武汉20吨黑色重型卸扣(超长距离顶管机可回退施工技术研究)

Posted 2023-05-30

篇首语：水深难见底，虎死不倒威。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了武汉20吨黑色重型卸扣(超长距离顶管机可回退施工技术研究)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

武汉20吨黑色重型卸扣(超长距离顶管机可回退施工技术研究)

赵彦春

中铁十八局集团隧道工程有限公司

摘要：顶管法常用于土体中小断面短距离顶进，对于超长距离岩石地层顶管运用案例较少，尤其如何有效解决超长距离单洞顶进顶管机可回退施工研究更少。依托重庆观景口水利枢纽工程对长距离岩石地层顶管机可回退技术系统研究，取得了单洞顶进最长3 224 m的世界纪录并成功回退，有效提升顶管施工单线长度，降低了施工风险，具有推广应用价值。

关键词：岩石顶管;超长距离;可回退技术;

基金：重庆市自然科学基金资助项目，项目编号cstc2018jscx-mszdX0071;

1 概述

顶管施工具有安全、快速、环保等显著优点，其施工技术日益成熟，广泛应用于交通、水利、市政给排水、电力、管廊等领域[1,2,3,4]。顶管技术的理论和施工工艺取得了显著进步和发展，现阶段我国大口径、长距离顶管技术已达到国际先进水平[5,6,7]。但在长距离岩石地层顶管施工中，尤其在断层破碎、自稳能力差、变形大的软弱围岩及破碎带等复杂地质条件下，受地质条件、触变泥浆润滑、围岩性质等诸多因素影响，在长距离岩石地层顶管施工中摩阻力往往变化较大，顶进距离和顶进效率大大受限，甚至会发生卡管而导致工程失败[8,9,10]。

超长距离岩石地层顶管施工中，通常隧洞埋深较深，在不具备开挖竖井救援的条件时，一旦出现卡管情况，容易导致工程失败。针对如何有效降低长距离顶管施工过程中可能面临的风险，解决隧洞顶管施工地下对接，提升顶管施工单洞长度，提高施工效率的研究成果较少。仅有在原顶进方案无法顶进的情况下采取的一种补救措施，具有较大的风险性，且顶进距离仅为76 m[11]。

鉴于我国顶管施工主要应用于城市浅埋土质市政管道和电力管道，超长距离岩石顶管施工案例极少，可回退顶管机施工技术更无先例。本文从有效提高顶管机施工可靠性及单洞顶进长度出发，研究超长距离顶管机可回退技术在重庆观景口水利枢纽工程中的应用，实现了超长距离隧洞地下对接及回退。研究成果对长距离顶管施工中顶进长度和顶管机回退提供借鉴。

2 工程概况

观景口水利枢纽工程是重庆重点水源工程之一，项目已被列为水利部“172项重大水利项目”,被重庆列为“创新性施工研究与实施项目”。枢纽工程输水线路位于重庆东温泉镇至茶园段，线路总长21.6 km。其中，10座隧洞全长16.2 km, 隧洞开挖直径3.23 m, 隧洞内径2.65 m, 施工难度极大。现以3号无压隧洞为例，隧洞长3 224 m, 最大埋深280 m, 隧洞穿越围岩为Q4eld-第四系残坡积层、J3p-侏罗纪上统蓬莱镇组、J3sn-侏罗纪上统遂宁组St-粉砂岩、Ss-砂岩及Cr-派岩，地质剖面见图1,围岩物理力学参数见表1。

3 顶管机可回退施工技术

重庆观景口水利枢纽工程，为国内首次采用硬岩地层顶管施工的超长距离小断面水工隧洞。采用超长距离可回退顶管机施工技术，解决因地质条件复杂导致管道顶进失败或对头顶进施工达到预设位置后的顶管机回退施工难题。顶管机由刀盘、主机、扩径盾、后配套设备组成，整机质量150 t, 整机长度约43 m, 装机总功率1 150 kVA,配套设备由主顶系统，进浆泵、排浆泵及泥水分离系统组成。设备操作采用先进的PLC自动控制系统，隧道开挖、顶进、出渣、管道润滑均在地面的操作室内完成。

图1 3号无压隧洞地质剖面下载原图

表1 围岩物理力学参数导出到EXCEL

岩性	天然密度/(g·cm-3)	弹性模量/GPa	泊松比	内摩擦角φ/(°)	黏聚力c/MPa
砂岩	2.54～2.56	1.6～2.0	0.31～0.33	27.5～30.5	0.40～0.60
泥岩	2.54～2.56	1.5～2.0	0.35～0.36	16.7～26.5	0.25～0.40
灰岩	2.71～2.74	1.0～1.3	0.20～0.34	28.8～30.9	0.60～0.65
砂岩	2.54～2.56	1.6～2.0	0.31～0.33	27.5～30.5	0.40～0.60

