强风化岩层中手掘式顶管施工技术的应用实践

管源

【摘要】手掘式顶管施工作为非开挖管道施工工艺中较为常见的技术，在国内已得到广泛的应用，当其运用到强风化岩石地质中时，同样具有一定的优势。本文以施工案例为基础，结合现场实际，通过方案的比选、现场具体情况的分析，对岩层手掘式顶管的优势所在、施工关键技术等方面做了简单的归纳和总结。

【关键词】手掘式顶管；施工技术；岩质变化

1. 工程概况及工程地质条件

本顶管工程地处湖北省松滋市长江临港工业园区，是工业园的污水干管，起点在工业园通港大道K1+439处，终点止于长江岸边，通过排放口排入长江。干管全长3685米，其中顶管施工段517米。地质勘查结果表明，施工范围内的地基土按成因类型、沉积年代可分为人工堆积土、第四系中更统冲洪物及白垩系沉积岩。

按底层岩性及物理学指标与特性具体分布如下：

①层 杂填土 人工堆积土，杂色，湿，松散，主要成分以建筑垃圾、粉质粘土为主，全场分布，厚0.6 m～4.80 m；②层 粉质粘土 第四系上（晚）更新统冲击物。黄褐色，可塑状，无异味，干强度中等、韧性中等。厚度较均匀，平均厚度3.23 m；③-1 强风化砂岩 白垩纪沉积岩（K2），棕红色，岩芯成块状，易碎，强风化，干钻不易钻进，岩石质量差。平均厚度2.79 m；③-2中风化砂岩与泥岩互层 白垩系沉积岩（K2），棕红色，其中泥岩为主，岩芯较完整，成柱状，易碎，结构部分破坏，风化裂隙弱发育，泥、钙质胶结，中等风化，岩石质量较差，全场分布，本次勘察为揭穿此层，最大揭露厚度为8.2 m。④勘察范围内未测得地下水。

在实际施工后发现管道所在区域，除以棕红色强风化砂岩为主外，还有不少区域是中风化岩石，其坚硬程度远大于勘察数据表明的结果，给实际施工增加了难度。

2. 施工方案比选

由于现场地貌为山区丘岭地带，地面高程起伏大，整条污水干管纵坡向下，导致W56#——排放口段的管道埋深多大于10 m，最深处W59#工作井，达到16 m。通过方案比较，可发现若采取基坑大开挖方案，不仅受到场地限制，施工工序也较繁琐，完工后原状恢复等工作量大，成本投入高，本工程采用手掘式顶管施工优势明显。

3. 手掘式顶管施工关键技术

本工程顶管总长517 m，最大作业区间为130 m，共有3座工作井，2座接收井，1座入江排放口。总体工期安排下，顶管作业又主要处在强、中风化岩层中，顶进生产能力受到一定制约，施工的任务重、难度大、工作强度高。

3.1 工作井、接收井施工

以W56#——W57#段为例，顶管由W56#顶进，W57#接收，顶进长度85 m。井内通电用于基坑内施工降排水作业。W56#工作井深9 m，井身采用的是分级开挖钢筋混凝土逆作法护壁施工方法，分为高4m、直径7.2m和高5m、直径6.4m上下两个节段施工，井壁及封底厚度均为40 cm，采用C25商品混凝土现浇；W57#为接收井，四周临近靠近民居及一条村道，为减少施工占用土地，采用的是预制砼井沉井施工方法。

3.2 掘土及外运

根据土质勘察结果，强风化砂岩层质量差、易碎，使用W2.85/5型空气压缩机配备特钢六角风镐钎的风镐枪，进行破岩掘进。管道内水平运输采用手推斗车，垂直运输采用导轨式行车吊架，将掘出的岩土外运。

顶管顶力计算

顶管管节埋设深度的范围土质稳定，管前挖土有成拱效应，遂采取先挖后顶的施工方法。

顶管顶力的经验计算公式：P=n×P0

其中：P——总顶力；

n——土质系数，土质为粉质粘土及粘土夹砾石n取值：1.5～2.0；

P0——为管道自重

管材使用的是D1200，Ⅲ级F型混凝土管，每节管长2.5m，自重3.3t，共需顶进34节。

34节管道自重 P0=34×3.3=112.2 t

总顶力 P=2.0×112.2=224.4 t

综合考虑地下顶管的诸多不可预测因素，顶管设备采取1.5倍左右的储备能力，顶进设备顶力应为336.6 t，取设备总顶力F=336.6 t，选用2台200 t顶进油缸作为顶进动力设备。

3.3 顶进方向控制

在顶进过程中，使用BOIF/DJJ2-2 激光经纬仪（2秒级）进行方向控制，当激光经纬仪提供的直线光束射进管道中时，在管道前方接收靶上可以直接读出管道的空间位移偏量。允许偏差为：轴线位置3 mm，高程3 mm，超过允许偏差时应采用挖土纠偏法、千斤顶校正法等。

3.4 纠偏措施

管头进入土层过程中，每顶0.3 m进行一次方向控制测量；管道进入土层后正常顶进时，每1.0 m测量一次。一旦管道发生偏离，即采取纠偏措施，纠偏时增加测量次数。偏差在10～20mm，采用挖土纠偏法，即在偏向的反侧适当超挖，在偏向侧不超挖并留坎，形成阻力，再对管道施加顶力，使偏差回归。若偏差大于20 mm时，此时若超挖纠偏不起作用时，采用千斤顶纠偏法，用小型千斤顶顶在管端偏向的反侧内管壁上，另一端斜撑在有垫板的管前土壁上，支顶牢固后，即可施加顶力，边顶边支，直至偏差回归。

4. 岩质变化采取的措施

在第1节中提到，本工程实际施工中发现管道顶进存在较大段中风化岩，原先所采用的风镐枪根本无法顶靠在岩石上，掘进时枪头在岩面上时不断跑偏，无法持续作用于一点，掘进工作一度进入停滞状态。根据实际状况，拟出以下三个方案：

方案一 采用静态膨胀炸药，在岩面上打孔后，填塞入定量静态膨胀炸药，通过炸药的膨胀作用破坏周围岩体完整性，但在实际操作中发现岩层整体性不高，与泥层互相夹杂，膨胀破坏作用不明显，且膨胀作用需要一个反应过程，效率上有所下降。

方案二 采用切割机，先使用切割机具将管道前方岩体切割成豆腐块状，再使用风镐枪沿切割缝凿进破除岩体，然而由于切割机具体积大，D1200管道内部空间有限，掘进人员不能同时在岩面前作业，每次切割机具切割后需退出管道内部后，掘进人员方能进入操作，施工效率低下，不能满足进度要求。

方案三 采用岩石分裂机，首先岩面上进行打孔作业，孔间距布置为20 cm，孔深20 cm。打孔完成后再使用分裂机，插入预先打好的孔洞，由分裂机产生胀裂作用，破坏岩体完整性，此法每孔作用时间短，效率较高。待岩体完整性遭到破坏后，再使用风镐枪进行破除、掘进作业。

最终确定以方案三为主要掘进方案，局部段落以方案二为辅助措施。

5. 結语

通过本工程的施工实例，对手掘式顶管在强风化、中风化岩层中的施工工艺得到了一定了解。由于单一工程的局限性，注浆减摩、长距离顶管设置中继间等施工技术措施以及在不同土质中所采取的顶进机械设备和处理办法，并未在本工程中得到充分运用，还需在今后的工程实践中进一步学习，积累更多的经验。