中风化岩地质顶管施工技术＊

2021-02-12李兴帅

城市建筑空间 2021年12期

李兴帅

（中铁二十二局集团第五工程有限公司，重庆 400711）

0 引言

近年来关于非开挖管道敷设技术的研究，国内学者取得大量成果，成功解决其修建过程中面临的难题，标志着我国非开挖管道建设水平取得长足发展和巨大进步[1]。相较传统明挖埋管施工，顶管施工彻底解决了管道埋设施工中对城市建筑物破坏和道路交通堵塞等难题，具有经济、高效、保护环境等综合功能。该技术的优点是不开挖地面、不破坏地面建筑物和环境，省时、高效、安全且综合造价低。

顶管施工常采用泥水平衡顶管机切削土体、千斤顶顶进管道敷设方式，但对于中风化岩层地段，特别是短距离顶管施工，泥水平衡顶管机一次性投入太大不经济，且无法切削岩层较硬的岩体，在此背景下，可结合当前人工挖孔桩常用的取芯截断法对顶管施工方法进行改进。

1 工程概况

贵州茅台酒股份有限公司茅台酒“十二五”扩建技改工程横一路一期WW68—WW72段顶管位于贵州省仁怀市茅台镇境内，为横一路一期道路左侧尾水排放至盐津河的一条地下暗挖埋管，由于本段范围内不具备开挖条件，设计采用1 500mm（内径）的C50高强钢筋混凝土顶管，管道埋深11～62m，总长196.34m，纵向坡度为0.2%。由于本顶管线路区无地勘单位的详细地质断面图，其内部地质情况不详。根据现场实地调查情况判断，本顶管工程进口端有少量的强风化岩，中间及出口端大部分为中风化岩，岩层整体及稳定性相对较好。下穿既有公路段为路基施工回填区，地质岩层稳定性相对较差，施工过程中需根据实际情况采取加强支护措施。顶管工程线路区内的主要地表水为紧靠线路区的赤水河、盐津河及线路区冲沟内的季节性水。地下水主要为第四系松散层孔隙水、基岩风化带网状裂隙水两大类。场地所处环境类别为Ⅱ类区，场地地表水、地下水水质对混凝土、混凝土中的钢筋及钢结构具有微腐蚀性。进口端顶管底标高与赤水河目前水位相差约3.0m，出口端顶管底标高与盐津河目前水位相差约1.2m。

2 施工工艺原理

鉴于进出口段均为中风化岩层且土石较稳定的特点，拟从出口向进口采用水磨钻进行“取芯截断法”开挖，即以管外底为切点，用水钻钻1个2 000mm的洞体。水钻直径130mm，单孔钻深度为700mm，用水钻沿圆边线取芯形成2 000mm的圆柱，再用40mm的小水钻将石圆柱纵横间隔400mm钻些小孔径，然后用石楔将石圆柱分为若干小石块，再用小车运至工作井外，以此实现管道开挖。

3 施工技术

3.1 工作井施工

根据顶管管节管径为1.80m，长2.0m，千斤顶和垫铁总长度2.2m，后座平台0.2m左右等组合需要，再结合规范要求确定工作井最小内空尺寸为4.0m×4.5m×9.0m（深）。工作井采用现浇钢筋混凝土桩板结构，逆作法人工挖孔施工。

3.2 顶管施工

从现场实际地质调查情况来看，顶管进出口端断面均为岩层，其中进口端平均埋深约9m，土石结构较稳定，拟采用敞开手掘式工具管从WW68工作井处顶管。对机头前岩石拟采用水钻辅以风镐破碎人工凿石的方法施工，然后人工装土石到小车上，用小车运石渣至工作井内，再用垂直运输设备运至井口。但也不排除有顶管会穿越土层，因此顶管过程中要根据不同地质情况采取如下施工方法[2]。

3.2.1 顶管开挖方式选择

1）边掘进边顶管遇到土层或较软岩层采取边掘进边顶管的施工方法，因为土层及强风化岩层掘进时洞体不够稳定，易出现坍塌，为保证施工人员安全必须边掘进边顶进。

2）先掘进再顶管遇到全断面为中风化岩或整体性及稳定性较好强风化岩时，可采取先完成洞体开挖，再进行顶管施工。

3.2.2 顶管洞体开挖

洞体采用水钻进行取芯截断法施工，施工工艺流程：放线、验线→水钻定位→加固→水钻切割→出渣→清理边缘。

开挖前先由测量班精确测量定位出洞体中心位置，并做好控制点，以便随时复核中心位置。洞体按照设计的轴线、高程控制开挖后，再进行顶管施工，该情况下一般顶管阻力较小。水钻施工如图1所示。

图1 水钻钻孔平面布置

3.2.3 洞内排水

为保证施工安全，在开挖过程中（尤其是进口端的反坡开挖）需特别注意洞内排水，为此需在进出口端各配备1台5.5kW的高扬程抽水机，以将地下水、雨水等及时排出。同时工作井内的积水同样用水泵及时排出，防止流入顶管洞内。

3.2.4 顶管顶进

2）管节吊运及堆放管节吊运、装车、下管均采用行走式龙门式起重机。管节起吊时严格遵守起吊规范，轻吊轻放。在外面堆放混凝土管时，避免管节碰撞，堆放整齐有序，以方便后续吊装。

