CN116066130A - 一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法，涉及地下综合管廊、地下通道等地下空间施工领域。S1：始发井、接收井施工作业；S2：依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域和刀盘的切削区域划分正常掘进区和扩挖区，使用微型圆形顶管法对扩挖区的岩层进行超前预掘进；S3：矩形顶管机始发施工作业；S4：矩形顶管机正常掘进施工作业；S5：矩形顶管机接收施工作业。本发明克服了矩形顶管施工不宜适用于单轴抗压强度大于5MPa岩石地层条件的行业及专业偏见，解决水平定向钻进行超前预掘进中处理精度低效果差、不适用于长距离矩形顶管、施工效率慢、费用高的缺点，更加快速、精准、经济合理地应用长距离全断面岩层施工。

Description

一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法
技术领域
本发明涉及地下综合管廊、地下通道等地下空间施工领域，具体涉及一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法。
背景技术
近年来，随着城镇化进程的快速发展，城市地下空间利用的需求量越来越大，地下空间建设要求也越来越高。为了保证城市地面交通的顺畅、减少地上地下障碍物的迁移工作量、加快工程建设进度以及确保周边建筑物、构筑物的安全等，传统的明挖现浇施工技术越来越无法满足工程建设的需要，取而代之的是急速发展的不开槽施工技术，顶管法就是其中比较典型的非开挖施工技术。顶管法应用于地下空间工程建设中，能够有效降低对地表的占用，对保护城市环境、加强地下空间合理规范化建设起到了积极作用。
现阶段，顶管法施工技术主要包括矩形顶管和圆形顶管两种形式。其中，矩形顶管能够充分利用结构断面，提高断面利用率，相较于圆形顶管，能够节省约20%的空间，对于地下综合管廊以及地下通道等地下空间工程建设更加具有优越性。
目前，矩形顶管施工技术还处于实践摸索阶段，相应国家或行业技术标准和验收规范等尚不成熟。根据中国工程建设标准化协会标准《矩形顶管工程技术规程》（T/CECS716-2020）以及中国市政工程协会团体标准《综合管廊矩形顶管技术标准》（T/CMEA 14-2020），明确提出“单轴抗压强度大于5Mpa的岩石地层不宜采用矩形顶管施工”的定位，矩形顶管的应用空间和发展前景明显受限。其中，中国专利CN113944475A公开了一种上软下硬大尺寸矩形顶管施工方法，采用水平定向钻对硬岩预处理：对侵入顶管隧道的硬岩进行预破碎处理；中国专利CN111720136A公开了一种矩形顶管机开挖盲区的处理方法，采用水平定向钻机预先钻孔破坏开挖盲区上的土体，可以提高土体的流动性，让矩形顶管机施工更加顺利。
以上专利均指出采用水平定向钻进行盲区的钻孔预处理，但是水平定向钻并不适用于长距离、全断面岩层的盲区钻孔预处理施工，预处理完成后的断面施工精度不能满足后续顶进施工，仍易出“卡壳”现象，尤其是在穿越高速公路、铁路、河湖、及地上障碍物多的施工条件下；水平定向钻在进行全断面岩石地层盲区预处理时，当孔径大于150mm时，需要配备岩石钻具且应分级进行回扩，施工效率慢、费用高。水平定向钻预处理的方法只适用于特定的施工工况，推广性及发展前景受限。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述缺陷，提出一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法。解决了既有水平定向钻盲区预处理工法精度低、效果差、不适用于长距离矩形顶管、施工效率慢及费用高、发展前景受限的情形。进一步地克服了矩形顶管施工不宜适用于单轴抗压强度大于5MPa岩石地层条件的行业及专业偏见，为矩形顶管行业的技术进步以及相应技术标准的完善，提供了强有力的支撑。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：始发井、接收井施工作业；
