松散地層中水平巷道快速掘進施工法

李月先 沈艷忱 張冠洲 陳 卓 趙普山 郭靜明

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京210029;2.解放軍理工大學國防工程學院，江蘇 南京210007;3.解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京210007;4.71887 部隊，山東 煙臺265800;5.南京軍區(qū)司令部，江蘇 南京210007;6.解放軍65587 部隊，吉林 四平136001)

我國的西北地區(qū)有些金屬礦層蘊藏于松散地層中。這種地層主要由松散的沙粒、碎石和卵石等組成，其結(jié)構松散、膠結(jié)性差、穩(wěn)定性弱。在這種地層的水平巷道掘進中進行鉆孔爆破法或機械開挖法施工時，需減少震動和擾動，通常采用先支護后掘挖、邊掘挖邊封閉等。如果在水平巷道切口或掘挖斷面變形量較大或塌方量較大時，須視具體情況進行超前錨桿、錨索、小直徑鋼管支護，超前鋼管棚支護，超前小直徑鋼導管預注漿支護等［1］。如何滿足支護、掘進和量測等水平巷道掘進的鉆孔爆破法、機械開挖法施工的基本要求，為在松散地層中進行水平巷道掘進的安全施工、快速施工和低耗施工，實現(xiàn)信息化、機械化施工，有必要進行施工新工藝、新技術的研究。

1 大直徑地涵快速施工實例與原理

1.1 案例概況

某省某主河北延送水工程是國家南水北調(diào)建設項目的骨干工程。該工程中橫穿某河的地涵位于某縣的粉質(zhì)土層中，采用雙排雙層(共4 條設于河床下地涵)鋼筋混凝土頂管工藝施工。鋼筋混凝土管節(jié)內(nèi)徑為3 500 mm，壁厚為330 mm，節(jié)長為2 500 mm，混凝土為C50，頂管總長度為450 m。鋼筋混凝土管頂部段距河床底800 mm，距河水面13.47 m。經(jīng)頂管施工方案的技術經(jīng)濟分析，采用2 套D3500 大刀盤泥水平衡頂管掘進機快速施工。

1.2 技術原理與分類

非支護暗挖地道式施工有液壓頂管法和盾構法等。針對地涵工程的實際情況和特點，使用液壓頂管法為宜。

1.2.1 技術原理

液壓頂管法的掘進施工是依靠油泵的頂力，使掘進機從出發(fā)的工作井處開始掘進，邊掘進邊頂進;當頂距具有1 節(jié)管節(jié)的長度后，收回頂進體，吊入管節(jié)體;然后，再進行下一循環(huán)的邊掘進邊頂進;當掘進機進入接收的工作井內(nèi)，將掘進機吊出。液壓頂管法的技術原理如圖1 所示［2］。由各管節(jié)的封閉連接形成了使用的空間，掘進施工人員在這空間里操作，無需進行施工支護，既安全又快速。

圖1 液壓頂管技術原理Fig.1 Schematic diagram of hydraulic jacking technology

1.2.2 液壓頂管掘進分類

液壓頂管掘進形式可分為手掘式、擠壓式、半機械式和機械式(泥水平衡、泥漿平衡、土壓平衡、巖石掘進機式等)。

1.3 泥水平衡式頂管掘進特點和組成

1.3.1 掘進特點

泥水平衡式頂管掘進，以平衡松散土體的壓力和地下水的壓力進行頂掘施工。其特點:①相對其他頂管形式，其液壓總頂力較小;②對頂管壁周邊的土體擾動少;③泥水管道輸土，速度較快;④工作井內(nèi)的施工環(huán)境較好，有利安全施工;⑤頂管掘進機設備較簡便，適用于粉質(zhì)土、砂質(zhì)土等松散的地層。

1.3.2 掘進設備

泥水平衡頂管掘進設備組成:①頂管掘進機;②液壓頂進泵和控制系統(tǒng);③減摩泥漿制作與泵壓系統(tǒng);④泥水管道輸渣系統(tǒng);⑤激光測量、監(jiān)控系統(tǒng)。

該工程的2 個涵首分別在某主河的兩岸，全長550 m。單套泥水平衡頂管掘進施工平均15 m/d，掘輸土渣204 m3/d。實際工期為22 個月，掘進開挖土方為22.9 萬m3，漿砌塊石為2.80 萬m3，澆筑混凝土為3.30 萬m3，當時的工程投資為10 904 萬元［2］。該水涵的頂管掘進法施工當時是我國首次在復雜地層中雙排雙層、長距離、大直徑橫穿大河的成功案例。工程質(zhì)量達到國家水利工程驗收標準，一次驗收順利通過。

2 水平巷道快速掘進施工法試驗

針對某些金屬礦山在松散地層中進行水平巷道掘進的需要，將大直徑地涵液壓頂管快速施工法的相關技術原理、施工工藝和技術進行深入研究，并在松散地層的水平巷道掘進中進行試驗研究。

