岩石顶管机设备选型与设计

　　本案例工程一次性距离长，存在溶洞、断层、软硬不均、富水、大量浅埋层等不良地质，并结合进度、安全要求，进行详细的分析论证，确定选用泥水平衡式顶管施工方案。为确保安全顺利通过，对设备提出如下设计要求：

　　1、顶管设备应能满足一次性顶进2km的能力，整机应性能可靠、稳定，并确保其成洞质量满足设计要求。

　　2、满足切削较大饱和抗压强度为90MPa岩石的能力。

　　3、泥浆性能应能满足长距离顶进施工要求。

　　4、方向调整与纠偏能力及导向系统的精度和设备的可操控性应能保证高精度贯通。

　　岩石地层顶管施工润滑减阻问题

　　常规顶管施工中，管节外壁摩阻力远大于正面阻力，摩阻力与顶进长度成正比关系，适量注入触变泥浆，变固体间的滑动摩擦为固液间的滑动摩擦，将极大地减小阻力，所以顶进施工中，适量使用触变泥浆是减小顶进阻力的重要措施。

　　由于岩石的自稳能力强，隧洞与管节外壁之间的间隙一直存在并形成前后连通的通道，受地下水及其流动性的影响，无法有效形成泥浆套，且大量膨润土流入刀盘被循环泥浆带走。

　　顶进过程中，掌子面破岩形成的石渣会通过超挖间隙向后流动进入管节外壁与洞壁间隙，使管节上浮，严重时会使管节与拱顶岩面直接接触。石渣与膨润土混合较长时间后，底部石渣与触变泥浆的混合物长期受到管道重量挤压、水分流失后会形成泥饼，从而使摩阻力急剧增大。

　　围岩破碎的洞段，触变泥浆会渗入到岩石裂隙，在其润滑性的作用下，加大围岩失稳风险。

　　富水段和裂隙发育地层中，触变泥浆漏失严重，无法提供有效润滑。

　　施工中，触变泥浆配比需要结合顶管机的顶进参数和围岩情况，在试验分析基础上结合实践合理调整。

　　触变泥浆技术措施

　　1. 确定触变泥浆配比

　　触变泥浆的成分为膨润土、CMC(粉末化学浆糊)、纯碱和水，不同地质需要对应的配合比，终于通过试验确定。

　　2. 控制出渣泥水压力和触变泥浆压力

　　在完整围岩中顶进时，在确保正常循环的前提下尽量降低出渣系统掌子面的泥水压力，采用常压模式，泥水仓水位保持在半仓左右，以减少开挖石渣回流进入管壁与洞壁间隙的几率。同时，适当降低触变泥浆的注入压力，减少其进入刀盘而流失的几率。

　　3. 监控摩阻力指导顶进施工

　　通过监测主顶和中继间顶力变化，分析不同段落的摩阻系数：宜控制摩阻力不大于3kN/m2;摩阻力大于5kN/m2时应引起警觉;摩阻力超过8kN/m2时，必须采取如清理沉渣等处理措施降低摩阻力。

　　4. 控制触变泥浆粘度

　　正常洞段触变泥浆的马氏粘度约为90s;围岩破碎洞段触变泥浆的马氏粘度不低于120s，以减少漏失量;必要时添加高分子材料，进一步增加粘度，提升保水率，减少漏失量。

　　5. 保持触变泥浆润滑效果

　　围岩较好的富水段，根据实践，触变泥浆流失量大，被稀释后几乎失去应有的润滑效果，可以选择性停止注浆或者单纯注入高分子材料。

　　结语

　　长距离岩石顶管隧道施工技术在我国水利工程领域的应用会越来越广，同时工程条件对顶管机设计技术与施工技术的要求会越来越高。在如何有效应对断层破碎带、高压富水、围岩收敛与掉块、触变泥浆长期稳定性以及提出适应岩石顶管施工的指导理论等问题上，仍需结合后续工程继续系统研究、不断积累经验。只有真正解决了长距离岩石顶管工程在设计和施工过程中遇到的难题，才能持续推动岩石顶管技术的发展，从而为我国的基础设施建设做出更大贡献。