大粒径砂卵石地层人工顶管施工关键技术研究与应用
2020-02-22
（中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，四川温江 611130）
0.引言
本文以成都市新都区新繁镇南一支五斗等45段黑臭水体治理（二期）为实例，在工程实践中不断开展科技创新，通过在施工中反复研究、改进，最终形成了《大粒径砂卵石地层人工顶管施工关键技术》。人工顶管施工地表钻孔预固结施工技术是针对顶管施工过程遇大粒径砂卵石地层、软弱破碎带等，掌子面稳定性差，易塌方地段，提前在地表进行钻孔注浆加固的方法与技术，此预加固技术可做到最大限度地发挥了稳固地层的作用，可以解决松散地层塌方问题，在类似地层中使用该工艺，具有安全可靠、经济性好、操作性强、施工效率高等特点。同时加快了施工进度，确保了整体质量，节约了工程投资，取得了显著的经济效益和社会效益。
1.工程概况
1.1 工程简介
本工程为南一支五斗等45段重度黑臭水体综合治理（二期），在尾段24#—47#薛清路区域，顶管累计工程量783m。顶管施工井最大间距56m，埋深6.03m～6.96m，最小覆土3.24m，采用合格的顶管专用钢承口承插管，管径d800，Ⅲ级管。工作井及接收井采用逆作法做混凝土结构井，管道及工作井均位于砂卵石层上，基础承载力满足要求。
1.2 场地工程地质及水文地质
勘察揭示场地地表为第四系全新统填土层(Q4ml)、耕土层(Q4pd)，以下为第四系全新统冲积层(Q4al)，基底为白垩系上统灌口组（K2g）砂泥岩。自上而下分述如下：素填土、粉质黏土、粉土、砂卵石层。线路段内的地表水主要源于雨水和沟渠水，现场调查顶管施工线路右侧是南一支六斗沟渠，渠底宽3.0m，深约2.0m，全段为浆砌块石结构，目前处于过流运行状态，对顶管施工降水有一定影响。紧靠沟渠右侧为民印村居住区范围、名贵苗木种植园，左侧为密集房屋居住区。因场地环境受限，为了不影响交通，降水井布置在薛清路上靠沟渠侧，施工期间24h不间断降水，保证顶管施工安全问题。勘察时为地下水平水期，初见水位在砂、卵石层中及上部，实测地下水静止水位埋深为3.0m～3.5m，绝对标高在528.30m～528.80m。本区地下水位年变幅2.0m～3.0m左右。根据区域水文地质资料，该区丰水期为6～9月份，枯水期为1～3月，其余月份为平水期。含水层的渗透性，据我公司在新都地区施工和收集的供水、降水井抽水试验资料，含水层渗透系数（K）取20m/d～25m/d。
2.现状调查
在人工顶管施工过程中发现掌子面塌方情况严重，其中在24#—25#顶进至23m上部塌方高度1.5m～1.8m，纵向塌方部分近4.0m，26#—25#顶进至28m上部塌方1.2m～1.4m，纵向塌方部分将近3.0m。脱空分布范围在靠近降水井处最明显平均达1.2m以上，一般地质情况掌子面脱空仍然有0.6m左右，实际施工揭示该地段掌子面地层砂层厚且卵石粒径较大，最大粒径近0.6m(如图1所示)，自稳定性差，在人工掘进掏土过程中极容易引起塌方，严重塌方直接影响掌子面人工掏土工人安全以及自来水管道安全[1]。
图1 大粒径砂卵石地层
3.原因分析
（1）砂卵石粒径较大，级配不良，含砂量少，相互粘聚力减小，极不稳定，人工顶管施工使下部悬空，自然大面积塌落。
（2）临近现状沟渠，地下水丰富，大粒径砂卵石地层透水性强，施工阶段位于汛期，大大增加了施工难度。
（3）场地环境特殊，一侧紧靠沟渠，另一侧是大棚范围，降水作业靠近工作面，会携带大量的砂砾层，影响砂卵石地层级配，导致不稳定。
4.施工技术应用
4.1 原理
（1）“地表预固结加固”。在轴线掌子面地表钻孔进行固结灌浆加固地层，采用纵向间距为1m，固结灌浆孔沿顶管轴线两侧各0.3m梅花形布置，孔距纵向间距1.0m，深度为顶管段地面高程至管顶上高程0.2m处。