S2：依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域和刀盘的切削区域划分正常掘进区和扩挖区，并对扩挖区的岩层进行超前预掘进，打断岩层的整体型，降低岩层的坚硬程度，充分缓解岩层对矩形顶管机运行过程中的约束，包括如下步骤：
S21：依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域和刀盘的切削区域划分正常掘进区、扩挖区，并结合有限元模拟分析，对扩挖区的范围和位置进行修正；
所述对扩挖区的范围修正采用ABAQUS有限元模拟的建模方式分析，依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域和刀盘的切削区域的分布情况，对矩形顶管扩挖区进行设计，将二维平面问题简化，明确扩挖区的孔位位置、孔洞大小、范围参数，进一步地分析地应力平衡、地表沉降，保证扩挖施工的科学性、可行性，主要步骤为创建 Geostatic 分析步、对模型施加重力荷载、提交计算，生成odb文件、在预应力场中重新读取odb应力场、重新提交计算，完成初始地应力的平衡；
扩挖区不同的处理方式都将影响修正的结果，所以扩挖区的分布情况应视施工方法及时调整。
S22：依据地层、工作井尺寸、预掘进长度、周边干扰因素进行超前预掘进设备选型，按照设备性能以及操作需求确定自下向上的横向分层、纵向分块施工顺序；
S23：按照既定施工顺序采用微型圆形顶管法施工技术进行逐块扩挖区的超前预掘进；每块扩挖区的超前预掘进施工完成后，立即对超前预掘进施工成型通道或孔洞进行填充；
采用微型圆形顶管法的施工准备工作如下：
经上述S21中有限元模拟分析修正后，拟定扩挖区域为6部分，上、下部均匀分布4个直径0.5m的扩挖区，中部左右对称分布2个直径1m的扩挖区，最大沉降为11mm，满足沉降要求，且处理完成后矩形顶管机的断面切削率达到98%及以上，具备顺利贯通的条件；
所述微型圆形顶管法施工技术采用圆形顶管机，直径尺寸为300mm-1200mm，通道一次施工成型，根据修正后的扩挖区的分布情况，微型圆形顶管法施工具体步骤如下；
根据岩层的单轴抗压强度，选择圆形硬岩顶管机，土压平衡；
根据扩挖区的参数，选择直径0.5m、直径1m的圆形硬岩顶管机；
根据修正后扩挖区分布情况，分三阶段进行施工，顺序为由下至上，先进行扩挖区范围的洞门破除；
洞门破除完成后，施工操作面整理，在始发井进行微型圆形硬岩顶管机简易顶推系统的布置；通过起吊设备依次向井下吊入轨道、后靠背、主顶油缸、主顶泵站、硬岩顶管机，后组装完成；
根据扩挖区通道的直径选择相应的钢管节，钢管节的直径为0.5m、1m；
根据始发井的尺寸、圆形硬岩顶管机的尺寸确定钢管节的长度，为1.5m及以上；
上述施工准备工作完成后，利用微型圆形硬岩顶管机的切削出土、顶推及两者的结合进行顶进施工，视顶进过程中摩阻力的大小并辅以触变泥浆，直至出洞完成扩挖区通道的贯通，顶进过程中钢管顺序吊放；
在接收井处设置一台起吊设备，当超前预掘进贯通且能够满足通道或孔洞不坍塌的情况下，分别将微型圆形硬岩顶管机、钢管管节依次吊出，超前预掘进长度同矩形顶管顶进长度，以此完成各处扩挖区的超前预掘进施工；
S24：每层所包含的扩挖区全部施工完毕后，及时回填工作井至上一层的施工位置或高程；
S25：重复步骤S23-S24，直至全部扩挖区均完成超前预掘进施工作业；
S3：矩形顶管机始发施工作业；包括如下步骤：
S31：清除始发井内的回填料、破除洞口剩余桩和墙；
S32：喷锚封闭洞口暴露的掌子面；
S33：安装固定洞门钢环；
S34：安装始发基座；
S35：安装调试顶推系统；
S36：矩形顶管机组装调试；
S37：安装洞门密封及止水装置；
S38：顶推矩形顶管机至洞口；
S39：就位首节管节及顶铁装置；
S310：始发掘进；
S4：矩形顶管机正常掘进施工作业；
S5：矩形顶管机接收施工作业，包括如下步骤：
S51：清除接收井内的回填料、破除洞口剩余桩和墙；
S52：喷锚封闭洞口暴露的掌子面；
