关于人工顶管施工技术在引水隧洞工程的应用
时间：2022-08-23 15:55:05 来源：千叶帆 本文已影响人
摘 要：通过介绍人工顶管施工技术在引水隧洞工程中的应用，阐述其关键技术的重点、难点以及对应的措施，同时提出“九宫格施工法”创新实践。
关键词：人工顶管 隧洞 九宫格
1.工程概况
本项目位于河源市源城区西南部，通过引水隧洞及输水管线从新丰江水库右岸引水至源城区自来水厂，供应当地市民使用。其中引水隧洞为有压输水隧洞，全长约1.7818km。过水断面为圆形断面，内径3.6m，围岩类型为II、III、IV、V类围岩；喷锚支护采用C25喷射混凝土，侧壁和拱顶挂Φ8@200x200钢筋网，锚杆采用Φ22的普通砂浆锚杆，衬砌混凝土为C25混凝土。遇围岩破碎极不稳定带V类围岩加强支护：工字钢调整为0.8米，Φ22系统锚杆为钢拱架排距0.8米，环向间距1米（L=3m，梅花型布置），Φ8@200x200钢筋网拱圈、侧墙范围内全断面布置挂网，超前注浆小导管Φ45mm*5mm每环28根，排距1.6米，环向间距为0.3米，Φ20连接钢筋（L=100cm）环向间距为1米，Φ22锁脚锚杆4根/榀（L=3米）喷射混凝土为25cm。
2.施工条件分析
（1）围岩地质条件不稳定：根据区域地质资料及钻孔资料显示，引水隧洞地层地质构造主要由第四系洪冲积层②层（Qpal）、坡积层③层（Qdl）及燕山三期黑云母花岗岩（γ52（3））、侏罗系下统蓝塘群粉砂岩（J1lnb）组成，同时有人字石断裂（F29）、罗坑断层（F27），鹤子顶断层（F22）、大水坑断层（F7）从隧洞轴线垂直穿过，岩体风化强烈，地表基本为全风化岩，强风化和弱风化岩出露少。
（2）地下水丰富：地下水非常丰富，水压大，引水隧道取水口高程为88m 水库施工期正常水位为113m有约25m的水头差；为更详细了解取水口段K0+005～k0+093的地质情况，委托第三方进行工程地质补充勘察，其报告结论：根据钻探结果，在钻探控制范围内岩石极破碎，均是风化作用造成，局部存在漏水、塌孔等。
3.施工技术
隧洞工程施工技术具有施工作业综合性强、施工作业条件差、施工作业空间有限、施工作业力学环境动态化以及作业风险高等特点，选取的施工方案适用与否，关系到工程的成败，尤其在软弱围岩中修建隧道，选取合适的方案更为重要。
根据已完成的竖井支护桩基、取水口闸室连续墙的地质情况及隧洞掌子面揭露的围岩情况，结合地质资料分析：隧洞取水口段存在全风化花岗岩、强风化花岗岩，局部穿越中风化、微风化花岗岩、孤石。工程地质复杂多变、软硬夹杂交替，对施工提出了很大的挑战。取水口段隧洞施工若继续采取常规衬砌开挖、喷锚支护施工方法，极有可能面临崩塌、涌水等风险，且施工进度缓慢。本项目在施工方案比选中对比分析盾构法、机械顶管和人工顶管三种技术方案，综合考虑技术、经济以及施工进度要求等因素，最终选取人工顶管方案。人工顶管，即手掘式顶管，是最早发展起来的一种顶管施工工艺，由于它采用了一定的辅助措施的后便具有施工操作简便，设备少，施工成本低、施工进度快等优点。
3.1施工流程
人工顶管施工程序，即先挖掘工作井（本项目利用已开挖竖井作为工作井），在工作井内安装顶进设备，接着将管道按设计轴线顶进，边顶边挖，直到顶至设计长度为止。
3.2关键技术
顶管工程的技术重点、难点为穿越复杂地层处理方法、管道偏差控制技术、顶力技术问题、排水措施等，具体如下：