2.1 頂力的分析與計算

2.1.1 頂力的分析

頂管掘進機和管節(jié)的主要受力為土體壓力、管節(jié)的自重和兩者所產(chǎn)生的摩阻力及掘進前方與土體的正面阻力，如圖2 所示。

圖2 頂管掘進和管節(jié)的受力示意Fig.2 The force diagram of pipe jacking and pipe coupling

2.1.2 頂力的計算

由圖2 可得頂管掘進時頂力計算公式

式中，Rf為總頂力，kN;F 為管周摩擦阻力，kN;PA為迎面阻力，kN;μ 為管土摩擦系數(shù);qN為管體承受的法向壓力，kN;W 為管段自重，kN。

2.2 快速掘進的施工試驗

2.2.1 試驗場地和方案

(1)試驗場地。水平巷道快速掘進施工的試驗場地在某市郊某隧道工程約30 a 前施工的棄渣堆積山體，如圖3 所示。碎石粒徑大小不等并與土粒為松散形，如圖4 所示。試驗場地的松散體樣的相關物理力學指標如表1 所示，水平巷道快速掘進軸線的埋深和掘進距離如圖5 所示。

圖3 試驗場地局部地貌Fig.3 Local topographic map of the experimental site

圖4 試驗場地松散體Fig.4 Loose mass samples at experimental site

表1 試驗場地松散體相關物理力學指標Table 1 Related physical and mechanical indexes of loose mass at experimental site

圖5 掘進軸線各點埋深Fig.5 The buried depth of the tunneling axis

(2)主要試驗方案。在松散堆積山體的北側(cè)制作鋼筋混凝土后背墻，頂進作業(yè)平臺為快速掘進的起點，向南側(cè)采用鋼制封閉式簡易頂管掘進機(自研制)進行掘進，后背墻、液壓油泵、頂進軌道和掘進機端部如圖6 所示。掘進機和鋼筋混凝土管節(jié)的外徑均為2 640 mm，管節(jié)壁厚為220 mm，管節(jié)長度為2 000 mm。頂管掘進機與管節(jié)相接，如圖7 所示。

在掘進機和管節(jié)內(nèi)設置了多處多項測點，對垂直、水平和斜向土壓力，頂推力，管節(jié)應力、應變和山體表面變形等進行監(jiān)測，并進行適時監(jiān)控，為在松散地層中的水平巷道快速掘進的信息化施工打下基礎。

圖6 頂管頂進設備圖Fig.6 Jacking equipment

圖7 頂管掘進機與管節(jié)相接Fig.7 The connection graph of pipe jacking machine and pipe coupling

2.2.2 試驗的主要成果

(1)口部效果。頂管快速掘進的切口小、成形快，有效地保持了原始的地形地貌。切口處無需預支護、施工安全、工程量小、費用省等。如圖8 所示。

圖8 頂管快速掘進口部Fig.8 The import department map of pipe jacking rapid excavation

(2)實測掘進頂力與計算值。將快速掘進中實測的頂力和式(1)、韓選江公式［3］、謝爾勒公式［4］、行業(yè)規(guī)范［5］的計算值進行匯總，如圖9 所示。由圖9 可得式(1)的頂力計算值接近于實測值。

圖9 實測頂力與各公式計算值曲線Fig.9 Curve diagram of measured jacking force and calculation value of each formula

(3)主要技術指標對比。本試驗所得水平巷道各項主要技術指標與鉆孔爆破法掘進指標的對比分析如表2 所示。

表2 不同施工法主要技術指標Table 2 Main technical indexes of different construction methods

經(jīng)表2 分析可知，水平巷道快速施工法相對于鉆孔爆破施工法，在安全施工、速度、質(zhì)量和材料用量等指標上具有明顯的優(yōu)勢。

3 結(jié) 語

本試驗研究為松散地層中水平巷道快速施工提供新的工藝和技術，在今后的推廣應用中將能獲得明顯的綜合效益。本試驗研究成果也可在人防工程、山體坍塌造成的隧道口部和道路堵塞等意外災害的應急搶險中應用。

［1］ 張冠洲.地下工程施工技術［M］.南京:解放軍理工大學出版社，2010.

Zhang Guanzhou.Underground Engineering Construction Technology［M］. Nanjing:PLA University of Science and Technology Press，2010.

［2］ 郭靜明.頂管施工工藝應用于松散地層坑道工程施工的探索與實踐［D］.南京:解放軍理工大學，2012.

Guo Jingming.Exploration and Practice of Pipe Jacking Construction Technology Applied in Tunnel Construction of Loose Formation［D］.Nanjing:PLA University of Science and Technology，2012.

［3］ 韓選江.大型地下頂管施工技術原理與應用［M］. 北京:中國建筑出版社，2008.

Han Xuanjiang.Large Underground Pipe Jacking Construction Technology Principle and Application［M］. Beijing:China Construction Press，2008.

［4］ 馬·謝爾勒.頂管工程［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1998.

Max Scherle. Pipe Jacking Engineering［M］. Beijing:China Construction Industry Press，1998.

［5］ 頂管施工技術及驗收規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2006.

Specifications for Construction and Acceptance of Pipe Jacking［S］.Beijing:China Communications Press，2006.