（2）因为砂卵石地层降水井施工容易造成砂层被抽出，导致降水井周围地层级配发生变化，造成地层不稳定，本工法在降水井周边预加固处理在周围布置5个注浆孔进行预固结灌浆，排距0.3m，孔距1.0m（如图2所示）[2-3]。
图2 降水井预固结孔位平面图
4.2 施工工艺
施工准备→测量放线→钻孔（掌子面固结钻孔、降水井固结钻孔）→注浆管安装→孔口封堵→注浆加固→人工顶管。
4.3 注意事项
4.3.1 钻孔机械及机具
灌浆钻孔主要采用阿特拉斯D7地质钻机。
4.3.2 钻孔孔位、孔向和深度
（1）钻孔大小φ90mm，孔位与规定位置的偏差不得大于10cm。
（2）钻孔深度。从地表钻孔至距顶管管顶0.2m，钻孔过程安排专人进行控制，防止破坏管道。
（3）钻孔顺序。灌浆孔的施工应按灌浆程序，分序进行。进行钻孔作业时，所有钻孔应统一编号，并注明各孔的施工次序。先钻I序孔，待灌浆6h后后再钻II序孔。
（4）钻机安装应平整稳固，钻孔方向应按要求确定，钻孔时必须保证孔向准确。
4.3.3 注浆管下设
成孔后进行孔口吹扫，测量孔深，满足要求后下设口径φ50mmPVC注浆管。
4.3.4 孔口封堵
PVC管下设完成后，及时进行孔口封堵，选用水泥浆进行密封，深度0.5m，填充密实。
4.3.5 注浆加固
（1）预固结采用控制性灌浆1:1开灌，灌浆采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，出厂时间不得超过3个月，用NB-1型泥浆比重计控制浆液浓度。
（2）外加剂。在灌浆过程中，遇用特殊情况，可在水泥浆液中掺入早强剂、速凝剂、减水剂、稳定剂等批准的其它外加剂，各种外加剂的质量符合DL/T5148和DL/T5100的规定。
（3）灌浆分序。灌浆应按分序加密的原则进行。每排孔分序进行施工，先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔。
（4）灌浆压力。压力0.1MPa，施工时注意观察压浆机上的压力表读数防止压力不稳定造成路面开裂或者抬高；当出现灌浆压力或者耗浆量突然增大时，应立即查明原因，及时采取相应的措施，并报告监理工程师。
（5）灌浆机具配置。灌浆泵、立式双桶储浆搅拌机等。
（6）灌浆管路连接。按灌浆孔段选定的灌浆方式进行纯压式灌浆管路连接。
（7）灌浆压力控制。压力表安装在灌浆泵和进浆管（循环式灌浆时安装在回浆管上）靠近孔口部位，灌浆压力以孔口回浆管上的表压力为准，读取中值。
（8）封孔。每个灌浆孔全孔灌浆结束后，及时报请监理人进行验收，验收合格的灌浆孔才能进行封孔。灌浆孔封孔应采用“全孔灌浆封孔法”。
5.效果分析
通过在顶管轴线上地表、降水井附近进行合理布孔，采用水泥浆液进行灌浆加固，有效改善了砂卵石之间的粘聚力，同时有效地改善了砂卵石层的渗透性，施工降排水过程携带的砂砾极少，地层塌方得到有效控制，通过现场检查掌子面最大脱空约0.08m（如表1所示），满足现场施工[4]。
表1 地表注浆加固效果检查表
6.结语
（1）成都地区具有典型的砂卵石地层，部分地区卵石粒径较大、砂层厚，在人工顶管施工前勘察工作很重要，必须全面了解作业面所处的地理环境、水文、地质条件，必要时施工前做试验段掌握施工参数，制定对策，对后期施工有重大意义。
（2）在成都市新都区新繁镇南一支五斗等45段黑臭水体治理（二期）尾段WB24-WB47井段783m顶管施工过程中，对于大粒径砂卵石地层的人工顶管施工，在采用“地面轴线注浆+降水井附近加固注浆”，通过地表预固结起到很好的加固稳定作用，大大减少了泥掌子面坍塌的可能性，不仅保证了人身安全，同时控制了地面沉降，节约成本，提高效率。