顶管机刀盘及盾体采用特殊设计，具备快速回退功能，首先需要将中继间从前至后依次拆卸和闭合，并完成洞内管路和其他物品的拆卸并运出洞外；随后将配套设备逐一运出洞外，刀盘中心块与边块分离后，将主机的内盾和扩径盾分离；安装主机回退轮和回退需要的卷杨机，继而将主机从洞内运出至始发井；完成主机回退后，最后将刀盘边块和扩径盾依次拆卸并运出至始发井吊至洞外，回退工作完成。在完成整修和组装后转场至下个施工区段。

3.1顶管机施工原理

顶管施工是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法，它将管道敷设改明挖为暗挖，不需钻爆法开挖且能够穿越地层的先进施工技术。顶管施工借助于主顶油缸及中继间的推力，把顶管机及随后的混凝土管节从工作井内穿过地层并同步推到目标位置，以实现非开挖敷设地下管道的施工方法，见图2。

图2 顶管机工作原理示意下载原图

3.2顶管机回退主要设备的尺寸和重量

有关数据见表2。

表2 顶管机设备尺寸及重量导出到EXCEL

部件名称	重量/kg	尺寸/mm	部件名称	重量/kg	尺寸/mm
刀盘	11 921	3 190	5号拖车	1 205	3 000×1 316×1 256
主机	23 000	2 525×3 753	6号拖车	1 980	3 353×1 318×1 653
扩径盾	18 600	3 206×3 785	7号拖车	1 125	3 353×1 316×1 619
1号拖车	4 656	3 829×1 816.5×1 743	8号拖车	2 992	3 353×1 348×1 410
2号拖车	1 125	3 353×1 316×1 619	9号拖车	997	3 353×1 316×1 794
3号拖车	918	3 353×1 316×1 716	排浆泵	1 640	2 618×880×791
4号拖车	3 775	3 353×1 316×1 558	进浆泵	1 640	2 618×880×791

3.3顶管机回退准备

(1)工器具。

顶管机回退所需要的常规工器具主要有液压千斤顶、手拉葫芦、卸扣吊环、氧焊气割等，除此之外，还需要借助一些专用工具来完成顶管机的分解工作和回拖任务，分解工作采用专用工具主要有拆卸刀盘螺栓的液压扭矩扳手、液压拉伸器和液压扩张环，回拖工作采用的专用工具/设备主要有定制回退轮对、防偏轮、平板运输小车、液压卷扬机及固定工装等。

(2)顶管机回拖通道准备。

顶管机回拖是指沿已完成隧洞回退至始发井，准备工作主要包括中继间油缸拆卸和闭合、洞内管线的拆卸和外运、洞内杂物清理、管节接缝处理、中继间位置提前处理等工作，目的是提前处理管节接缝处和中继间位置的局部不平顺，确保回拖工作顺利进行。若中继间为钢结构，台车和主机回拖轮的行走位置用钢板进行铺设，若中继间为混凝土结构，处理方式为人工将接缝处清理干净，用高强度砂浆勾缝或者修补填充局部不平顺，台车和主机回拖轮可直接回退；混凝土管之间的接缝则用砂浆进行填充，保证设备顺利回退。

3.4中继间的作用及拆除

中继间是长距离顶管机施工中必不可少的推进设备，通过加设中继间，可以将一次性连续顶进的管道，分成若干段分别顶进。首个中继间设置在顶管机后50 m位置，后续中继间每间隔100 m或120 m设置1个。顶管机在掘进到预定位置准备回退，首先进行中继间的拆卸。中继间的拆卸顺序从首个中继间依次向后拆卸。中继间的拆卸主要包括油缸拆卸和油缸固定支架的拆卸，这两者均要在尽可能短时间内完成；否则，可能会出现管节停滞时间过长而导致局部摩阻力快速上升，进而导致中继间无法闭合影响后续施工进度，且需要将没有闭合的中继间采用现浇混凝土的方式处理，处理时间长，成本高。中继间油缸及固定支架的拆卸顺序为从上至下依次拆卸，先将油缸逐个拆卸下来，再将固定支架分块拆下。固定支架拆卸时，顶部一块为楔形结构，需要首先拆下，同时也要做好其余未拆卸支架的安装防护工作，防止其突然下落发生危险。通常情况下，在固定支架两侧焊接L型固定钢筋作为安全预防措施。中继间油缸及固定支架拆除后，利用后面中继间推进使该节中继间闭合。

