浅谈大直径、长距离、全断面岩石顶管技术

【摘 要】本文旨对几条岩石顶管工程的参与与调查，结合本人从事顶管的施工经验，总结大直径、长距离、全断面岩石顶管在设备、配套、设计，施工中应该重视的问题，供同行参考。

【关键词】顶管；岩石；大直径；长距离

全断面岩盘地质条件下的大直径、长距离顶管技术

（一）顶管工艺设备的选择

顶管施工成败的关键之一在于顶管机设备的选择。

顶管工艺主要根据地形地貌、工程地质条件、水文地质条件、地面及周边环境影响要求以及施工现场情况选择。

在全断面岩石层里，采用封闭式顶管，选用有二次破碎功能的“岩盘泥水顶管机”，应根据不同的地质情况，后方可以辅以助推油缸筒、防旋转油缸筒、气压仓等措施。

助推油缸筒内备双作用油缸，可单独操作顶管机前进或后退，必要时对顶管机前进速度微调，在刀盘前壁加压或更换刀具前操作刀盘后退，使之暂时脱离顶进面。

防机头旋转油缸筒，筒内两侧设有防旋转支撑双作用油缸（一般3个），必要时操作用油缸，伸出固定在顶管机两侧岩盘上，防止机头旋转。

气压仓：主要由工作仓、过度仓组成。用于复杂岩石地层刀具的更换和障碍物处理。

（二）刀盘、刀具

1、刀盘、刀具设计简介

刀盘、刀具是岩石顶管机设计的灵魂。刀盘、刀具具有切削掘进、稳定开挖工作面功能。其刀盘结构形式与工程地质情况有着密切的关系，不同的岩层采用不同的刀盘结构型式，选用不同的刀具及布置。

刀盘形式及结构关系到顶管机的开挖效率，刀具的配置直接影响到刀盘的使用寿命、切削效果、出碴状况、掘进速度和施工效率。顶管能否顺利掘进，必须根据地质情况认真分析研究，选择合理的掘进参数（如总推力、刀具贯入度、刀盘转速、扭矩、开口率等），最大程度的延长刀具的使用寿命，减少更换刀具的频率，降低施工中频繁换刀的风险。

2、滚刀平面布置要求

滚刀在刀盘上的平面布置是岩石顶管机刀盘设计的关键技术，将影响到刀具的破岩效率、刀盘的受力平衡、刀盘工作时的稳定性、刀具之间载荷分布的均匀性以及工作面的稳定性能指标

滚刀平面布置应满足以下要求：

1）滚刀径向载荷，与刀盘回转轴线相垂直；

2）滚刀布置要使刀盘顶进时受力尽可能平衡；

3）滚刀间距要求在破岩过程中，相邻滚刀之间不得出现“岩脊”现象；

4）要求相邻滚刀顺次破岩；滚刀之间不得出现切削沟槽相互干涉的情况；

5）滚刀布置应该保证刀盘刚度的最大变形量满足设计要求；

6）滚刀布置应满足刀盘制造、装配，刀盘上人孔、出碴孔布置等要求；

7）滚刀布置应该保证刀盘切削、顶进和各种不利的工况要求。

（三）二次破碎

对于大直径全断面岩石顶管机，二次破碎是由安装在筒体上的倒锥体与跟主轴刀盘一起旋转的锥形体、刀盘背部的牛腿等组成。岩石通过滚刀切削、刮刀或刮碴板将破碎的岩石，通过出碴口刮进顶管机内，通过刀盘背部的牛腿与锥形破碎仓下部突起耐磨破碎筋组成剪切破碎机构进行二次破碎。破碎后的岩石颗粒，经排碴格栅孔筛滤，然后用排碴泵经排碴管排出。

（四）刀盘驱动及驱动方式：

刀盘驱动由电机与齿轮减速箱连接，驱动刀盘主轴带动刀盘旋转。是岩石顶管机的重要组成部分，承担着刀盘顺时针和反时针转动切削岩盘和舱内二次破碎的主要任务。

刀盘驱动方式有液压驱动和电机驱动。虽然液压传动性能比较好，但价格比较高，随着变频电机技术的不断发展，目前国内岩石顶管机一般多采用变频电机驱动方式。

（五）控制技术

顶管施工既适用于按直线形状敷设管路，也适用于按照向上下或左右两侧弯曲的路线敷设管路。各种情况下都需要进行控制。直线顶进时，通过控制能够借以校正顶进路线的偏差。曲线顶进时，亦可借以取得并保持所需的方向变化。

直线岩石顶管施工的特点在于，防止顶进中细小岩石颗粒、岩石粉进入包裹管道或者一次纠偏太大，造成机头卡住，另外也要利用膨润土泥浆（或水）注入后对管道产生悬浮作用。因此刀盘切屑后管道与岩面的间隙较大，一般设计的间隙为70—80mm；曲线岩石顶管，还会因曲线半径的不同，设计的间隙还会加大；但整个管路从头到尾都必须跟随刀盘切削的路线前进，刀盘切削的路线，就是管路敷设完毕之后的路线。