S53：安装固定洞门钢环；
S54：安装接收基座；
S55：到达掘进；
S56：矩形顶管机推上接收基座；
S57：洞门密封；
S58：置换触变泥浆；利用管节内预埋的1寸注浆孔向管外壁与地层间注入固结浆液置换管节外壁与地层间的触变泥浆；每个管节可取4个及以上注浆孔按照自下向上的顺序进行注浆置换，相邻管节的注浆孔间隔选取；可采用间隔管节注浆，往复循环直至全部管节完成注浆置换；注浆材料宜选用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆的水灰比采用1:1，水泥浆与水玻璃液的体积比采用1:0.8-1:1，水玻璃在使用前加水稀释到20-35波美度；注浆控制以注浆量为主、注浆压力为辅；注浆量应达到理论注浆量的2倍以上，注浆压力宜控制在0.3MPa；
S59：拆卸矩形顶管机，转场。
所述步骤S23中，填充的方式采用泵送设备输送填充物；填充物为经改良后的黏性土组合，由膨润土、黄土构成，同时，根据地下水位及岩层的渗水率情况掺加一定剂量的水泥固化材料。
改良后的黏性土组合配比为：60%黄土+20%膨润土+20%水泥，抗压强度为3Mpa，流动度为120mm~140mm之间，用水量为39%，可满足要求，经济合理、节能。
所述步骤S21中，洞门尺寸需要预留出扩挖区预掘进的作业空间，为上下各2cm、左右各4cm，洞门钢环在扩挖作业完成后进行安装固定。
所述步骤S4中，通过顶推系统顶推矩形顶管机在设定区域内运行，在每运行一个主顶行程的前进量后，退回主顶油缸，并吊放就位新的管节，对称、按照8cm/h的速度匀速顶进；再次循环本过程，直至顶管机运行至接收井附近。
在矩形顶管机运行过程中，通过测量系统实时监测矩形顶管机的运行轨迹，利用纠偏方法及时对轨迹偏差进行矫正；在管节外壁和岩层之间注入触变泥浆减阻；通过注浆孔向掌子面或土仓内注入渣土改良剂，改良剂选用钠基膨润土泥浆。
所述纠偏方法，采用纠偏油缸法；利用布置于前后壳体之间的纠偏千斤顶组提供反力，执行向预定方向伸缸进行矫正。
所述纠偏方法，采用主顶油缸法；利用布置于始发井内的千斤顶组提供顶力，执行在顶铁与管节之间、后壳体与管节之间增加不均衡衬板调整顶力分布或调整千斤顶的布置位置、数量进行矫正。
所述纠偏方法，采用定向打土法；利用布置于壳体、管节内的注浆孔，通过打土泵向壳体与地层之间、管节与地层之间压入经改良的钙基膨润土浆，执行向轨迹偏差的反作用力方向打土进行矫正。
所述长距离全断面岩石地层条件指：顶进距离超过80m、顶进范围全部处于岩层、岩层的单轴抗压强度达到30Mpa及以上。同样的，此方法适用性极为广泛，不论距离长短、是否处于全断面岩层、岩层为30Mpa以下同样适用。
本发明具有以下有益效果：
在施工过程中依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域和刀盘的切削区域划分正常掘进区和扩挖区，并对扩挖区的岩层进行超前预掘进，打断岩层的整体型，降低岩层的坚硬程度，充分缓解岩层对矩形顶管机运行过程中的约束，降低顶管机运行过程中所承受的阻力，从而能够实现在单轴抗压强度达到30MPa及以上岩石地层条件下的顺利贯通。解决了既有水平定向钻盲区预处理工法精度低、效果差、不适用于长距离矩形顶管、施工效率慢及费用高、发展前景受限的情形。克服了矩形顶管施工不宜适用于单轴抗压强度大于5MPa岩石地层条件的行业及专业偏见，拓宽了矩形顶管的应用空间和发展前景。两种施工方法实施效果分析见表1。
表1 两种施工方法实施效果分析
备注：此实施效果分析为本项目实际施工统计得出，具备真实性。经分析，可以明确得出微型圆形顶管法实施效果好，优势突出。
附图说明
图1是本发明提供实施例的方法步骤图；
图2是本发明提供实施例的步骤S2的方法步骤图；
图3是矩形顶管顶进施工过程示意图；
图4是本发明提供实施例的微型圆形顶管法处理扩挖区的示意图；
图5是本发明提供实施例的水平定向钻法处理扩挖区的示意图；