3.5洞内管线拆除

顶管施工结束后，需要将洞内管线拆除，主要包括进排泥浆浆管、触变泥浆管路及阀站、通风管、控制及通信电缆、高压电缆、进排水管、托架等。隧洞内管线根据需要首先拆除进排泥浆管路、触变泥浆管路等，利用平板车运出洞外。后续将根据拆卸步骤，在完成既定动作后，拆除高压电缆、进排水管，同步要清理洞内杂物，将隧洞内部冲洗干净，为后续主机回退运输留出足够的通道。管道运输可以采用平板车或者小型三轮车，提高运输效率。运输过程中要确保设备安全，尤其是注浆阀站等控制系统及控制线路，接头要做好防护，防止进水和碰坏。

3.6后配套台车回退

在洞内管线及顶管机主机拆卸预定的步骤完成后，可以将后配套拖车从最后一节开始，依次分开并回拖至始发井。回拖后配套过程中，要注意对拆卸的管线进行标识并做好防护，回退过程中，要注意保持台车平衡，防止台车偏转而倾倒。

3.7顶管机主机回退

顶管机主机回退主要步骤：主机拆卸准备工作→刀盘中心块与边块分离→扩径盾与主机分离→主机脱离回退首个3 m→主机脱离后回退第2个3 m→将主机内盾从壳体中完全分离出来后正常回退。

3.7.1顶管机主机拆卸准备工作

(1)在顶管机到达预定对接位置前10 m时，操作手就要注意保持顶管机姿态控制，上下铰接油缸差值要控制在10 mm以内；到达预定位置后，应将铰接油缸伸长值调整一样的长度，全部推出后，再缓慢全部收回，确保刀盘与掌子面有一定的间隙，以免刀盘受到顶力而导致拆除困难(隧洞贯通情况下，则不存在这种情况)。

(2)顶管机停止掘进后，持续运行进排浆系统不低于30 min, 确保进排浆系统管路及主机内部的泥渣冲洗干净。在隧洞贯通情况下，为了防止泥水涌向对面隧洞内，需要提前设置挡水墙。在此过程中，同步将1号和2号中继间油缸持续泄压，必要时，可以将油缸收回5 cm左右，将向刀盘方向的顶力完全释放，可以防止管节间的木垫板回弹而造成刀盘向前移动而贴近掌子面，进而影响后续刀盘拆卸工作。

(3)在前述工作全部完成后，分解刀盘边块与中心块工作前，需要将刀盘精确转动至预定的拆卸位置，人工将刀盘内的石渣物料及杂物全部清理干净。

(4)在顶管机拆除前，为保证用于测量的陀螺仪不被损坏，陀螺仪必须先行拆除并放置在专用储存箱内。

3.7.2刀盘拆卸和运输

刀盘由1个中心块和4个边块组成，刀盘回退采用分体回退，刀盘边块与中心块分离后，刀盘中心块与主机一起回退，刀盘边块待主机回退完成后分块拆除。刀盘拆除前首先将1号边块转动到正上方(12号刀),然后拆卸滚刀，以减轻回退重量，降低主机与扩径盾的分离难度。再进行刀盘中心块与边块连接螺栓的拆除，刀盘结构后视，见图3。

图3 刀盘结构下载原图

3.7.3扩径盾与主机脱离

(1)扩径盾与主机脱离前，首先拆除主机与混凝土管的防偏转装置。

(2)拆除主机前部和扩径前盾之间的连接螺栓，并在扩径盾和主机尾部位置安装木板，在脱离时可以使主机顺利从扩径盾内滑出。拆除螺栓顺序为：拆除防偏转装置连接构件的螺栓→拆除扩径盾与主机的连接螺栓→拆除主机尾部挡板，扩径盾与主机结构，见图4。

3.7.4主机回退首个3 m行程

首先将主机内盾与扩径盾通过混凝土管顶部预埋吊点，利用手拉葫芦将主机内盾与扩径盾分开一定距离，如果手拉葫芦不能将其分离时，可在刀盘前面与掌子面之间垫上木块，采用手动油泵利用铰接油缸伸出的力将两者分离后，再利用手拉葫芦将主机内盾拖出，见图5。

用手拉葫芦将主机向后拉大约3 m位置，在前一节混凝土管的葫芦向后回拖时，下一节混凝土管的葫芦必须准备好。同时安装好刀盘中心块位置的回退小车。

图4 扩径盾与主机结构示意下载原图

图5 主机回退第一个3 m示意下载原图

3.7.5主机回退第2个3 m

利用管节上预埋的螺栓孔，将受力点的吊具后移至后面的一节管节上，利用手拉葫芦将主机再向后回退大约3 m。此时，主机已全部进入混凝土管节中，在刀盘位置的底部安装另外1组回退轮对后，可以按预定的步骤正常回退。正常回退过程中，在混凝土管节上安装卷扬机进行牵引，牵引点设置在主机尾部的回退小车上。每隔150 m固定安装1次卷扬机，分步回退，直至回退至洞外，见图6。

