CN111946356B - 超长距离硬岩顶管施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超长距离硬岩顶管施工方法，包括：首先开挖工作井并安装顶管施工设备，然后进行顶管机的始发，在主机进行始发洞内前需安装首节管并连接防偏转装置，并通过预埋件将后续安装的13节管节连成整体，以防止主机进入洞内时产生“栽头”和旋转现象。之后将其他管节或者中继间依次顶入隧洞中。顶进过程中，实时监测顶力、机头反力换算管节的单位长度摩阻力及获取顶管机顶力，通过分别对比实测单位长度摩阻力、顶管机顶力与单位长度摩阻力阈值和中继间启用阈值，及时对管节底部沉渣进行清理和启用中继间。其中，第一个中继间为实体中继间，后续中继间可为虚拟中继间，在顶力不足时再启用，节约成本同时能够减轻后续拆除的工作量。
Description
技术领域
本发明涉及隧道挖掘施工技术领域，具体涉及一种超长距离硬岩顶管施工方法。
背景技术
国内目前直径3m以下的长距离水工隧洞建设大多采用明挖法、传统钻爆法或者悬臂掘进机法。传统施工方法存在征地移民问题突出，对周边环境干扰大、工期长、安全风险高等问题。为解决这些技术问题，可以采用顶管施工的方式建设长距离隧洞，顶管施工是借助于主顶和中继间油缸等的推力，把掘进中的顶管机及其随后的管节，按设计要求从一定深度的工作井开始顶到预设的工作井或位置，再把顶管机取出的一种建设地下管道的施工方法。
一般盾构施工中，主机进入洞内时往往会产生“栽头”和旋转现象，且现有的长距离顶管施工主要用于软土层隧洞建设，并没有用于超长距离的硬岩的隧洞建设，但硬岩的施工环境相比于软土层更为复杂，在施工过程中经常会出现管节底部沉渣过多或顶力不足的情况。因此，如何确定顶管施工过程中出现的状况，从而选择合适的处理方式进行处理是硬岩顶管施工中急需解决的问题。
此外，在长距离顶管工程中，由于地质条件复杂，需要合理布置中继间以应对极端地质条件下顶力不足的问题，同时为保障管节受力安全可控，预防管节开裂等，需要将管节受力控制在一定范围内，保证主顶和中继间顶力不超过管节受力限值，在主顶顶力超过一定限值后应启用中继间以降低管节受到的顶力。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种超长距离硬岩顶管施工方法，可以确定顶进过程中出现的状况，并选择合适的处理方式进行处理。
具体技术方案如下：
一种超长距离硬岩顶管施工方法，在第一种可实现方式中，包括：
建设工作井，并安装相应的顶管施工设备；
根据管节上注浆孔的分布位置和顶管机的最大顶力，分别确定管节的单位长度摩阻力阈值和中继间启用阈值；
通过顶管施工设备进行顶进施工，实时监测顶管机顶力和顶进距离范围内管节的单位长度摩阻力，当单位长度摩阻力超过预设的单位长度摩阻力阈值时对管节底部的沉渣进行清理，当顶管机顶力超过预设的中继间启用阈值时启用相应的中继间，直至隧洞贯通
结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，顶管机的主机在进入始发洞前安装管节和防偏转装置。
结合第一种可实现方式，在第三种可实现方式中，所述确定管节的单位长度摩阻力阈值包括：
获取顶进施工的施工参数和接触角度阈值；
根据施工参数和接触角度阈值计算管节的单位长度摩阻力阈值。
结合第一种可实现方式，在第四种可实现方式中，采用以下方法监测所述管节的单位长度摩阻力：
监测顶管机的顶力和机头阻力；
通过顶力和机头阻力确定管节的实测摩阻力；