图中，1、始发井；2、接收井；3、既有构筑物；4、人工填土层；5、岩石地层；6、后靠板；7、液压顶推系统；8、顶铁；9、若干个管节；10、矩形顶管机；11、矩形顶管机的运行区域；12、刀盘的切削区域；13、扩挖区。
具体实施方式
实施例1
参照图1~图5所示，始发井1和接收井2位于既有构筑物3的两侧，地下管廊与道路发生交叉，需要穿过道路布置。施工场地内地层上层为人工填土层4、下层为岩石地层5，矩形顶管的设计位置位于岩层内。
通过从始发井向接收井方向依次布设后靠板6、液压顶推系统7、顶铁8、若干个管节9、以及矩形顶管机10（矩形顶管机的前方设有若干个切削刀盘），来实现矩形顶管的施工作业。后靠板设在始发井的井壁和液压顶推系统之间，为液压顶推系统提供后部支撑反力面；液压顶推系统前部与顶铁对接。初始顶进，液压顶推系统通过顶铁向矩形顶管机提供顶力，将矩形顶管机顶近洞口；后续随着矩形顶管机的继续前进，在每运行一个主顶行程的前进量后，退回主顶油缸，在顶铁和矩形顶管机之间增加管节，直至矩形顶管机贯通。以上为矩形顶管机的顶进过程简述。
为了使得矩形顶管机在岩石地层中能够稳定作业，本发明提供了一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法，包括以下步骤：
S1：始发井、接收井施工作业。图中实施例中，矩形顶管机的始发井、接收井围护结构为灌注桩组合混凝土支撑；井室为矩形钢筋混凝土结构，紧靠桩基形成复合衬砌结构。
S2：依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域11和刀盘的切削区域12划分正常掘进区和扩挖区13，并对扩挖区的岩层进行超前预掘进，打断岩层的整体型，降低岩层的坚硬程度，充分缓解岩层对矩形顶管机运行过程中的约束。
由于顶管机的结构外形为矩形，刀盘结构外形为圆形，无论刀盘如何优化布置，刀盘的运行轨迹始终不能覆盖整个顶管机的运行区域，导致矩形顶管机在岩石地层内运行过程中存在局部难以排障问题，造成无法贯通。图中实施例的顶管机采用5个刀盘结构（1个大刀盘和4个小刀盘），该顶管机刀盘的切削率为85%，搅拌率为60%。
对于常见的淤泥质黏土、黏土、粉土及砂土土层，尚可通过矩形顶管机自身的冲击和挤压作用解决清障问题，但针对单轴抗压强度大于5MPa的岩石地层则难以实现，需要采取辅助工法解决此问题，故本实施例所述的超前预掘进扩挖法应运而生。此方法的应用，相当于对矩形顶管机运行区域周边地层提前进行了“人工干预”，从而降低或缓解了后续顶管机运行过程中所承受的阻力，能够有效确保矩形顶管机的顺利贯通。本发明着重提出采用微型圆形硬岩顶管机进行长距离全断面的岩层条件下矩形顶管的超前预掘进施工，精准、快速，适用性极强。
S3：矩形顶管机始发施工作业。
S4：矩形顶管机正常掘进施工作业。
S5：矩形顶管机接收施工作业。
本实施例的应用，实现了矩形顶管在全断面单轴抗压强度达到30MPa岩石地层条件下的长距离的矩形顶管顺利贯通，克服了矩形顶管施工不宜适用于单轴抗压强度大于5MPa岩石地层条件的行业及专业偏见，拓宽了矩形顶管的应用空间和发展前景，为矩形顶管行业的技术进步以及相应技术标准的完善，提供了强有力的支撑。同时，根据本实施例所展现的施工效果，可以判定在岩石强度达到30MPa以上的部分或全部地层条件时，不论距离长短均同样适用。
进一步，步骤S2中，包括如下步骤：
S21：依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域和刀盘的切削区域划分正常掘进区及扩挖区。正常掘进区为刀盘切削区域，扩挖区主要布置在顶管机运行区域的四周位置。扩挖区的设定范围，除应尽量覆盖运行区域内的刀盘无法切削范围以外，还须实现尽可能多的顶管机轮廓外超挖。
同时，尚应结合有限元模拟分析，对扩挖区的范围和位置进行修正；具体表现为根据实际地层情况以及拟定扩挖区，建立有限元模型，分析超前预掘进扩挖对地面以及周边构筑物、建筑物的影响，并依此完善、确定最合理的扩挖区范围、位置。
S22：依据地层、工作井尺寸、预掘进长度、周边干扰因素进行超前预掘进设备选型，按照设备性能以及操作需求确定自下向上的横向分层、纵向分块施工顺序；本实施例的分层高度为1.5m，每层分为2块进行施工。