（1）穿越复杂地层处理方法：顶管施工时，如遇强风化或中风化岩层，采用手携式风炮机凿除；如遇微风化岩层，采用液压劈裂机爆破；如遇孤石，先用钻孔机在石头上面钻孔，再用岩石分裂机将石头分裂成小块取出；穿越流塑性较大且含水量较大的土层时，利用工具头的分成的九部分，依次进行开挖，必须时通过分格封门的注浆口，对前方土质注浆加固后再进行依次开挖。
（2）管道偏差控制技术：顶管推进方向如果偏离设计轴线，容易使管道弯曲变形，顶力突然增加，影响正常施工，因此，顶管施工过程中应严格控制方向和高程，防微杜渐，避免误差积累。当偏差较小的情况，可通过调整千斤顶的合力位置来纠偏，假如顶进过程中出现“抬头”现象，即调高合力作用点位置，假如管道偏离轴线方向，即将千斤顶往同一方向调整移动。当偏差大于20mm时，将方木一端顶在管道偏离中心的一侧管壁上，另一端靠在管前后座上，利用千斤顶施力于管道进行强制校正。
（3）顶力技术问题：随着顶管推进，管身受到滑动摩擦力（f=μ×FN）必然会增加，但管道强度限制，顶力不能一直增加，否则导致管身变形破坏，因此在实践中通常会采用两种辅助工法：一是采用中继接力技术，通过在管道中设置中继环，平衡滑动摩擦力，达到解决顶力不足的技术难题；二是采用润滑剂减阻，即通过减少动摩擦因数μ降低滑动摩擦力。本工程属短距离顶管，优先采用注浆法辅助工法进行减阻，敞开式顶管工具头前面是敞开，若将触变泥浆直接注入管道内，无法形成浆套。注浆材料改用钠基膨润土、水、碳酸钠和CMC按一定的配比配制成膏状的润滑剂，既可以使管道减阻，又可以减少管道下部的石头对管身表面防腐层的破坏。
（4）排水措施：地下水会软化围岩，降低其抗剪强度和刚度，使其承截力和稳定性不能满足施工要求，影响施工作业安全。该区间地下水丰富，因此在施工过程中须重视排水措施，为探明顶管前方岩石渗漏水情况，采用潜孔钻钻水平孔，探明渗漏水情况，若水量较大，则先对围岩进行灌浆固结，稳定后再继续开挖顶进。经常性排水即通过在隧洞两侧设置排水沟，并分段设置集水坑，地下水顺着排水沟降坡汇集于集水坑，随后用泥浆泵将集水坑内积水抽排出洞外。
3.3创新技术
不良地质条件洞段开挖，应根据地质预报，针对其性质和特殊的地质问题，制定专项保证安全施工的工程措施。对于软弱围岩开挖，目前最为常用的施工方法是先分部开挖一小部分，再分部支护，最后逐步扩挖支护。但这种方法施工效率低下且施工成本高。
考虑到该施工段区间围岩破碎且地下水丰富，为确保施工安全，在施工实践中创造性提出“九宫格施工法”，即利用钢隔板将顶管钢管内衬平均分成九格，同时做好九个封门，这样的做法有两方面好处，一方面可以大大增加钢管内衬刚度，抵抗变形，另一方面，九格独立分部开挖，互不干扰。
在施工开挖时，应先开挖1～8区，最后开挖9区。如发生坍塌涌水等现象，立即将封门关闭，并通过封门的预留孔注浆加固，这样可以有效解决孤石、水涌和坍塌等突发事件，进一步避免发生突水等灾难性事故。
4.结语
本工程的引水隧洞取水口段采取人工顶管施工方法，实践证明该施工方法技术可行，经济实用，降低施工风险，保证了工程质量和工程进度，收到预期的效果，对类似断层及破碎带、缓倾角节理密集带、岩溶发育、地下水丰富等不良地质软弱围岩地下洞室工程开挖的施工建设具有应用价值和借鉴意义。需要注意的是，在应用这一施工工艺需加强排水、加强监测，采取有效的支护措施，才能确保施工质量安全。
参考文献：
[1]余彬泉，陳传灿。顶管施工技术[M].北京：人民交通出版社，1998.
[2]中华人民共和国水利行业标准.水工建筑物地下开挖工程施工规范（SL378-2007）[M].北京：中国水利水电出版社，2008. 相关热词搜索：隧洞，引水，施工技术，工程，顶管，