3.2.5 顶管设备

1）工具管根据现场实际情况拟采用手掘式顶管工具管，工具管是顶管的关键机具，其主要作用为导向、防坍、连接并保护混凝土管[3]。

2）导轨导轨采用38kg/m的钢轨组成，两根导轨相互平行、等高，安放在工作井底部混凝土基础上，安装前先复核管道中心位置，导轨定位要稳固、正确，在顶进中承受各种负载时不位移、不变形、不沉降；导轨长度满足顶管掘进出洞时的稳定和混凝土接管连接和出土的要求。导轨用型钢制作，型钢用螺栓紧固于钢横梁上，以便装拆。如图2所示，钢横梁置于工作井底板上，并与底板上的预埋铁板焊接，使整个导轨系统成为在使用中不会产生位移的、牢固的整体。

图2 导轨安放示意

导轨安装在顶管施工中至关重要，其安装精度甚至决定管道是否可顶好，故须达到如下要求：①两导轨应顺直、平行、等高，其纵坡应与管道设计坡度一致；②导轨轴线偏差≤3mm；顶面高差0～3mm；两轨间距±2mm。

3）千斤顶安装主顶站选用2台200t千斤顶，固定在型钢千斤顶支架上，支架焊在井底横梁上，千斤顶着力点设在顶管圆周上，即与管道中心的垂线对称，其合力的作用点在管道圆心上，每个千斤顶的纵线坡度应与管道设计坡度一致[4]。

4）后背墙安装后背墙整拼工字钢或钢板的钢结构，为顶管的反力提供一个垂直受力面，正面焊1块3cm厚钢板，使各工字钢受力更均匀。工字钢墙空隙中灌满自密实混凝土，形成一道由厚钢板、工字钢和混凝土组成的牢固且刚度很大的复合后背墙，承受千斤顶传来的顶进反力。后背墙安装无误后，必要时再垫1层8cm厚的木板，以使井壁受力均匀。

5）顶管机下井井下设备安装完后，用20t汽车式起重机将重新经过保养、检查、调试好的顶管机吊下工作井，置于涂满润滑黄油的导轨上。因导轨安装精度控制严格，故顶管机座上导轨已准确定位。井下设备和顶管机安装完毕后，启动油泵，伸缩千斤顶，检查千斤顶与后背墙的配合，顶管机与出口器及分压环的间隙等，准确无误后即可开始出洞顶进。

6）油缸支架油缸支架是用来支撑并固定主顶油缸的构件，用［12b加工而成。

7）主顶油缸主顶油缸是顶进的主要设备，是管节顶进原动力，装在油缸支架上，后端紧靠后背，主顶油缸安装好后，用输油管与主顶泵站和控制台相连[5-6]。

8）主顶泵站主顶泵站是给主顶油缸供油以及主顶油缸回油的设备，该泵站安装在工作井旁。

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3.2.6 管道内通风、供电、系统

为改善管道内的环境，施工时对管道内进行强制式通风，由地面通风机将新鲜空气通过气管送到作业面，管道内的浑浊空气则由作业面向工作井自然流通，通风管道采用风琴管。

3.2.7 管外壁注浆

待顶管顶通后，在管外壁进行注浆，采用M2.5水泥砂浆，注浆压力不大于0.3MPa。目的是填充管外壁的孔隙，对顶管起到一定的稳固作用。

3.2.8 千斤顶顶阻力验算

本工程经计算，主顶站2台200t千斤顶可满足顶力要求，故无需设置中继站。

3.2.9 顶管顶进

2）顶管轴线与标高控制本工程顶管测量距离在100m以内，顶管方向与高程控制可直接用置于井下测量平台起始点上的激光经纬仪对顶管机上方的基准点即可。为消除顶管机旋转而偏差值的显示误差，基准点每日复测，使其始终在顶管机的垂直中心线上

3）顶管测量注意事项由于顶管部分操作在工作井内进行，顶管过程中起始点和后视点会发生位移，故每周均需对其进行检查校核，发现偏移过大需查明原因并及时修正。地面测量控制网上的部分点在顶管轴线上或工作井附近，可能因地面沉降等原因而移动，故也需不定期进行校核检查。每段顶完后，重新进行一次管道的中心和高程的测量，每个接口1点，错口处测2点。顶管顶进前对工作井壁、井口、顶管穿越段的地面设置观测点。顶管顶进过程中每24h进行1次观测，看顶管过程中井位、井壁及地面的变化，如果累计出现超过20mm的位移、变形则停止顶进，分析变形原因，制定处理方案并按照方案实施后再进行后续顶管施工。

3.2.10 管道接口

4 效益分析

4.1 经济效益

顶管施工不影响周围环境或影响较小，而且能深入地下作业。对于地表建筑等其干扰较小且其噪声及共振小，可减少对地表建筑及居民的影响，特别是在城市管道敷设中，可很大程度上减少对交通的阻碍。在施工工艺方面，顶管施工开挖土方量小，除工作井外，管身以上土方全部免除；节约施工用地，顶管施工占地较少，直径1.5m的管道，顶管施工占地为开槽施工的15%，且管径越大，相对比例越小；节约原材料，单独以安设管身比较，除管口需小方量水泥外，不使用其他材料。