S23：按照既定施工顺序进行逐块扩挖区的超前预掘进；每块扩挖区的超前预掘进施工完成后，立即对超前预掘进施工成型通道或孔洞进行填充。
S24：每层所包含的扩挖区全部施工完毕后，及时回填工作井至上一层的施工位置或高程，直至覆盖洞门顶高程范围。本实施例共分三次回填完成，回填材料采用碎石。
S25：重复步骤S23-S24，直至全部扩挖区均完成超前预掘进施工作业。
进一步，步骤S23中，超前预掘进施工采用的微型圆形顶管法施工技术选用泥水平衡顶管机，顶管机的切削系统各项选型与配置满足岩石地层条件下的施工要求。本实施例采用两种直径0.5m、1m的圆形硬岩顶管机，共需处理6处，每处均一次处理成型。
对应的管节材质选用钢管；根据通道的直径选择相应的钢管节，钢管节的长度1.5m及以上；利用微型圆形硬岩顶管机的切削、顶推及两者的结合进行顶进施工，直至出洞，过程中钢管顺序吊放；接收井处设置一台起吊设备，分别将微型圆形硬岩顶管机、钢管管节依次吊出，超前预掘进长度同矩形顶管顶进长度，以此完成一处扩挖区的超前预掘进施工。当超前预掘进贯通、且能够满足通道或孔洞不坍塌的情况下，须抽出钢管节；循环以上操作，完成所有扩挖区通道或孔洞的施工。
通道或孔洞形成后，及时进行填充；填充的方式可采用打土泵压入优质钙基膨润土浆的组合或混凝土地泵输送经改良的黏性土的组合；视情况，亦可选择掺加一定剂量的水泥固化材料。本实施例是采用混凝土地泵输送经改良的黏性土的组合。
微型圆形硬岩顶管法的选用，具备施工精度高、施工速度快、经济合理等特点，完全可应用于施工距离长、岩石强度大、施工工期严格、周边障碍物多等复杂条件下的矩形顶管施工。
进一步，步骤S23中，同样可以采用超前预掘进施工采用水平定向钻法施工技术。选用配备岩石钻具及泥浆马达等设施的水平定向钻。本实施例采用45t级回扩力的水平定向钻机，配备了泥浆马达和牙轮钻头。
将每个扩挖区预先分解成数个相同或不同直径的孔位；孔径为；按照先导孔钻进、分级回扩的流程逐孔成型；先导孔的钻进从始发井向接收井方向进行；当出现先导孔孔位钻进偏差或回扩串孔问题影响处理效果时，重新补孔。本实施例分解不同直径的钻孔8个，按照150mm、300mm、500mm的分级进行逐级回扩成孔。
当超前预掘进贯通、且能够满足通道或孔洞不坍塌的情况下，对通道或孔洞内沉渣进行清理；超前预掘进长度同矩形顶管顶进长度。
通道或孔洞形成后，及时进行填充；填充的方式可采用打土泵压入优质钙基膨润土浆的组合或混凝土地泵输送经改良的黏性土的组合；视情况，亦可选择掺加一定剂量的水泥固化材料。本实施例是采用混凝土地泵输送经改良的黏性土的组合。
本实例水平定向钻法的应用，没有取得预期效果，原因在于施工距离长，地上附着物多，影响先导孔的施工精度，返工现象频出，且岩石强度大，分级钻进和回扩效率慢，施工周期长。故水平定向钻法仅适用于施工距离相对较短、周边干扰因素少的情况，推广前景受限。
综上所述，微型圆形硬岩顶管法进行扩挖区超前掘进时，施工效率快、精度高，不受施工距离的长短，地上及地下构筑物、高速公路或铁路等施工环境影响，经济、合理，具备极大的发展前景，更易被推广。
进一步，在步骤S3，包括如下步骤：
S31：当扩挖区超前预掘进全部完成后；清除始发井内的回填料、破除洞口剩余桩（墙）。
S32：洞门完全暴露后，及时对裸露的掌子面进行喷锚封闭。
S33：现场组装洞门钢环，按照预定中轴线位置整体吊装就位，并在井室结构与钢环之间空隙内浇筑细石混凝土密封固定。
S34：在始发井内安装顶管机的始发基座，基座可采用混凝土结构或钢结构形式，本实施例采用钢结构形式。针对下硬上软地层，在安装基座和顶推系统（含后靠板）时，相较设计轴线或高程宜预留有一定程度的向下倾角。
S35：安装调试顶推系统；在井上将千斤顶组与油缸支架连成一体后整体吊装至井内，主顶液压油缸支架可与基座导轨进行可靠连接固定，测量系统支架须与井室底板进行可靠连接固定。运行、调试液压泵站与主顶工作匹配正常。
