在硬岩中突破技术极限——硬岩小直径顶管法的最新应用

小编语

近年来，随着城市地下基础设施项目数量激增，各大城市对于施工环境保护的要求也越来越高，也催生了不少高效率、 低扰动的非开挖地下空间施工工法。

小直径泥水顶管法过去较多应用于城市排水和输水隧道建设中，如今在地下电缆、 城市污水管网等基础设施的建设中也愈发活跃，其应用范围还将在未来不断扩大。

本期，小编就为大家带来来自海瑞克的三位专家（Gabriel Lehmann、Marcus Lübbers 、Andrea Fluck）对于泥水顶管在 硬岩地层中应用的相关见解！

硬岩顶管技术的发展

如今，新建地下基础设施工程的面临的地质环境愈发复杂，很多项目都需要同时面对密集城区、浅覆土、复合地层、高强度硬岩等不利条件。

得益于先进掘进装备的性能、切削刀具设计、掘进辅助设备的应用以及数字化管理工具等方面的创新，过去一般应用于城市管道施工的小直径泥水顶管在过去的一段时间内经历了较大的发展，目前先进的小直径泥水顶管设备已经克服了诸多施工环境的限制。

Hūnua4输水隧道2号管道（新西兰）

使用 AVN2500 顶管设备

在强度135MPa的玄武岩中掘进了1296m

目前，新型的硬岩顶管设备在直径、施工长度和覆土深度方面已经具备较大的灵活性，为城市的小直径管道建设提供了一种新的高效解决方案。

另辟蹊径

北美地区有很多硬岩环境下的地下基础设施，为进一步提高硬岩隧道施工效率，不少企业开始研发一些与传统技术截然不同的全新非开挖技术：（点击图片了解详细信息）

■ 非接触式热能碎岩掘进技术( Petra公司）

■ 基于高超音速弹丸撞击的硬岩掘进技术(HyperSciences公司）

■ 等离子体焰炬硬岩掘进技术（Earthgrid公司）

硬岩顶管施工的技术发展

目前，硬岩小直径顶管工法中应用了不少新技术，帮助更多复杂环境下的硬岩隧道施工取得更高的效率：

■ 碳化钨刀具

对于硬岩中掘削的顶管机来说，常见的刀具依旧是滚刀。在无法进行频繁换刀的长距离顶进中，施工方可以考虑使用碳化钨刀具，这种材质的耐磨耗性能极佳，可以有效延长刀具在硬岩中的使用寿命。

技术应用案例：

香港污水处理隧道项目

左侧：搭载锥形碳化钨刀具的刀盘

右侧：位于香港的施工工地

香港污水处理隧道项目中包含一段107m、直径960mm的连接管道，整条管道直接穿过花岗岩层，UCS高达200MPa。有鉴于此，施工方使用了碳化钨材质的刀具，最终耗费60天顺利完成顶进。

■ 超前钻探系统

即使在硬岩地层中，对开挖面前方进行准确的地层勘探也是极为重要的。超前钻探系统在大直径TB M上已经得到了广泛的应用，而随着技术的进步，这种设备也逐渐小型化并安装在小直径顶管设备上（ ≥1,800mm ），其运作原理相同，大大提升了小直径顶管设备在复杂地层中的施工安全和效率。

技术应用案例：

Los Pelambres海水淡化隧道（智利）

Los Pelambres海水淡化隧道包含进水隧道与排水隧道，分别长345m与543m，施工采用了直径2500mm的小直径顶管，在 UCS值高达250MPa的岩层中利用超前钻探发现了开挖面前方的断层区，并进行了预注浆，确保了顶进的顺利进行。

■ 防滚系统

防滚系统是硬岩顶管机的重要部件，小直径顶管需要良好的润滑，以尽量减少与周围岩石之间的摩擦，但也导致了顶管机出现滚动的可能，在高推力、高转速和高扭矩时尤为明显。目前，小直径硬岩顶管机的防滚系统的常见设计包括夹具撑靴与内置防滚装置等。

夹具（gripper）和反滚装置

目前，已经有几个硬岩隧道项目中的顶管机使用了内置的防滚系统，其具体的施工效果尚待验证。

数字化带来的优势

自动化、数字化、智能化技术的发展对硬岩顶管技术的进步起到了关键作用。通过大量的传感器，对设备的装备进行实时跟踪与分析。

■ 智能化膨润土体积控制系统

控制表面摩擦力是顶管顶进时的重要任务，因此膨润土的使用对顶管工程的成败至关重要，但过去，膨润土注浆效果受施工人员的影响较大；如今，智能化的膨润土控制系统改变了这一现状，该系统可以精准地控制膨润土体积，有效防止了人工操作导致的问题。

技术应用案例：

顶管在法国非常坚固的岩层中的实现突破

法国Landivisiau天然气管线隧道项目中包含了一段530m长的浅覆土隧道，隧道下穿巴黎-布列斯特铁路，岩石强度高达185MPa，沿线还存在17%的坡度和高达4bar的水压。施工方使用了一套自动化的膨润土体积控制系统，成功控制了顶管和周围岩石之间摩擦，提升了顶进速度。

■ 远程控制和分析系统

通过大量的传感器和互联网，任何一台顶管设备的运行状态都可以被实时传送到世界各地，来自世界各地的专家和设备生产商都可以给予建议，随时参与到工地现场的决策中。

结语

技术的快速进步，使得隧道非开挖施工变得 更安全，更高效。海瑞克的几位专家提出，目前在建的工程中所应用的装备的顶进性能数据依旧是未来进一步创新的 基础，相信在未来，顶管机的应用范围与性能还将有进一步的提升。