根据实测摩阻力生成摩阻力曲线；
对摩阻力曲线分段进行曲线拟合，确定顶进距离范围内管节的单位长度摩阻力。
结合第一种可实现方式，在第五种可实现方式中，在顶进过程中还包括将所述管节的单位长度摩阻力与设定的检测阈值进行对比，当单位长度摩阻力超过预设的检查阈值时，检查所述润滑泥浆的注浆系统。
结合第五种可实现方式，在第六种可实现方式中，当单位长度摩阻力超过所述检查阈值时，还包括检测岩层种类，并根据岩层种类调整润滑泥浆粘度。
结合第一种可实现方式，在第七种可实现方式中，还包括确定的中继间位置，并根据确定的中继间位置安装中继间。
结合第七种可实现方式，在第八种可实现方式中，所述中继间包括虚拟中继间和实体中继间，虚拟中继间为未安装顶进油缸的实体中继间。
结合第七或第八种可实现方式，在第九种可实现方式中，根据中继间的顶进油缸的最大顶力、安全储备数据确定所述中继间位置。
结合第一种可实现方式，在第十种可实现方式中，在顶进过程中，还包括采集顶管机主机的姿态数据、高度数据，以及顶进距离和顶进速度，并根据姿态数据、高度数据、顶进距离和顶进速度确定顶管偏差数据，并根据顶管偏差数据进行相应处理。
有益效果：采用本发明的超长距离硬岩顶管施工方法，可以通过中继间启用阈值和单位长度摩阻力阈值确定施工过程中出现的状况，并合理地选择顶力控制的方式，实现顶力的有效控制，提高了施工效率。
在主机进入隧洞前安装管节并连接防偏转装置，并通过预埋件将后续安装的N节管节连接成整体，可以防止主机进入洞内时产生“栽头”和旋转现象。
通过在中继间之间设置虚拟中继间，并在顶力不足时在虚拟中继中加装顶进油缸并启用，可以减少中继间的数量，节约成本的同时能够减轻后续拆除的工作量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明施工方法流程图；
图2为确定单位长度摩阻力阈值的流程图；
图3为确定单位长度摩阻力的流程图；
图4为顶进施工的原理示意图；
图5为注浆孔的分布位置示意图；
图6为管节的顶进轨迹示意图；
图7为管节底部沉渣示意图；
图8为顶进始发时主机与管节的连接示意图；
图9为实体中继间与虚拟中继间的分布示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示的超长距离硬岩顶管施工方法的流程图，该施工方法包括：
步骤1-1、建设工作井，并安装相应的顶管施工设备；
步骤1-2、根据管节上注浆孔的分布位置和顶管机的最大顶力，分别确定管节的单位长度摩阻力阈值和中继间启用阈值；
步骤1-3、通过顶管施工设备进行顶进施工，实时监测顶管机顶力和顶进距离范围内管节的单位长度摩阻力，当单位长度摩阻力超过预设的单位长度摩阻力阈值时对管节底部的沉渣进行清理，当顶管机顶力超过预设的中继间启用阈值时启用相应的中继间，直至隧洞贯通
具体而言，如图4所示，首先，可以在施工现场开挖工作井，并在工作井中安装顶管施工设备，如泥水系统、注浆系统、顶进系统等，然后，将顶管机的主机、1#台车吊入工作井中，通过顶管机的主顶进油缸，将1#台车上的管节和顶管机的主机顶入隧洞内，然后，再将其他台车吊入工作井，并通过主顶进油缸将其搭载的管节或者中继间依次顶入主机开挖的隧洞中，如此重复，直至隧洞贯通。
在顶进过程中，可以通过注浆系统向管节与围岩之间的缝隙中注入润滑泥浆以降低管节受到的摩阻力，并且实时监测管节的单位长度摩阻力和顶管机顶力。当管节的单位长度摩阻力超过预设的单位长度摩阻力阈值时，通过中继间或者管节预留的清渣孔，清除管节底部的沉渣，避免堵塞管节上的注浆孔，造成注浆中断。