S36：矩形顶管机组装调试；根据起重设备能力，整体或分体组装前下壳体、前上壳体、后壳体、刀盘等部件以及液压、电气操作系统，组装完成后进行各系统的调试、试运行。
S37：安装洞门密封及止水装置。
S38：顶推矩形顶管机至洞口；顶推前，先检查掌子面的平整度，尤其是底部位置，若存在局部明显不平整情况，应尽快凿平处理。
S39：就位首节管节及顶铁装置；首节管节与顶管机之间应加设缓冲木垫板。
S310：始发掘进。初始掘进过程中，应慢速、匀速顶进，确保顶管机按照预定姿态精准入洞。
进一步，在步骤S4，通过顶推系统顶推矩形顶管机在设定区域内运行，在每运行一个主顶行程的前进量后，退回主顶油缸，并吊放就位新的管节，对称、匀速顶进；再次循环本过程，直至顶管机运行至接收井附近。管节吊放前，必须严格按照接头止水设计做好橡胶圈、止水条、密封胶、结构缝板的安装工作。管节就位时，必须确认管节定位准确，然后利用主顶油缸缓慢将管节端口精准对接已拼装好的管节承口内。
进一步，在矩形顶管机运行过程中，通过测量系统实时监测矩形顶管机的运行轨迹，利用纠偏方法及时对轨迹偏差进行矫正；在管节外壁和岩层之间注入触变泥浆减阻；通过注浆孔向掌子面或土仓内注入渣土改良剂，用于改良渣土的塑性、流动性。
触变泥浆优先采用钠基膨润土配置，膨润土用量需要结合地层特性、地下水条件、产品性能综合确定，可按照70kg/m3的掺量进行配置。
渣土改良剂同样优先选用钠基膨润土泥浆，具体性能要求可参照触变泥浆技术指标控制，改良剂的注入量相较土层会有所提高至40%甚至以上的水平。
在上述的矩形顶管顶进实施中，纠偏方法可采用纠偏油缸法；利用布置于前后壳体之间的纠偏千斤顶组提供反力，执行向预定方向伸缸进行矫正。
在上述的矩形顶管顶进实施中，纠偏方法可采用主顶油缸法；利用布置于始发井内的千斤顶组提供顶力，执行在顶铁与管节之间、后壳体与管节之间增加不均衡衬板调整顶力分布或调整千斤顶的布置位置、数量进行矫正。
在上述的矩形顶管顶进实施中，纠偏方法可采用定向打土法；利用布置于壳体、管节内的注浆孔，通过打土泵向壳体与地层之间、管节与地层之间压入经改良的钙基膨润土浆，执行向轨迹偏差的反作用力方向打土进行矫正。
以上纠偏方法根据矩形顶管机的姿态偏差情况，既可单独使用，又可共同组合使用。
进一步，在步骤S5，包括如下步骤：
S51：当矩形顶管机到达接收井围护结构位置时，暂停顶进；清除接收井内的回填料、破除洞口剩余桩（墙）。
S52：洞门完全暴露后，及时对裸露的掌子面进行喷锚封闭。
S53：现场组装洞门钢环，按照预定中轴线位置整体吊装就位，并在井室结构与钢环之间空隙内浇筑细石混凝土密封固定。
S54：在接收井内安装顶管机的接收基座，基座可采用混凝土结构或钢结构形式，本实施例采用钢结构形式。按照经复测的顶管机轮廓、姿态、位置、高程，确定基座的安装轴线、高程，并将基座与接收井室底板进行可靠连接。
S55：安装反力架，继续启动顶推系统，将末尾剩余管节推入地层。
S56：矩形顶管机推上接收基座，利用脱管千斤顶将顶管机与管节脱离。
S57：利用洞门钢环及管节端面预埋钢板为固定端，连续焊接10mm及以上厚度的钢板将洞门与管节之间的空隙密封。
S58：利用管节内预埋的1寸注浆孔向管外壁与地层间注入固结浆液置换管节外壁与地层间的触变泥浆；每个管节可取4个及以上注浆孔按照自下向上的顺序进行注浆置换，相邻管节的注浆孔间隔选取；可采用间隔管节注浆，往复循环直至全部管节完成注浆置换；注浆材料宜选用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆的水灰比采用1:1，水泥浆与水玻璃液的体积比采用1:0.8-1:1，水玻璃在使用前加水稀释到20-35波美度；注浆控制以注浆量为主、注浆压力为辅；注浆量应达到理论注浆量的2倍以上，注浆压力宜控制在0.3MPa。
S59：拆卸矩形顶管机，将顶管机分解为若干部件，装车运至下一施工现场，并充分做好维修及保养。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，任何依本发明申请专利范围所作的等效变化，应该仍归属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：始发井、接收井施工作业；
