超长距离岩石顶管工程沉渣处理研究_赵彦春.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022超长距离岩石顶管工程沉渣处理研究赵彦春(中铁十八局集团隧道工程有限公司,重庆 400700)摘要:随着硬岩顶管隧洞施工距离的不断增长,渣料通过超挖间隙流动到管壁四周,沉渣增多将抬升管道使其上部与岩壁接触,导致顶管施工的摩阻力急剧增加,给长距离顶管施工带来极大的风险和挑战。如何通过清渣减小摩阻力是长距离岩石顶管施工中关键技术。以观景口水利枢纽工程无压隧洞硬岩顶管施工为实例,结合岩石地层摩阻力计算公式提出了相应的沉渣处理时机,提出了硬岩顶管机沉渣处理技术,包括:中继间掏渣槽制作、中继间井内安装、中继间布置及应用及中继间掏渣作业。经现场试验证明,此方法具有低成本、高效率的特点,可有效降低岩石地层顶管摩阻力,实现了 3#无压隧洞 3 224 m 硬岩顶管施工世界纪录。相关成果可为同类顶管隧洞施工提供有益借鉴。关键词:长距离;硬岩顶管;顶进摩阻力;沉渣处理中图分类号:TU990.3文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0772-05Study on Sediment Treatment of Ultra-Long-Distance Rock Pipe Jacking EngineeringZhao Yanchun(China Railway 18th Bureau Group Tunnel Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 400700,P.R.China)Abstract:As the construction distance of hard rock pipe jacking tunnel continues to increase,the slag flows around the pipe wall through the over-dug gap,and the increase of sediment will lift the pipe and make its upper part contact with the rock wall,resulting in a sharp increase in friction resistance of pipe jacking construction,bringing great risks and challenges to long-distance pipe jacking construction.How to reduce friction resistance through slag removal is the key work content in long distance rock pipe jacking construction.To view the mouth water conservancy hub project as no pressure tunnel in hard rock water pipe jacking construction as an example,combining the calculation formula of rock strata friction first the sediment of the corresponding processing time,and then puts forward the hard rock roof pipe sediment processing technology,including:slag tank production in the intermediate jacking station,application of intermediate jacking station,arrangement of intermediate jacking station,slagging at the slag tank.The field test proves that this method has the characteristics of low cost and high efficiency and can effectively reduce the pipe-jacking friction of rock stratum.The world record of hard rock pipe jacking construction of No.3 non-pressure tunnel is realized.Relevant results can provide beneficial reference for similar pipe jacking tunnel construction.Keywords:long distance;hard rock pipe jacking;jacking friction;sediment removal收稿日期:2022-07-14(修改稿)作者简介:赵彦春(1973),女,河北深泽人,高级工程师,主要从事 TBM 隧道施工及管理、顶管机隧道施工等方面研究工作。E-mail:zhaoyanchun2025 基金项目:国家重点研发计划(2018YFC1504802);重庆市技术创新与应用示范专项社会民生类重点研发项目(cstc2018jscx-mszdX0071)0引言顶管施工技术作为一种快速、经济和安全的非开挖管节敷设和隧道施工方法,具有施工精度高,综合成本低,环境污染小,可以穿越公路、铁路、机场、既有建筑的优点1-2。近年来,顶管技术在中国不断取得新的发展,已广泛应用于石油、天然气、市政给排水等工程3-5。