当顶管机顶力超过预设的中继间启用阈值时，表明顶管机的顶力不足，启用中继间。在本实施例中，中继间启用阈值定为70％的系统顶力，当顶管机的顶力超过自身最大顶力的70％时，启用中继间以分段顶进。
如此，通过合理地进行清渣和启用中继间，使管节与围岩之间保持良好的润滑效果，降低管节受到的摩阻力，并在顶力增大的时候启用中继间使设备和管节能够尽快通过顶力增大的洞段，达到有效控制顶力，提高施工效率的目的。
在本实施例中，优选的，如图8所示，在顶进的始发阶段，顶管机的主机1在进入隧洞前安装首节管节2和防偏转装置3。具体而言，在主机1进入隧洞前，可以将1#台车上搭载的首节管节2与主机1连接，然后，将首节管节2和后续的安装的13节管节5依次连接成整体，管节5与首节管节2之间、管节与管节之间都可以通过预埋件4连接，如此可以防止主机1进入洞内时产生“栽头”和旋转现象。
在本实施例中，优选的，如图2所示，所述确定管节的单位长度摩阻力阈值包括：
步骤2-1、获取顶进施工的施工参数和接触角度阈值；
步骤2-2、根据施工参数和接触角度阈值计算管节的单位长度摩阻力阈值。
具体而言，在本实施例中，可以根据管节的注浆孔分布位置设定所述接触角度阈值，关于注浆孔分布位置可以直接从管节资料中获取，如图5所示，管节上设置有A、B、C共3个注浆孔，3个注浆孔围绕管节的中轴线均匀分布，注浆孔之间的夹角为120度。如图7所示，岩石渣会在管节底部沉积，如果不进行清渣，管节底部的沉渣范围会逐渐增大，直至超过注浆孔的位置，造成注浆孔堵塞，为确保注浆孔不被堵塞，同时避免频繁清渣，接触角度阈值可以设置为120度。
所述施工参数包括管节外直径、管节每延米重量、每延米配重、管节半径、注浆压力、管岩摩擦系数、管浆摩擦系数、顶进距离、泥浆重度、中轴线偏差影响系数、接触压力增大系数。其中，管节外直径、管节每延米重量、每延米配重、管节半径、注浆压力可以直接通过设备资料获取得到，管浆摩擦系数可以根据润滑泥浆人工设定。
管岩摩擦系数可以通过管-岩接触面直剪试验获取，具体而言，可以通过筛选表面粗糙度与现场管节较为接近的混凝土试件以及加工的现场原岩试件，注入与施工所使用的润滑泥浆，采用WDAJ-600型岩石剪切流变试验机进行管-岩接触面直剪试验，通过计算剪力与轴力的比值获得相应的管岩摩擦系数。
中轴线偏差影响系数可以根据所述顶进距离确定。实际工程中，由于受到管节尺寸偏差、地质不均、测量偏差、管节重力以及刀盘损耗变形等因素的影响，如图6所示，管节在顶进过程中顶进轨迹呈“S”型。中轴线偏差影响系数fk可以采用如下公式求得：
L为顶进距离、L0为单根管节长度，λ为人工设定的相邻管节角度偏差，n为“S”型曲线段一半长度范围内的管节数量。
接触压力增大系数可以通过数值模拟确定，具体而言，首先可以通过现有技术检测施工现场围岩、管节的计算参数，如密度、弹性模量等。然后，利用现有的工程模拟软件，如ABAQUS模拟确定不同接触角度对应的顶力数值Fs。最后，根据数值模拟中的管岩摩擦系数μs、顶力数值Fs和管节自重Gp，采用以下计算公式计算得出接触压力增大系数Kc：
在确定长距离岩石顶管施工的施工参数和接触角度阈值后，可以采用以下计算公式计算单位长度摩阻力阈值fmax：
Kc为接触压力增大系数，γm为泥浆重度，2θ为接触角度阈值，R为管节外半径，H为液体自由液面与管节顶面之间的距离，Gc是管节每延米重量，Gs为管节每延米配重、Dp为管节外直径，Pm为注浆压力，μm为管浆摩擦系数，fk为中轴线偏差影响系数、μs为管岩摩擦系数。