S2：依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域和刀盘的切削区域划分正常掘进区和扩挖区，并对扩挖区的岩层进行超前预掘进，打断岩层的整体型，降低岩层的坚硬程度，充分缓解岩层对矩形顶管机运行过程中的约束，包括如下步骤：
S21：依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域和刀盘的切削区域划分正常掘进区、扩挖区，并结合有限元模拟分析，对扩挖区的范围和位置进行修正；
对所述扩挖区的范围修正采用ABAQUS有限元模拟的建模方式分析，依据预留洞门尺寸、矩形顶管机的运行区域和刀盘的切削区域的分布情况，对矩形顶管扩挖区进行设计，将二维平面问题简化，明确扩挖区的孔位位置、孔洞大小、范围参数，进一步地分析地应力平衡、地表沉降，保证扩挖施工的科学性、可行性，主要步骤为创建 Geostatic 分析步、对模型施加重力荷载、提交计算，生成odb文件、在预应力场中重新读取odb应力场、重新提交计算，完成初始地应力的平衡；
扩挖区不同的处理方式都将影响修正的结果，所以扩挖区的分布情况视施工方法及时调整；
S22：依据地层、工作井尺寸、预掘进长度、周边干扰因素进行超前预掘进设备选型，按照设备性能以及操作需求确定自下向上的横向分层、纵向分块施工顺序；
S23：按照既定施工顺序采用微型圆形顶管法施工技术进行逐块扩挖区的超前预掘进；每块扩挖区的超前预掘进施工完成后，立即对超前预掘进施工成型通道或孔洞进行填充；
采用微型圆形顶管法的施工准备工作如下：
经上述S21中有限元模拟分析修正后，拟定扩挖区域为6部分，上、下部均匀分布4个直径0.5m的扩挖区，中部左右对称分布2个直径1m的扩挖区，最大沉降为11mm，满足沉降要求，且处理完成后矩形顶管机的断面切削率达到98%及以上，具备顺利贯通的条件；
所述微型圆形顶管法施工技术采用圆形顶管机，直径尺寸为300mm-1200mm，通道一次施工成型，根据修正后的扩挖区的分布情况，微型圆形顶管法施工具体步骤如下；
根据岩层的单轴抗压强度，选择圆形硬岩顶管机，土压平衡；
根据扩挖区的参数，选择直径0.5m、直径1m的圆形硬岩顶管机；
根据修正后扩挖区分布情况，分三阶段进行施工，顺序为由下至上，先进行扩挖区范围的洞门破除；
洞门破除完成后，施工操作面整理，在始发井进行微型圆形硬岩顶管机简易顶推系统的布置；通过起吊设备依次向井下吊入轨道、后靠背、主顶油缸、主顶泵站、硬岩顶管机，后组装完成；
根据扩挖区通道的直径选择相应的钢管节，钢管节的直径为0.5m、1m；
根据始发井的尺寸、圆形硬岩顶管机的尺寸确定钢管节的长度，为1.5m及以上；
上述施工准备工作完成后，利用微型圆形硬岩顶管机的切削出土、顶推及两者的结合进行顶进施工，视顶进过程中摩阻力的大小并辅以触变泥浆，直至出洞完成扩挖区通道的贯通，顶进过程中钢管顺序吊放；
在接收井处设置一台起吊设备，当超前预掘进贯通且能够满足通道或孔洞不坍塌的情况下，分别将微型圆形硬岩顶管机、钢管管节依次吊出，超前预掘进长度同矩形顶管顶进长度，以此完成各处扩挖区的超前预掘进施工；
S24：每层所包含的扩挖区全部施工完毕后，及时回填工作井至上一层的施工位置或高程；
S25：重复步骤S23-S24，直至全部扩挖区均完成超前预掘进施工作业；
S3：矩形顶管机始发施工作业；包括如下步骤：
S31：清除始发井内的回填料、破除洞口剩余桩和墙；
S32：喷锚封闭洞口暴露的掌子面；
S33：安装固定洞门钢环；
S34：安装始发基座；
S35：安装调试顶推系统；
S36：矩形顶管机组装调试；
S37：安装洞门密封及止水装置；
S38：顶推矩形顶管机至洞口；
S39：就位首节管节及顶铁装置；
S310：始发掘进；
S4：矩形顶管机正常掘进施工作业；
S5：矩形顶管机接收施工作业，包括如下步骤：
S51：清除接收井内的回填料、破除洞口剩余桩和墙；
S52：喷锚封闭洞口暴露的掌子面；
S53：安装固定洞门钢环；
