隧洞已開挖完成部分，絕大部分地質(zhì)屬于Ⅳ類和Ⅴ類圍巖，整體比較破碎，存在較長的須家河底部炭質(zhì)頁巖區(qū)，從掘進(jìn)出渣情況看，地質(zhì)變化頻繁。

初步推斷，軟弱破碎圍巖缺乏自穩(wěn)能力，導(dǎo)致部分地段管材與洞壁之間空隙大部分被破碎巖體填充。

①圍巖中裂隙的存在，再加之地下水的作用，導(dǎo)致管道與洞壁間空隙內(nèi)的觸變泥漿流失，致使管壁與洞壁之間未能形成有效的泥漿套，使得預(yù)制管與洞壁間摩擦系數(shù)急劇增大，增加了頂進(jìn)阻力。

②部分地段存在軟巖變形，導(dǎo)致預(yù)制管被巖層緊密包裹，致使觸變泥漿作用空間減小，潤滑效果降低，摩阻力增大。在此種地層頂進(jìn)，短距離時(shí)，靠中繼間頂力可以克服頂進(jìn)正面阻力和管道周圍的摩擦阻力的聯(lián)合作用，但隨著掘進(jìn)距離的增加，管周摩阻力就越來越大［12］，待正面阻力和管道周圍的摩擦阻力之和大于中繼間頂力時(shí)，就會(huì)造成“頂不動(dòng)”情況發(fā)生。

（2）巖屑沉積

巖屑沉積為穩(wěn)定地層管周摩擦阻力增大的主要因素。主要有兩方面的原因造成巖屑沉積，一是泥水分離器分離效果差，致使部分泥渣隨進(jìn)漿被再次帶至刀盤開挖倉中，導(dǎo)致開挖下來的巖屑部分沉積在管材四周；二是因地層相對穩(wěn)定，巖石頂管機(jī)盾體與洞壁間間隙較大，因此極易造成頂管機(jī)頂進(jìn)期間刀盤開挖倉內(nèi)泥漿（含有大量碎渣）沿盾體與洞壁之間間隙返灌至預(yù)制管區(qū)域，并沉積在預(yù)制管底部。

5 預(yù)制管脫困技術(shù)

5.1 脫困方案比選

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況及預(yù)制管可能的卡滯原因，提出了預(yù)制管背后沉渣沖洗清理、分段破管增加中繼間兩種方案。按照安全、高效、成本低、可操作性強(qiáng)原則，首選預(yù)制管背后沉渣沖洗清理方案。若成功，則恢復(fù)頂進(jìn)；否則，采取預(yù)制管破除方案。

5.2 預(yù)制管背后沉渣沖洗清理

在不影響管材結(jié)構(gòu)的前提下，利用水鉆分段在預(yù)制管底部開φ230 mm的孔，利用高壓沖洗機(jī)沖洗底部沉渣，沖散且手工清理后進(jìn)行封堵，并及時(shí)補(bǔ)注觸變泥漿。

沖洗完成后，嘗試頂進(jìn)，未能實(shí)現(xiàn)脫困。分析認(rèn)為，阻力較大部位主要為炭質(zhì)頁巖（102環(huán)至82環(huán)），該段管節(jié)與洞壁密貼，圍巖由粘泥夾雜大塊巖石組成，具有遇水軟化及微膨脹性。雖然增加開孔數(shù)量、加大沖洗范圍和高壓注膨潤土，也未能實(shí)現(xiàn)脫困。在管壁沖洗無效的情況下，只有通過增加單管節(jié)平均受到的頂力，才有可能使管節(jié)重新恢復(fù)頂進(jìn)。

5.3 分段破管增加中繼間

5.3.1 安裝應(yīng)變計(jì)，確定卡管位置

要破除預(yù)制管，就要首先確定受困點(diǎn)。方法為在管材表面安裝應(yīng)變計(jì)，如圖1所示。

圖1 管材表面布設(shè)應(yīng)變計(jì)

由3＃中繼間向2＃中繼間方向施加頂力，再由2＃中繼間反向向3＃中繼間施加頂力，監(jiān)測應(yīng)力變化趨勢，從而確定頂力傳遞消失位置。管節(jié)應(yīng)力傳遞規(guī)律如圖2所示。

圖2 管節(jié)應(yīng)力傳遞規(guī)律曲線

通過應(yīng)力傳遞規(guī)律曲線分析可知，3＃～2＃中繼間之間阻力最大部位處于96＃管～83＃管之間，3＃中繼間頂力在傳遞至93＃管后基本上消失殆盡。對目前頂管受困現(xiàn)狀綜合分析后，決定對87＃管、91＃、95＃管進(jìn)行拆除，完成后首先閉合95＃管；然后在91＃管位置安裝臨時(shí)中繼間；最后通過91＃管臨時(shí)中繼間閉合87＃管并向前頂進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)脫困。

5.3.2 預(yù)制管拆除、支護(hù)及閉合

（1）預(yù)制管拆除

以91＃管為例，鉆孔前首先在91＃管內(nèi)部擬鉆孔位置環(huán)向畫出基準(zhǔn)線，以基準(zhǔn)線為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)向鉆孔，使孔位準(zhǔn)確、偏差可控。先用φ100 mm的水鉆環(huán)向連續(xù)鉆孔2道，將一節(jié)管材分成3部分，如圖3所示；然后鉆φ38 mm充填膨脹劑的孔，間距20 cm，如圖4所示。預(yù)制管兩側(cè)φ38 mm孔在軸線方向距離兩端面間距大于鋼承口在本節(jié)管道內(nèi)長度，目的是控制膨脹劑預(yù)裂混凝土?xí)r不破壞鋼承口，在管道閉合時(shí)通過鋼承口焊接連接相鄰管道。按此方案同步拆除 87＃、95＃管。