在岩石层管道顶进过程中，由于岩石层自身的稳定，不存在岩石层本身对管道产生的压力，只存在管道对岩石层的作用力和岩石层的反作用力。

刀盘相对于设计路线的偏差可以得到校正，可以使刀盘回到设计路线上来，但是所有的偏离都会几乎毫不走样地作为误差保留在顶进管路的路线上。

在岩石顶管施工时，同样必须懂得这一规律，这样才能知道，控制能够起到的作用。

（六）洞口、管内止水

大直径、长距离、全断面岩石顶管施工能否顺利成功的关键之一在止水。

1、洞口止水

要想管道悬浮于膨润土泥浆中，首先要做好出洞口密封，达到能够止浆、止水的效果，并让管道一进入岩石层，管道和岩石之间就有一定的空隙。因此在顶管掘进机出洞过程中，要采取施工措施，保证刀盘、壳体出洞后，后续管节出洞的底标高与设计底标高相一致。

2、管道内止水

施工中由于各种原因，不可避免的会出现局部管道接头漏浆、漏水。同样对顶进中出现接头漏浆、漏水，也一定要及时采用措施来解决。内定心环是中交二航局在上海合流污水一期工程中，采用德国崔柏林的一种管内止水方法，多项工程中实践是有效的（见图）。

它的结构简单，设计分为三段，方便于施工现场临时安装止水。

（七）膨润土泥浆配置、泥浆管布置及注浆压力控制

膨润土泥浆的配置要根据不同的岩层配备，施工中进行调整。机头尾部前10根管节的同步注浆浆液配置要达到阻止岩石颗粒、岩石粉进入管道，后面管道浆液的配置，满足管道悬浮顶进的控制要求即可。如果前面泥浆能满足阻止岩石颗粒、岩石粉进入管道要求，后续补充用水也是可以！

膨润土泥浆管的布置和注入，在岩石顶管中膨润土泥浆管的布置，与一般顶管不同。一般顶管，当机头前段泥浆套形成后，后面一般只需要补浆就行了，所以后续泥浆管的布置可以逐步加长距离布置。岩石顶管是在整个顶进过程中让管道悬浮于泥浆中，所以后续布置的泥浆管，应该整个管道按一定的距离全程布置，以保证整个管道在顶进施工中能随时补充泥浆，满足管道悬浮的要求。

（八）管道、管道接头

由于岩石顶管对强度、接头密封性能要求很高。顶进管为钢筋混凝土管时，管道外压荷载、内水压、尺寸偏差、宜按现行的“顶进施工法用钢筋混凝土排水管标准”中的优等品选用。

管道采用F型接口，是90年代初中交二航局在上海合流污水一期从德国引入的接口形式，现在国内顶管中已经普遍采用。F型接口管道接头由钢套环、止退钢环、木环衬垫、楔形橡胶圈、密封胶等组成

（九）出洞、进洞施工控制要点

顶管进出洞施工控制要求如下：

1）轴线控制：导轨、主顶油缸架、后背承压壁，出洞口应严格按照设计高程、轴线施工；

2）洞口止水装置：结构要可靠；密闭性能好；安装位置要准确；

3）对机头切屑外径、壳体外径，管道外径差的控制，要有一套完整的方案，以保证出洞后高程正确；

4）出洞刀盘切屑进入岩石层时，应该有防机头旋转措施；

5）顶管机出洞、进洞后，立即用泥浆（或化学浆）压入，封闭洞口，不允许洞口漏水；

6）进洞前30m对顶进轴线、高程，进行联网复测，修正偏差；

7）安装进洞口的密闭装置，保证机头进洞后洞口不漏水；

8）调整好顶管机进洞的姿态，安装顶管机进洞的基座；

9）顶管机进洞后，立即对管道与岩石间的空隙，用高于岩石裂隙水压力，压入水泥浆置换膨润土泥浆。

结束语

大直径、长距离、全断面岩石顶管施工成败的关键，在于顶管机的选择；能否最大发挥顶管机顶进效率的关键，在于水力输送设备的配套；顶管施工能否顺利成功在于能否让管道在泥浆中悬浮，而悬浮的关键在洞口和管道内的止水。

希望通过顶管界朋友相互交流，让岩石顶管机国产化技术水平能大大提高；使岩石顶管技术普及；岩石的曲线顶管能在国内起步……本文中谈到的一些细节及方法，供同行们参考，讨论，指正。

参考文献：

[1]顶管工程（西德 马谢尔勒著 ）

[2]顶管和微型隧道技术（马保松D.Stein 蒋国盛等编著）

[3]现代顶管施工技术及工程实例（葛金科 沈水龙 许桦霜编著）

[4] TBM滚刀布置与刀盘结构参数优化设计研究（张鹏）

[5]常见盾构刀盘型式及选用（宋克志 王本福）

[6]土压式顶管的泥水输送（顶管施工技术网）