S54：安装接收基座；
S55：到达掘进；
S56：矩形顶管机推上接收基座；
S57：洞门密封；
S58：置换触变泥浆；利用管节内预埋的1寸注浆孔向管外壁与地层间注入固结浆液置换管节外壁与地层间的触变泥浆；每个管节取4个及以上注浆孔按照自下向上的顺序进行注浆置换，相邻管节的注浆孔间隔选取；采用间隔管节注浆，往复循环直至全部管节完成注浆置换；注浆材料宜选用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆的水灰比采用1:1，水泥浆与水玻璃液的体积比采用1:0.8-1:1，水玻璃在使用前加水稀释到20-35波美度；注浆控制以注浆量为主、注浆压力为辅；注浆量应达到理论注浆量的2倍以上，注浆压力宜控制在0.3MPa；
S59：拆卸矩形顶管机，转场。
2.根据权利要求1所述的一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法，其特征在于：所述步骤S23中，填充的方式采用泵送设备输送填充物；填充物为经改良后的黏性土组合，由膨润土、黄土构成，同时，根据地下水位及岩层的渗水率情况掺加一定剂量的水泥固化材料；
改良后的黏性土组合配比为：60%黄土+20%膨润土+20%水泥，抗压强度为3Mpa，流动度为120mm~140mm之间，用水量为39%，满足要求，经济合理、节能。
3.根据权利要求1所述的一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法，其特征在于：所述步骤S21中，洞门尺寸需要预留出扩挖区预掘进的作业空间，为上下各2cm、左右各4cm，洞门钢环在扩挖作业完成后进行安装固定。
4.根据权利要求1所述的一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法，其特征在于：所述步骤S4中，通过顶推系统顶推矩形顶管机在设定区域内运行，在每运行一个主顶行程的前进量后，退回主顶油缸，并吊放就位新的管节，对称、按照8cm/h的速度匀速顶进；再次循环本过程，直至顶管机运行至接收井附近。
5.根据权利要求4所述的一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法，其特征在于：在矩形顶管机运行过程中，通过测量系统实时监测矩形顶管机的运行轨迹，利用纠偏方法及时对轨迹偏差进行矫正；在管节外壁和岩层之间注入触变泥浆减阻；通过注浆孔向掌子面或土仓内注入渣土改良剂，改良剂选用钠基膨润土泥浆。
6.根据权利要求5所述的一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法，其特征在于：所述纠偏方法，采用纠偏油缸法；利用布置于前后壳体之间的纠偏千斤顶组提供反力，执行向预定方向伸缸进行矫正。
7.根据权利要求5所述的一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法，其特征在于：所述纠偏方法，采用主顶油缸法；利用布置于始发井内的千斤顶组提供顶力，执行在顶铁与管节之间、后壳体与管节之间增加不均衡衬板调整顶力分布或调整千斤顶的布置位置、数量进行矫正。
8.根据权利要求5所述的一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法，其特征在于：所述纠偏方法，采用定向打土法；利用布置于壳体、管节内的注浆孔，通过打土泵向壳体与地层之间、管节与地层之间压入经改良的钙基膨润土浆，执行向轨迹偏差的反作用力方向打土进行矫正。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种用于长距离全断面岩石地层条件的矩形顶管施工方法，其特征在于：所述长距离全断面岩石地层条件指：顶进距离超过80m、顶进范围全部处于岩层、岩层的单轴抗压强度达到30Mpa及以上。
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