上土下岩复合地层顶管施工技术对策与实践

2020-11-23陈军曹广勇崔立志周江周帅

安徽建筑 2020年11期

陈军，曹广勇，崔立志，周江，周帅

（1.中铁四局集团有限公司市政工程分公司，安徽合肥 230022；2.安徽建筑大学建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽合肥 230601)

1 引言

顶管施工在城市地下空间等发挥着越来越重要的作用[1]，国内外对该方法进行了大量研究，在某些方面甚至达到了世界领先水平[2]，如石敏魁[3]分析了市政污水管道施工中的曲线顶管施工技术；张玉生、周明艺等[4]介绍了直径达3.5m、顶进距离为1743 m的大口径长距离顶管施工关键技术；魏纲、林金盾[5]分析了厦门高崎北溪引水干渠迁改工程DN3000钢管顶管施工工程技术。但针对上土下岩复合地层顶管施工技术尚无类似经验和相关研究文献报道。

根据现场地质条件变化情况，研究并采取不同的施工技术对上土下岩复合地层进行支护，以达到防止土层坍塌、保证施工安全的目的，并提高施工效率，取得较好的经济与社会效益。

2 工程概况

本项研究依托于昆明滇池外海北部水体置换通道提升改造工程二标岩土复合断裂面暗挖顶管施工，管道直径2.5m，覆土5m～8m，顶进断面上部为泥炭质粘土和淤泥质粘土，厚度0.2m～0.8m；下部为白云岩、中风化灰岩，含水量较小。粘土层呈软塑—可塑状态；白云岩层，强风化，细砂状；灰岩层，中风化，较完整。该段地层空间分布变化大，力学性质差异大。因此，针对不同的地质条件采取如下相应的施工技术。

图1 施工总平面

3 顶管超前管棚支护技术

对于掘进断面上部土层在α角小于120°的情况，采取超前管棚支护技术。通过对掌子面上方沿一定的间隔和角度打入小导管，具体如图2所示。上半部弱黏土层α小于120°范围内。

图2 超前管棚施工图

3.1 超前管棚法支护及施工方法

超前管棚法主要采用小导管，间距控制在150mm，小导管采用Φ42mm×4mm热轧无缝钢管加工而成，每根长度为3m，前端加工成锥形（如图3所示）。

当每次钢管顶进至距离掌子面300mm～400mm时停止顶进，将已加工完成的小导管以3°～5°的外插角用风钻打入黏土层，环向间距为150mm，每次打入深度不小于3m，严禁小导管向下倾斜。在超前管棚施工完成后进行掌子面掘进，每次掘进长度为1.2m～1.5m，以保证小导管入土深度最少为1.5m，这样才能利用钢管的抗弯刚度防止拱顶上部土层坍塌，从而确保施工进度和施工人员人身安全。

图3 岩土复合断面超前小导管

3.2 特殊地质条件下超前管棚支护技术

图4 注浆小导管大样图

在岩土复合断面复杂地质条件下，顶管施工过程中，当遇到拱顶上部为岩溶泥流地段、砂土地段、自稳性较差的软弱破碎地层、断裂破碎带以及大面积淋水地段进行顶管施工时，在这种复杂地质条件下，必须对地层进行超前预加固，超前支护，采取超前管棚注浆施工。注浆采用Φ42mm×4mm热轧无缝钢管，如图4所示。每根长度为4m，布置在拱顶180°范围内，管棚环向间距为20cm，外插角为3°～5°，小导管上设梅花形注浆孔，孔径为10mm，孔间距为30cm，尾部1m范围内不设主浆孔作为止浆段，前段加工成锥形。

①注浆浆液采用水泥—水玻璃双液注浆，水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃采用Ⅱ型水玻璃，水泥浆液水灰比为 1:1；注浆压力为 0.5MPa～1.2MPa。

②注浆前先检查管路和机械状况，确认正常后进行注浆试验，从而确定合理的注浆参数。

③在注浆过程中注浆压力达到1MPa，并持续稳定5min以上，可停止注浆，并及时封堵注浆口。

④当单液注水泥浆压力持续升高，可能发生堵管，应立即停止注浆进行检查，双液注水泥与水玻璃如压力持续升高，则应停止注水玻璃，进行注清水，待泵正常运行时，再进行双液注浆。

4 地面超前注浆对拱顶软弱土体的支护技术

在顶管施工中拱顶上部为软弱土层，在施工中会引起各种工程事故。双液注浆能够在短时间内起到加固和强化作用，这样在顶管施工掌子面掘进过程中不会出现大量土体坍塌现象，有利于降低施工难度和安全风险。因此，针对拱顶上部为软弱土层采用支护技术如下：

①双液注浆采用的水泥和水玻璃作为灌浆材料，水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃采用Ⅱ型水玻璃，水灰比0.8:1～2:1，水泥浆与水玻璃比例为0.5～1:1，搅拌时间不得少于3min。

②水泥—水玻璃双液注浆采用SYB50/50—1注浆泵。

③注浆孔沿轴线方向共布置5列，孔间距1m，列间距1m，呈梅花形布置，如图5所示。

图5 双液注浆注浆孔布置图

④在钻孔完成后，应立即安装注浆管，注浆管应露出地面20cm～40cm，开始注浆时发动注浆泵，检查注浆管，从孔口注入水泥—水玻璃浆液，注入孔底扩散填充到被加固的土体，并将压力控制在 0.1MPa～0.2MPa。