而在水利行业中目前直径 3 m 以下的长距离小直径水工隧洞建设大多采用明挖法、传统钻爆法或者悬臂掘进机法,传统施工方法存在征地移民问题突出,对周边环境干扰大,工期长,安全风险高等问题6-9。长距离岩石顶管工程中,泥水型岩顶管机在掘进时主要是以水力出渣方式将刀盘开挖下来的渣料通过泥浆循环设备携带至洞外的泥水分离器,由于刀盘与开挖断面存在超挖间隙,且泥浆中的细颗粒渣料不能完全被带出,一部分渣料通过超挖间隙流动到管壁四周,进而沉淀在管材与岩壁之间,沉渣首先沉积在管材底部,随着沉渣的增多,范围逐步 扩 大,同 时 将 抬 升 管 道 使 其 上 部 与 岩 壁 接触10-12。这种情况下,将使顶管施工的摩阻力急剧增加,给长距离顶管施工带来很大的风险和困难,甚至会导致顶管失败。在石渣流动到管壁四周的初期,还未形成结块,具有一定的流动性。可见,管节底部沉渣是一个不容忽视的问题,其影响了管岩 接 触 压 力 分 布 以 及 浆 液 浮 力,进 而 影 响 顶力10-11。清渣能有效改善管 岩接触状态,是长距离岩石顶管工程中减小摩阻力、预防卡管的重要举措,如何在早期就有效的清理已经沉淀在管材和管壁之间的石渣,从而有效的降低摩阻力,对长距离硬岩顶管施工而言是非常有必要且关键的。因此,及时清渣作为长距离硬岩顶管中成了不可缺少的关键工序,可保证顶管机在施工中能够持续、稳定的进行。1工程概况观景口水利枢纽是重庆市重点水源工程之一,位于巴南区五布河干流上,水库坝址位于巴南区东泉镇上游约 4.5 km 的双胜村,距重庆市市中心约55 km。输水线路工程主要包括输水线路包括 8 座无压隧洞、2 座有压隧洞、7 座暗涵、3 座倒虹吸(分别由埋管 7 段、管桥 4 座、竖井 5 座组成)、6 个分水口、4 座检修洞、1 座退水闸 1 座节制闸、及沿线的排水排气放空阀井等附属建筑物等,其中隧洞工程 采 用 硬 岩 顶 管 机 进 行 施 工,有 压 隧 洞 内 径2.65 m,总长 13 393 m,无压隧洞内径 2.00 m,总长 1 589 m,顶管施工洞段超 1 000 m 的隧洞有 8段,且工程沿线地质结构较复杂,存在泥岩层、砂岩、石灰岩、岩溶、炭质页岩以及地下水丰富等,工程施工面临巨大挑战。施工采用德国海瑞克(herrenknecht)公司生产的泥水平衡硬岩顶管机,刀盘直径 3.236 m,主机重量 55 t,主机配套设备有刀盘液压泵站、电气控制柜、泥浆泵变频柜、变压器、中继间液压泵站、操作室、主顶进装置、操作室、泥水分离器等。针对观景口水利枢纽工程隧洞长距离的特点专门采用设计可回退、可变径技术,通过精确的陀螺仪导向实现地中精准对接,并且在施工有压隧洞时变径,顶管机可重复利用,可有效降低设备成本和施工风险。2沉渣处理原理及方法硬岩顶管机掘进成型后的隧洞是封闭空间且与地层隔决,想要清理管节与岩层间隙内的沉砂必须采取特殊的方式,这种方式一是不能破坏正常混凝土管节,造成隧洞渗入地下水;二是要在实际的施工中便于实施,操作简单,并且在完成隧洞掘进后可以恢复隧洞内的封闭结构;三是该技术实施后效果有助于减小摩阻力的增加,保证隧洞顺利惯通。综合以上要求,通过对中继间结构的研究,中继间经过局部改造后可以有效解决上述问题,并且中继间的改造可以提前在洞外进行,可以减小洞内的作业时间,提高顶管机的掘进效率,中继间结构图如图 1(a)中继间横断面图和图 1(b)中继间纵断面图。沉渣处理方法主要通过在中继间前端管的钢筒上制作缺口,通过设计对缺口部分加以改造,当顶力超过预期施工效率或者管材底部沉积渣量到达一定状况时,通过缺口以人工方式直接将管材底部沉渣进行清理,以达到增大管材与开挖洞壁的间隙,减小摩阻力的目的。考虑到准确判断底部沉渣范围是进行清渣工作的前提,参考相关文献10-11提出的岩石地层顶管管岩接触状态(如图 2 所3772022 年增刊 2赵彦春:超长距离岩石顶管工程沉渣处理研究示)图 1中继间布置图Fig.1Layout of intermediate jacking station及摩阻力计算方法,选用处于正常顶进状态下管岩处于 底 部 填 充 接 触 模 型 计 算 摩 阻 力 f(如 公式(1)。式(1)中,Dp为管节外径;Kc为管 岩接触不均匀导致的接触压力增大系数;Gc为管节自重;Gs为管节配重;为沉渣与管节接触角度一半;R 为管节半径,H 为液体自由液面离管节顶面高度;m为管 浆摩阻力系数;s为管 岩摩阻力系数;m为泥浆重度;fk为轴线偏差引起的摩阻力增大系数。对于本工程,混凝土密度 2.55 g/cm3,m为1.1 g/cm3,管节外径 Dp为 3.17 m,R 为 1.585 m,Kc为 1.087,Pmm为 0.3 kN/m2,Gs为 0.55 kN/m,摩擦系数 s选用 0.332,H 为 0,fk为 1。参考文献11,13,选取管节顶部浆液水头高度 H为 0 较为合理,以底部沉渣范围不超过 120作为限值计算清渣摩阻力限制 f0,此时 为 60,计算可得 f0为 27.07 kN/m,实际工程中当单位长度摩阻力持续超过该值则应立即采取清渣措施。值得注意的是,该限值是采用注浆效果良好情况下管 岩摩擦系数,而测得的管节与底部沉渣之间的摩擦系数相对较高,该值具有一定的安全储备。f=KcGc+Gs-mR2(-)-2(H+R)Rsin-R22sin2|s+(-)DpPmm()fk(1)图 2典型管 岩接触状态示意图10-11Fig.2Schematic diagram of typical pipe-rock contact state10-113沉渣处理步骤沉渣处理流程:中继间掏渣槽制作中继间井下安装顶力控制中继间掏渣作业隧洞贯通后的拆除闭合。3.1中继间掏渣槽制作中继间结构件运至工地后,先将中继间前端管竖直放置并吊装油缸及油缸支架(如图 3),然后水平放置中继间前端管,并将油缸支架与中继间前端钢筒焊接牢固(如图 4)。油缸支架焊接牢固后将最