红砂岩地质顶管快速施工技术的研究

罗涛 李金泽 王明 张国华 陈小鹏

中建五局土木工程有限公司 湖南 长沙 410004

前言：顶管施工具有可穿越障碍物、施工速度较快和安全性较高等优点。广泛用于市政管线工程，各项工艺都比较成熟，但在红砂岩地质情况下，由于红砂岩的物理力学性质较为特殊，风化程度较低的红砂岩强度较高，但遇水易软化崩解，开挖及暴露与空气中，将会进一步风化，强度大幅降低。在此种地质情况下，工期压力又比较大，所以顶管的快速施工技术将为如期履约奠定基础。

1、顶管的工艺概述

顶管施工是一种非开挖管道埋设施工方法，顶管施工就是在工作井内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，在管道前方利用工具或刀盘切削土体，并将土体运出，将管道按设计的坡度顶入土中。一节管顶进完成之后，再下第二节管继续顶进。

2、工程概况

赣州市上犹江引水工程一期暨龙华水厂工程及配套龙华江拦河坝工程EPC工程总承包项目位于赣州市南康区，工程包括龙华水厂工程、龙华江拦河坝工程、原水管道工程、清水管道工程等几部分，建成后将为赣州市新能源汽车城和高铁新区等地区供水。本工程原水管道工程原水管道采用顶管方式穿越赣丰线、龙华乡市政路，管径2×DN1400，管道材料为钢管（规格1.4m×16mm），全长475m。采用泥水平衡机械掘进式顶进法。在顶管施工过程中，由于岩石未进一步软化风化，强度较高，顶进过程中阻力较大，对机头要求较高，且施工速度较慢。

3、快速施工技术研究

3.1、双向顶进施工

双向顶进施工，是指在管道根据设计要求须在某处进行较大角度转向或较长距离的顶管施工过程中，将顶管的工作井设置在转角处或较长距离顶进的中间部位，将同一个井做为两段顶管的工作井，从两个方向顶进，以此来减小工作井的施工和场地布置以及机械的吊装调试等时间。

在本工程中，原水管道顶管施工需穿越赣丰线与龙华乡市政道路，在转角处设置一座φ11圆形的工作井，以两个方向顶进，两端依据场地和土质要求，设置相应的工作坑或工作井，减少了一处工作井，减少了顶管施工的所需时间。

3.2 工作井的快速施工

顶管的工作井作为顶管施工的起始部分，一般采用钢筋混凝土沉井作为顶管的工作井，由于沉井的施工工艺要求，较为高大的沉井需多次浇筑、多次下沉，且需在井体混凝土达到一定的强度后方可进行下沉，整体的施工流程较长，所需时间较久，不能满足工期要求，采用逆作法倒挂井施工便可解决此问题。

倒挂井的原理类似于逆作法人工挖孔桩，利用钢筋混凝土与井壁的摩擦力来克服井壁的自重，竖向分节施工，分节的高度应根据土质，井壁的厚度等进行计算后方可确定，开挖一节完成后即进行井壁的施工，以此循环施工，直至达到设计标高。

本工程采用φ11m圆形倒挂井作为顶管的工作井，倒挂井采用钢筋混凝土结构，井壁厚度为0.6m、0.7m、0.85m，随深度的加深可进行适当的加固，底板厚度为0.6m，每模的开挖深度经计算后取1.5m,每模的井壁结构为直角梯形结构。

本工程使用倒挂井做为顶管的工作井，施工周期较短，大约提前一个月完成了顶管的工作井施工。

3.3 单节管节长度的影响

在顶管施工过程中，当一节管道顶进完成后，便需要吊装连接下一根管，以钢管为例，钢管连接采用焊接，焊接所需时间一般为三小时左右，焊接完成后还需等待焊缝冷却至室温后进行焊缝检测，待检测合格后进行才可进行顶进施工，整个管节的拼装过程所需时间较长。

依据规范要求，工作井的最小长度与单根管节的长度有关，即L≥l2+l3+l4+k，式中：l2为下节管节的长度，l3为千斤顶的长度，l4为留在井内的管道最小长度，k为后座和顶铁的厚度及安装的富余量。可在规范和设计允许的条件下，增大单根管节的长度，或通过适当增加工作井的长度，从而增加单根管节的长度，尤其在长距离顶管施工过程，增加单根管节的长度，可减小管道拼装的时间，从而缩短工期。

3.4 出土系统优化

顶管施工中，顶进的速度往往和出土的速度成正比，以泥水平衡为例，在不考虑其他因素的条件下，泥浆的出土速度往往决定了顶进的速度，若顶进的速率太快，泥浆不能快速排出，造成堵管，影响施工。所以，优化出土系统，可加快顶管的施工速度，例如适当增大泥水平衡中出泥浆管的直径或增大吸泥泵的功率，采用搅拌型泥浆池，使用罐车外运泥浆，而不是等待泥浆沉淀后再清运，可减少沉淀晒干运输的时间，从而加快顶进的速度。

3.5 注浆减阻

顶管过程中最大的阻力便是管道与周围土体的的摩擦力，为了减小顶进过程中的摩擦力，并防止塌方，顶管过程中，应在管壁与土壁的缝隙间注入触变泥浆，形成泥浆护套，减少管壁与土壁之间的摩擦力，从而增大顶进的速度，触变泥浆的主要成份是膨润土、掺入碱和水配制而成（触变泥浆配合比为：水：膨润土=8:1）在地面上的泥浆池内搅拌。触变泥浆性能要稳定，施工期间要求泥浆不失水、不沉淀、不固结，既要有良好的流动性，又要有一定的稠度，为了施工使用时保持流动性，还必须掺入缓凝剂和塑化剂，后续拌制过程严格按照操作规程进行，确保泥浆拌制均匀，充分水化。

在长距离顶管过程中，必须使用膨润土泥浆减阻，但在较短距离的顶管施工过程中，经计算可能不需要注浆减阻便可顶进完成，但在实际施工中，进行泥浆减阻后使得摩擦力减小，顶进速度加快，所以在短距离顶管施工过程中，若工期压力较大，也可增加注浆减阻来减少施工所需时间，从而达到按期履约的目的。

4、结语

通过与工程实例结合研究可得，使用双向顶进技术，使用倒挂井做为顶管的工作井，在符合规范及设计要求的情况下，增加单节管节的长度，优化顶管的出土系统及进行注浆减阻等措施，均可减少顶管施工所需时间。

在红砂岩地质情况下，可通过上述等方法加快顶管施工所需时间，从而保证工程履约，为后续的同类型工程提供参考。