长距离岩石顶管工程中浆液会从岩石节理裂隙处流失，在持续注浆的情况下也难保持很大压力。根据现场实测，发现在打开顶部注浆孔往往有浆液流出，但流出速度缓慢，因此认为顶部浆液水头高度不高，液体自由液面与管节顶面之间的距离H可取值为0。
在本实施例中，优选的，如图3所示，采用以下方法监测所述管节的单位长度摩阻力：
步骤3-1、监测顶管机的顶力和机头阻力；
步骤3-2、通过顶力和机头阻力确定管节的实测摩阻力；
步骤3-3、根据实测摩阻力生成摩阻力曲线；
步骤3-4、对摩阻力曲线分段进行曲线拟合，确定顶进距离范围内管节的单位长度摩阻力。
具体而言，首先，可以通过主机上的现有设备检测顶管机的顶力和机头阻力，然后根据监测得到的顶力和机头阻力计算得到摩阻力实测值，然后，根据监测得到摩阻力实测值生成摩阻力曲线，之后，对摩阻力曲线分段进行曲线拟合并求得斜率，即可确定每一段顶进距离范围内管节对应的单位长度摩阻力。
在本实施例中，优选的，在顶进过程中还包括：将所述管节的单位长度摩阻力与设定的检测阈值进行对比，当单位长度摩阻力超过预设的检查阈值时，检查润滑泥浆的注浆系统。
具体而言，会造成注浆中断的不仅是管节的底部沉渣，还可能是注浆系统出现问题，所以，可以通过对比管节的单位长度摩阻力与人工设定的检查阈值，判断是否是注浆系统出现了问题。
在本实施例中，优选的，当单位长度摩阻力超过所述检查阈值时，还包括检测岩层种类，并根据岩层种类调整润滑泥浆粘度。
在顶进过程中，可能会遇到不同的岩层种类，不同的岩层种类适用的润滑泥浆粘度也不同，因此，当管节的单位长度摩阻力超过所述检查阈值时，还可以通过现有技术检测所处顶进距离段的岩层种类，并通过表1根据岩层种类调整润滑泥浆粘度。如果所处顶进距离段的地下水较多，还可以在润滑泥浆中添加增粘剂。
| 地层分类 | 马氏漏斗粘度值s |
| 淤泥、粉质粘土 | 35-45 |
| 泥岩、砂质泥岩 | 60-75 |
| 砂岩、石灰岩 | 90-105 |
| 页岩、炭质页岩 | 40-55 |
表1
在本实施例中，优选的，还包括确定的中继间位置，并根据确定的中继间位置安装中继间。在长距离顶管施工中，由于地质原因、调向等因素影响，隧洞内的顶力分布并不均匀，中继间是长距离顶管施工中必不可少的设备，通过加设中继间的方法，就可以把原来需要一次性连续顶进的管道，分成若干个短距离的小段来分别加以顶进，可以有效地通过顶力增大的洞段。
在本实施例中，优选的，所述中继间包括虚拟中继间和实体中继间，虚拟中继间为未安装顶进油缸的实体中继间。实体中继间与现有的中继间相同，虚拟中继间与现有的中继间的结构大致相同，其主要区别在于：虚拟中继间没有顶进油缸，但设置有顶进油缸安装位。可以通过在虚拟中继间中填装顶进油缸，将虚拟中继间转换为实体中继间使用。
在本实施例中，优选的，根据中继间的顶进油缸的最大顶力、安全储备数据确定所述中继间位置。
具体而言，中继间的安装位置与中继间的顶进油缸的、管节和围岩相关，可以通过以下计算公式计算中继间之间的间距L。其中，第一中继间与机头距离一般按照经验值取值小于50m；之后各个中继间之间的距离不能超过间距L，从而可以确定各个中继间的位置：
式中，F表示中继间油缸能提供的最大顶力；uint表示管岩接触面残余摩擦系数；
表示岩体的残余摩擦角,r表示管道半径；P为顶力安全储备系数(大于1)；γ为岩体重度；D表示管道外直径；L为顶进中继间最小间距，其中,uint、γ与
均可通过试验获得。