圖3 φ100 mm孔環(huán)向連續(xù)鉆孔展開布置示意

圖4 φ38 mm孔環(huán)向連續(xù)鉆孔展開布置示意

（2）隧洞支護(hù)

對91＃預(yù)制管拆除段裸露巖層進(jìn)行分析，炭質(zhì)頁巖較為松散，遇水極易脫落沉降。從拆除段看，巖層已完全將預(yù)制管抱死，決定對拆除段巖層擴(kuò)挖，外擴(kuò)至φ3.65 m，采用 14鋼拱架＋網(wǎng)噴進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)完成后，對未拆除段92＃、93＃、94＃預(yù)制管外側(cè)巖層采用風(fēng)鏟進(jìn)行擴(kuò)徑處理。

（3）預(yù)制管閉合及中繼間安裝

閉合95＃管并安裝91＃管位置臨時(shí)中繼間；然后通過91＃管位置臨時(shí)中繼間閉合87＃管并向前頂進(jìn)。

預(yù)制管拆除并完成隧洞支護(hù)后開始按計(jì)劃頂進(jìn)，3＃中繼間向前頂進(jìn)96＃管，96＃管順利向前移動(dòng)，95＃管留下的鋼承口與94＃管的鋼承口順利對接，然后進(jìn)行兩個(gè)鋼承口的焊接。焊接完成后支模澆筑環(huán)氧砂漿，為保證環(huán)氧砂漿澆筑質(zhì)量必須保證焊縫焊接牢固、嚴(yán)密不透水。最后在鋼承口位置安裝工字鋼骨架，95＃管閉合完成，如圖5所示。

圖5 95#管閉合

閉合95＃管的同時(shí)用環(huán)氧砂漿將91＃管兩個(gè)端面找平，完成后，安裝臨時(shí)中繼間油缸，如圖6所示；之后，用3＃中繼間將92＃管與臨時(shí)中繼間閉合；再利用臨時(shí)中繼間向前推動(dòng)90＃、89＃、88＃管與 86＃管閉合，并繼續(xù)頂進(jìn)至2＃中繼間閉合。至此2＃和3＃中繼間之間預(yù)制管脫困成功。后采用拆管方案解決了1＃和2＃中繼間之間預(yù)制管卡滯問題。至此預(yù)制管全部脫困成功。

圖6 中繼間安裝

6 預(yù)制管防卡措施

（1）提高膨潤土潤滑效果

在不良地質(zhì)段施工期間，節(jié)理較發(fā)育，且存在裂隙水，膨潤土流失嚴(yán)重，未能形成有效的觸變泥漿套，以至于摩阻力增大。在選擇高質(zhì)量膨潤土的基礎(chǔ)上，可考慮引入潤滑效果較好且可以填充巖層裂隙的高分子材料，注入預(yù)制管背后空隙，以降低摩擦阻力。

（2）提高前部預(yù)制管觸變泥漿注漿效果

配置兩套觸變泥漿注漿系統(tǒng)，一套集中填充1?！?＃預(yù)制管背后空隙，確保空隙能夠得以及時(shí)填充，提高潤滑效果，同時(shí)也可部分阻止刀盤部位泥渣的侵入；另一套系統(tǒng)則用于補(bǔ)充觸變泥漿。前期，觀景口項(xiàng)目觸變泥漿泵控制泥漿閥站達(dá)24個(gè)以上，致使第一環(huán)預(yù)制管背后空隙難以及時(shí)充滿觸變泥漿；改進(jìn)后，填充及潤滑效果明顯改善。

（3）購置分離效果較好的泥水分離器

因預(yù)制管背后沉渣過多，除巖層剝落外，泥水分離器分離泥渣不徹底導(dǎo)致部分泥渣再次被帶入刀盤開挖倉，且開挖倉泥漿攜渣效果不佳，以至于過多的泥渣未能有效帶出。建議采購可以拌制攜渣泥漿且分離效果較為理想的泥水分離器，通過攜渣泥漿提高泥渣吸出效率，同時(shí)提高渣水分離效果。

（4）優(yōu)化中繼間空間布置

為應(yīng)對較為復(fù)雜的地質(zhì)情況，提高單預(yù)制管平均所受頂推力，降低預(yù)制管卡滯幾率，可考慮縮短中繼間布置間距。觀景口項(xiàng)目最初設(shè)計(jì)每150 m布置一套中繼間，后在不良地質(zhì)占比較高的隧洞調(diào)整為100 m安裝一套，取得了較好效果。

7 結(jié)束語

巖石頂管機(jī)在超長距離山嶺隧道（洞）中施工，預(yù)制管卡滯是頂進(jìn)過程中最可能遇到的問題。通過本次預(yù)制管脫困處理，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。但在此過程中，也曾走了不少彎路，如最初采用沉渣沖洗清理，就沒有起到應(yīng)有的效果。因此，卡管處理的重點(diǎn)是要準(zhǔn)確分析原因，制定針對性措施。當(dāng)然，在長距離隧道（洞）中采用頂管機(jī)施工，最關(guān)鍵的還是要首先考慮解決如何降低管周摩阻力問題，如采購優(yōu)質(zhì)膨潤土、高效的泥水分離設(shè)備、縮短中繼間布置間距、安裝清渣裝置等以杜絕預(yù)制管卡滯問題的出現(xiàn)方為上策。