⑤为了得到良好的注浆效果，在注浆时应根据现场实际情况分段进行注浆，每段注浆先注中间一列孔，再注两侧两列孔，两侧孔可钻注交替推进，待孔口管固定后再向下注浆，注浆结束后，7天后才能进行顶管施工，以保证水泥浆有足够的凝固时间。

5 拱顶软弱土体简易格栅拱架支护技术

在岩土复合断面复杂地质条件下，顶管施工过程中，在人工掘进或者爆破掘进施工时，容易造成拱顶上部软弱、松散土层易坍塌，对安全造成威胁。因此，针对进出洞口或上部软弱土层α大于120°的地质条件，顶管施工时采取格栅拱架支护拱顶软弱土层技术，如图6、7所示。

图6 岩土断面图

图7 洞口格栅拱架支护施工图

5.1 简易格栅拱架对软弱土体支护施工

①超前小导管采用Φ42mm×4mm热轧无缝钢管加工而成，每根长度为3m，前端加工成锥形。将已加工完成的小导管以3°～5°的外插角用风钻打入土层，环向间距为20cm，每次打入深度为3m，在施打过程中严禁小导管向下倾斜，在超前管棚施工完成后进行掌子面掘进，每次掘进不得超过1.5m，每掘进0.5m应及时安装格栅拱架，以确定小导管入土深度最少为1.5m。

②小导管施工完成后进行岩土破除，每掘进0.5m时，应及时安装格栅拱架，掘进1.5m后立即进行喷锚支护、钢管顶进施工，爆破施工每次爆破进尺不应超过1m。

③锚杆支护采用Φ25带排气装置的中空注浆锚杆。初喷混凝土后进行锚杆施工，锚杆插入长度不得小于设计长度的95%，锚杆安装后不得随意敲动。

④将注浆塞通过锚杆打入孔口30cm左右，连接锚杆、注浆管、注浆泵，注浆，直至压力到达浆液从孔口周围溢出后，注浆完成，卸下注浆管和锚杆接头，转入下一孔注浆。注浆浆液水灰比为0.5:1。

5.2 格栅拱架施工及安装

开挖断面上部土层采用格栅拱架加固，拱架断面尺寸为150mm×150mm，拱架主筋采用直径22螺纹钢筋，每节拱架之间采用M20螺栓连接，具体制作、拼装图见图8、9、10。安装技术如下：

图8 拱架型钢连接图

图9 格栅拱架断面图

图10 格栅拱架、锚杆纵断面图

图11 简易格栅拱架施工

①格栅拱架事先预制加工，现场拼装安装设置，拱架之间用φ22纵向连接钢筋焊接牢固；

②在施工时，除使用纵向连接钢筋将各榀格栅拱架连成一体外，同时将拱脚焊在锁脚锚杆上，架立格栅拱架时，要使其与混凝土喷面密贴，形成承载结构，在拱脚底部增加12mm厚连接板（钢板尺寸：200mm×200mm），与钢架焊接成型，以增大其支撑能力，控制拱架下沉量；

③格栅拱架应与喷射混凝土形成一体，钢架与围岩间的间隙必须用喷射混凝土充填密实；钢架应全部被喷射混凝土覆盖,喷射混凝土保护层厚度不小于40mm。施工现场如图11所示。

5.3 顶管施工

①在简易格栅拱架支护施工完成后应及时进行钢管顶进，每次顶进距离掌子面30cm～40cm时停止顶进，便于小导管后续施工。

②在开挖掘进过程中应先对上部土层进行开挖，上部土层开挖断面完成后，进行格栅拱架安装喷锚支护施工，待支护完后，对下部岩石层进行破除。

6 拱顶软弱土体工具管支护技术

当遇到顶管上部环境或土层可能不满足注浆的条件时，则无法对顶管断面上部土层进行改良，人工掘进顶管施工困难。对这种地质条件，在岩土复合断面顶管施工过程中，采用顶管工具管支护技术，防止在管道顶进过程中掘进面上部的软弱土层坍塌。

工具管具有制作方便、操作简单、可拆卸，减少浪费、降低材料成本，并提高工作效率和顶管施工质量的优点，同时前端防护檐板可拆卸，当地质情况发生变化，如软弱土层消失时，可拆除前端防护檐板，按正常人工掘进顶管工艺施工，以提高施工效率。

6.1 岩土复合断面顶管工具管结构

工具管结构如图12所示，包括管体1以及位于该管体前端的防护檐板2，该防护檐板采用钢板或与顶进管道同规格钢管制作后同法兰连接。所述防护檐板2与管体1同轴设置，其中心角≥135°，增大防护檐板的支承能力，使得工具管在顶管施工时，其上部土层不会发生坍塌。防护檐板2的长度根据主管1的直径设计，本实施例中防护檐板的轴向长度等于主管直径的二分之一，承重较为稳定。

所述管体1的前端端口处还设置有连接加固法兰板3，进一步提高工具管的结构稳定性。