在本实施例中，如图9所示，可以在距离机头50m的距离处，管节No.18与管节No.20之间安装实体中继间No.1，间隔100m后，可以在管节No.78与管节No.80之间可以安装虚拟中继间No.2，在间隔100m，在管节No.137与管节No.139之间安装虚拟中继间No.3。在顶进施工尾期可以根据顶力情况将虚拟中继间之间的距离增大到150m，如此可以减少实体中继间的数量。
当不能满足顶力需求时，可以通过在虚拟中继间No.2或No.3中填装顶进油缸，将虚拟中继间转换为实体中继间使用，节约了设备成本的同时，减少了后期设备拆除工作量。
在本实施例中，在顶进过程中，还包括采集顶管机主机的姿态数据、高度数据，以及顶进距离和顶进速度，并根据姿态数据、高度数据、顶进距离和顶进速度确定顶管偏差数据，并根据顶管偏差数据进行相应处理。
具体而言，可以采用陀螺仪测量主机姿态如仰俯角滚动角，通过静力水准仪测量主机的高度数据，并在始发井的井壁上安装行程传感器，通过行程传感器测量顶进长度和顶进速度。根据姿态数据、高度数据、顶进距离和顶进速度可以确定顶管偏差数据，根据顶管偏差数据可以对顶管进行校正。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (9)
1.一种超长距离硬岩顶管施工方法，其特征在于，包括：
建设工作井，并安装相应的顶管施工设备；
根据管节上注浆孔的分布位置设定接触角度阈值，并根据施工参数和接触角度阈值计算管节的单位长度摩阻力阈值，根据顶管机的最大顶力确定中继间启用阈值，中继间启用阈值为70％的最大顶力；
通过顶管施工设备进行顶进施工，实时监测顶管机顶力和顶进距离范围内管节的单位长度摩阻力，当单位长度摩阻力超过预设的单位长度摩阻力阈值时对管节底部的沉渣进行清理，当顶管机顶力超过预设的中继间启用阈值时启用相应的中继间，直至隧洞贯通。
2.根据权利要求1所述的超长距离硬岩顶管施工方法，其特征在于，顶管机的主机在进入隧洞前安装管节和防偏转装置，并通过预埋件将后续安装的N节管节连接成整体。
3.根据权利要求1所述的超长距离硬岩顶管施工方法，其特征在于，采用以下方法监测所述管节的单位长度摩阻力：
监测顶管机的顶力和机头阻力；
通过顶力和机头阻力确定管节的实测摩阻力；
根据实测摩阻力生成摩阻力曲线；
对摩阻力曲线分段进行曲线拟合，确定顶进距离范围内管节的单位长度摩阻力。
4.根据权利要求1所述的超长距离硬岩顶管施工方法，其特征在于，在顶进过程中还包括：将所述管节的单位长度摩阻力与设定的检测阈值进行对比，当单位长度摩阻力超过预设的检查阈值时，检查润滑泥浆的注浆系统。
5.根据权利要求4所述的超长距离硬岩顶管施工方法，其特征在于，当单位长度摩阻力超过所述检查阈值时，还包括检测岩层种类，并根据岩层种类调整润滑泥浆粘度。
6.根据权利要求1所述的超长距离硬岩顶管施工方法，其特征在于，还包括确定的中继间位置，并根据确定的中继间位置安装中继间。
7.根据权利要求6所述的超长距离硬岩顶管施工方法，其特征在于，所述中继间包括虚拟中继间和实体中继间，虚拟中继间为未安装顶进油缸的实体中继间。
8.根据权利要求6或7所述的超长距离硬岩顶管施工方法，其特征在于，根据中继间的顶进油缸的最大顶力、安全储备数据确定所述中继间位置。
9.根据权利要求1所述的超长距离硬岩顶管施工方法，其特征在于，在顶进过程中，还包括采集顶管机主机的姿态数据、高度数据，以及顶进距离和顶进速度，并根据姿态数据、高度数据、顶进距离和顶进速度确定顶管偏差数据，并根据顶管偏差数据进行相应处理。
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