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摘要：随着城市的快速发展,顶管施工在城市市政管道铺设中被广泛应用,大口径长距离顶管施工技术是当前地下工程建设中的重要施工技术之一。本文将以某大口径顶管施工为例，通过对该工程基本概况的了解，对该工程应用顶管施工技术，展开深入的探讨。
关键词：硬岩顶管；顶管施工；施工技术
0 引言
随着顶管施工方法在国内的普及与发展,穿越岩石层的顶管施工已在工程建设中的应用越来越广泛。但在长距离、大口径钢顶管施工中,对设备可靠性、系统性要求特别高,一旦出现故障,恢复顶进相当困难。因此，顶管施工主要根据地形地貌、工程地质条件、水文地质条件、地面及周边环境影响因素以及施工现场情况选择，并针对各种复杂情况采取关键应对措施，这对工程的顺利实施至关重要。
1工程概况
某供水项目，经泵站提升输送至净水厂，净化后送至大工业用户。设计规模为50×104m3/d，由取水、净水、输配水工程及应急安全供水工程等组成。本项目硬岩顶管工程为DN1600钢管的1050m施工。
1.1 地层及特征
根据地质报告，岩石顶进涉及的岩层主要为⑤-4层微风化晶屑熔结凝灰岩。在两侧出洞处部分涉及⑤-2层及⑤-3层强〜中风化岩体和⑤-3层、⑤-2层强～中风化晶屑熔结凝灰岩。
1.2 地下水
场地地下水主要为孔隙潜水及基岩裂隙水。孔隙潜水主要以大气降水人渗为补给源。山坡表部潜水含水介质为坡积碎石类土，透水性较差。山坡上水位埋深＞1.0m，水位年变幅较大。基岩裂隙含水介质为丘陵区风化基岩，富水性主要受地形、构造控制，极不均一，泉流量＜0.1L/s接收大气降水入渗补给，与上部潜水有一定的联系，水质均为淡水。
1.3 地形地貌及场地环境
场地地貌属于侵蚀剥蚀丘陵区及其外围的冲湖积平原区。侵蚀剥蚀丘陵区为第四纪覆盖层厚度＜3m的地段，分布于丘陵山体部位。丘陵山体遭人类活动扰动较大，原为采石场，现为大榭岛大桥施工区。据了解，大桥施工方案将对山体进行爆破开挖至标高20.0m处，对工程施工影响较大。山体主体标高一般为50～60m，由于大榭岛大桥的施工，在ZK8处形成一处峭壁，落差达10m以上。ZK8西南部位于山坡下部已经被开挖整平，地面标高为5～6m，未发现明显断裂痕迹。山体北侧缓坡，山坡植被非常发育。综合来说，由于丘陵区目前为大榭岛大桥施工区，地形后期改变具有不确定性。
4 顶进装置及相关计算
4.1 主顶进装置
主顶装置由底架、油缸组、顶进环、钢后靠及液压动力站等组成，是顶管施工的重要组成部分。
①主顶装置液压系统
装备顶力为16000kN。选用双作用双冲程等推力油缸4台，每台油缸最大推力为4000kN，施工时主顶额定顶力不大于12000kN，避免因顶力过大使钢管变形焊缝开裂，并确保工作井安全。油缸行程S=1200mm，钢管节长度约为6000nun，因此在施工中需二次到位，提高工效，减少施工工序。
②主顶装置技术参数
油缸尺寸:D×d×L=φ400mm×φ280mm×1800mm，油缸数量:4台，油缸行程:S=1200mm，装备顶力:Fmax=16000kN，额定顶力:F额≤12000kN，顶进速度=0～80mm/min。
4.2 接力顶进技术
由于岩石顶管段长度为380m和670m，单段顶进长度比较长，因此，每100-200m顶管需设一个中继间进行接力顶进。
①中继顶装置的结构特征
中继顶采用二段一铰可伸缩的套筒承插式结构，偏转角具有一定的偏转能力，端部结构形式与所选用的管节形式相同，外形几何尺寸与管节基本相同。在铰接处设置两道可径向调节的密封装置，确保顶进时不漏浆。在中继间的铰接处设置4个注浆孔，顶进时可同步注浆，减小顶进阻力。
在正常顶进时，只用第一道密封装置，第二道作为储备。当第一道密封圈磨损时，发现有漏浆点，即可用径向调节装置，调整密封间隙，使漏浆现象得以及时制止。当第一道密封圈失效时，即可启用第二道密封装置，从而保证顶进的连续进行。由于顶进距离长，密封圈磨损较大，将第一道密封装置设计成可拆卸式，便于更换密封圈，从而达到万无一失。
②中继顶装置主要技术参数
油缸尺寸:D×d×L=φ168mm×φ140mm×650mm，油缸数量:16台，油缸行程:S=500mm，装备顶力:Fmax=8000kN。
③中继顶使用
本工程DN1600钢管单根顶进最长约670m，经过计算并结合以往类似工程的施工经验，拟设置3个中继顶(另380m段拟设2个中继顶)。一个布置在顶管机后面，采用承插式结构安装中间钢管与中继顶尾部用电焊焊接，这样顶进部位便形成四段三铰形式。由于钢顶管施工时，每节钢管用电焊焊接成一个整体，顶管机在纠偏时势必造成后继的钢管灵敏度较差，轴线难以控制，采用上述方案后，便可解决灵敏度较差的问题，对钢顶管施工特别有利。
中继顶的16台油缸分成4个区域，与水平线呈45°均匀布置，分别由4个高压球阀单独控制，既可使16台油缸同时伸出将顶管机顶出，又可单独使每个区域内的4台油缸同时动作。与顶管机的纠偏系统结合起来，实现二维空间的同步纠偏，确保顶进轴线的正确控制。此项技术已在多个钢顶管工程中应用，效果良好。