3.8刀盘边块及扩径盾拆卸和运输

3.8.1刀盘边块拆卸和运输

刀盘边块在拆除前，刀盘的4个边块通过螺栓连接为一个整体，为了确保拆卸安全，先临时将刀盘边块整体固定于掌子面上。拆卸时，首先将顶部的边块与相邻块分离开，利用扩径盾和前3节预制管道顶部的预埋吊点，将顶部的边块缓慢放下，放置在平板小车上，人工运输至洞外，后面再依次完成左右边块及下边块的拆卸和运输，见图7。

图6 主机回退第2个3 m示意下载原图

图7 刀盘边块拆卸回退示意下载原图

3.8.2扩径盾拆卸和运输

为了便于拆卸，扩径盾在设计时其前盾和尾盾均为分块式结构，通过定位销和螺栓连接。为了确保安装精度，转接环为整体结构，通过螺栓分别与前盾和尾盾相连接。拆卸时，需要借助千斤顶，将块与块分离，从扩径前盾开始依次向后逐个拆卸。拆除扩径盾前，必须将扩径盾定位销全部拆卸并做好记录，扩径盾分块进行编号。扩径盾顶部块为楔形块，因此，每节扩径盾拆卸均从顶部开始，两侧及底部块为了防止拆卸过程中掉落，连接螺栓并不一次性拆完，而是预留4～6颗。剪力撑平台必须牢固、稳定，在拆除螺栓后通过固定在混凝土管节上的葫芦及千斤顶等工具将分块吊装在平板小车上，并依次运输至洞外，见图8。

图8 扩径前盾拆卸示意下载原图

通过掌子面或洞壁吊点使用手拉倒链，将扩径前盾转接环从扩径尾盾中脱离开，脱离后的转接环固定牢固，扩径盾的转接环由于是整体结构，需要采用气割分块切割后，再运输至洞外。为了最大限度减少切割过程的变形，切割时，将转接环分成3块，每块均用工字钢焊接加固后，再进行切割，转接环在分割时，切割口应平直整齐为后续焊接做好准备工作，严禁进行随意切割。

4 结语

长距离岩石地层顶管机可回退施工技术为国内首次采用，在观景口顶管工程已成功实现回退4次，创造主机单日最快回退260 m, 取得了圆满成功，实现了3号无压隧道3 324 m的顺利贯通。

(1)在长距离顶进中顶管机具备可回退功能可使单线顶管施工长度大幅增加，同时又可极大地减少工作井数量，节约施工成本，减少了对环境的影响。

(2)有效减少地质原因造成的施工风险，提高顶管施工的效率和可靠性。

(3)避免隧洞中间位置必须设置接收井的难题，提高了施工设计的灵活性，具备推广及应用价值。

参考文献

[1] 陈孝湘，张培勇，丁士君，等.大口径三维曲线顶管顶力估算及实测分析[J].岩土力学，2015,36(S1):547-552.

[2] 刘波，章定文，刘松玉，等.大断面顶管通道近接穿越下覆既有地铁隧道数值模拟与现场试验[J].岩石力学与工程学报，2017,36(11):2850-2860.

[3] 史培新，俞蔡城，潘建立，等.拱北隧道大直径曲线管幕顶管顶力研究[J].岩石力学与工程学报，2017,36(9):2251-2259.

[4] Mohammadi M M,Najafi M,Kermanshachi S,et al.Factors Influencing the Condition of Sewer Pipes:State-of-the-Art Review[J].Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice,2020,11(4):03120002.

[5] 张鹏，谈力昕，马保松.考虑泥浆触变性和管土接触特性的顶管摩阻力公式[J].岩土工程学报，2017,39(1):2043-2049.

[6] 张耀，闫治国，朱合华.大口径新型顶管力学行为现场试验研究[J].岩土工程学报，2017,39(10):1842-1850.

[7] 周学锋，李永峰，刘凡，等.武汉大东湖排水深隧长距离双孔曲线顶管施工[J].中国给水排水，2020,36(20):51-57.

[8] 杨庆辉.超长距离岩石顶管卡管脱困技术研究[J].地下空间与工程学报，2019,15(S2):766-772.

[9] Aadnoy BS,LarsenK,BergPC.Analysis of stuck pipe in deviated boreholes[J].Journal of Petroleum Sc ienceand Engineering,2003,37(3):195-212.

[10] Shou K-J,HsiehC-Y.On the Behavior of the Overcut and Stuck Effects During Pipe jacking[J].PrccediaEngineering,2016,165:593-601.

[11] 冯玉国，王清标.水坝泄水管涵工程对顶施工技术[J].地质装备，2005,(3).

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