4.3 顶力验算
根据《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB50268—2008)，670m管道摩阻力(此670m管道作为验算段，具体参数根据实际情况微调)具体公式如下:
F阻=fπD1L +NF (1)
式中D——管道外径，m
F——一经泥浆套减摩后的钢管单位面积摩阻力，参照相关资料及经验，本次验算中取值为2kN/m2
L——管道长度
NF——迎面阻力(迎面破碎力)，根据厂商数据，本次验算取值为3000kN
经计算可得F阻=9816kN＜12000kN(额定顶力)。
5 相关技术措施
5.1 减阻泥浆的运用
为了减少摩擦力确保顺利顶进，避免顶管管材外防腐的损坏，根据实际情况采取润滑浆减摩措施，本项目中利用管外侧空隙形成空腔，使管道完全悬浮，较好地解决了管道摩阻力大的问题。
5.2 井下测量及轴线控制
①平面控制网的建立
地面上按业主提供的轴线控制桩定位，用拓普康全站仪测量。
②管道轴线测量
通常顶管中使用的激光经纬仪无法适应长距离的顶管，300m以后激光点的精度大幅度下降。所以此次长距离顶管施工采用拓普康全站仪进行测量，测角精度为2"级。通过机头内棱镜的设置，全站仪自动对各关键处的坐标进行测量，频率为15min—次。通过与标准轴线的数据比较可得出精确的测量结果，既可保证长距离的测量精度，又大大减轻了气温、湿度等因素对光学测量的影响。本系统的测量最大误差在1500m时为29mm。
③顶管水准测量
水准仪测量精度由于顶进距离长而略有降低，为进一步提高管道水准测量精度，本工程水准测量采用硅油微压差计测量系统，作为对全站仪的核对。为了确保机头准确到达设计位置，每顶进100m及在顶进到最后30～50m时，用人工测量的方式对管道进行全线复核，确保测量工作万无一失。
5.3 纠偏控制措施
顶管要按设计要求的轴线和坡度进行，主要是掘进测量与纠偏的相互配合。本项目为岩石顶管，与普通土质顶管存在较大区别，管腔外侧为刚性岩体，纠偏应勤测勤纠、小角度纠偏，杜绝纠偏操作中大起大落，避免曲率半径过大而导致的摩阻力增大。
5.4 刀具的地层适应性选用
①刀具主要类型为双刃滚刀、单刃滚刀和刮刀等，所有滚刀都可以替换成软岩刀具(齿刀)以适应地质的变化。
②所有的开挖刀具都可以在刀盘背后换装，从而保证安全、高效地更换刀具。
③刀盘正面周边刀具的设计，考虑了其切削轨迹半径比较大，磨损较快，结合以往工程实践，双刃滚刀、单刃滚刀、整体式合金切削刀等三种刀具可混合使用或单独使用，以适应不同地层的变化。
④由于刀具切削轨迹半径比较小，中心刀具容易发生偏磨，最终采用了中心双刃滚刀的方案。
⑤刮刀为专门设计、制造，用于硬岩开挖岩渣的收集。刮刀通过4个水平安装的螺栓连接在刀盘上，露出刀盘的距离较短。这些设计特点使刮刀更加坚硬稳定、能够承受更高的撞击力，从而更加耐受磨损。由于刀盘能正反旋转，因此刮刀也是正反方向布置。为了提高刮刀的使用寿命和可靠性，在每个轨迹上至少布置2把刮刀，刀具材料应具有高耐磨性。刮刀形式见图3。
5.5 换刀计划及换刀作业
①根据地层情况在硬岩顶管掘进的过程中有计划地进行开仓检查和换刀，掌握刀具磨损规律，制定合理、可靠的换刀计划是刀具管理的主要内容，也是顶管机顺利掘进的前提。加强对开挖面的观察，需要及时对配备的滚刀进行检查，及时更换适合的刀具，并进行统计分析，从而确定刀具在微风化层岩石中的磨损规律，从而建立其刀具检查、更换制度。
②由于长距离顶管施工过程中刀具必然会受磨损，而刀具的好坏直接影响顶管的施工进度，本台设备采用顶管机内部换刀的形式进行滚刀替换，换刀作业是技术性要求较高的作业，鉴于刀具更换需在大刀盘内进行，作业面较狭小。因此需要制定一套刀具更换作业程序，在换刀作业中严格执行，保证换刀作业的顺利实施。
5.6 顶管机止转
DHL-1660硬岩顶管机配置了4个止转撑靴。在掘进前将止转撑靴伸出，然后启动刀盘进行掘进，较好地解决了硬岩顶管掘进时的顶管机旋转问题。
6 结语
综上所述，顶管技术适应了现代化管道施工的发展要求，在资源和成本的节约方面取得了较大的成效，能减少对环境污染和道路的堵塞，具有显著的经济效益和社会效益。在实际的大口径顶管施工工程中，顶管技术采用硬岩顶管在技术的应用给其带来极大的便利，无论是在施工的工艺上还是施工的效率上都有很大的提升，工程施工的质量也得到了很好的保障。实践证明，顶管施工技术是一项经济的、可行的施工方式，可广泛推广与应用。
参考文献
[1]林鑫.顶管施工过程的地面沉降控制数值分析[J].低碳世界.2016(21).
[2]王小松.浅谈排水工程中顶管施工的工艺流程与技术[J].江西建材.2016(12).
论文作者:吕业成
论文发表刊物:《基层建设》2017年第9期
论文发表时间:2017/7/24
标签：顶管论文; 刀具论文; 测量论文; 刮刀论文; 管道论文; 油缸论文; 装置论文; 《基层建设》2017年第9期论文;