強(qiáng)風(fēng)化巖層中手掘式頂管施工技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

管源

【摘要】手掘式頂管施工作為非開挖管道施工工藝中較為常見的技術(shù)，在國內(nèi)已得到廣泛的應(yīng)用，當(dāng)其運(yùn)用到強(qiáng)風(fēng)化巖石地質(zhì)中時(shí)，同樣具有一定的優(yōu)勢。本文以施工案例為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，通過方案的比選、現(xiàn)場具體情況的分析，對巖層手掘式頂管的優(yōu)勢所在、施工關(guān)鍵技術(shù)等方面做了簡單的歸納和總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】手掘式頂管；施工技術(shù)；巖質(zhì)變化

1. 工程概況及工程地質(zhì)條件

本頂管工程地處湖北省松滋市長江臨港工業(yè)園區(qū)，是工業(yè)園的污水干管，起點(diǎn)在工業(yè)園通港大道K1+439處，終點(diǎn)止于長江岸邊，通過排放口排入長江。干管全長3685米，其中頂管施工段517米。地質(zhì)勘查結(jié)果表明，施工范圍內(nèi)的地基土按成因類型、沉積年代可分為人工堆積土、第四系中更統(tǒng)沖洪物及白堊系沉積巖。

按底層巖性及物理學(xué)指標(biāo)與特性具體分布如下：

①層 雜填土 人工堆積土，雜色，濕，松散，主要成分以建筑垃圾、粉質(zhì)粘土為主，全場分布，厚0.6 m～4.80 m；②層 粉質(zhì)粘土 第四系上（晚）更新統(tǒng)沖擊物。黃褐色，可塑狀，無異味，干強(qiáng)度中等、韌性中等。厚度較均勻，平均厚度3.23 m；③-1 強(qiáng)風(fēng)化砂巖 白堊紀(jì)沉積巖（K2），棕紅色，巖芯成塊狀，易碎，強(qiáng)風(fēng)化，干鉆不易鉆進(jìn)，巖石質(zhì)量差。平均厚度2.79 m；③-2中風(fēng)化砂巖與泥巖互層 白堊系沉積巖（K2），棕紅色，其中泥巖為主，巖芯較完整，成柱狀，易碎，結(jié)構(gòu)部分破壞，風(fēng)化裂隙弱發(fā)育，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，中等風(fēng)化，巖石質(zhì)量較差，全場分布，本次勘察為揭穿此層，最大揭露厚度為8.2 m。④勘察范圍內(nèi)未測得地下水。

在實(shí)際施工后發(fā)現(xiàn)管道所在區(qū)域，除以棕紅色強(qiáng)風(fēng)化砂巖為主外，還有不少區(qū)域是中風(fēng)化巖石，其堅(jiān)硬程度遠(yuǎn)大于勘察數(shù)據(jù)表明的結(jié)果，給實(shí)際施工增加了難度。

2. 施工方案比選

由于現(xiàn)場地貌為山區(qū)丘嶺地帶，地面高程起伏大，整條污水干管縱坡向下，導(dǎo)致W56#——排放口段的管道埋深多大于10 m，最深處W59#工作井，達(dá)到16 m。通過方案比較，可發(fā)現(xiàn)若采取基坑大開挖方案，不僅受到場地限制，施工工序也較繁瑣，完工后原狀恢復(fù)等工作量大，成本投入高，本工程采用手掘式頂管施工優(yōu)勢明顯。

3. 手掘式頂管施工關(guān)鍵技術(shù)

本工程頂管總長517 m，最大作業(yè)區(qū)間為130 m，共有3座工作井，2座接收井，1座入江排放口?？傮w工期安排下，頂管作業(yè)又主要處在強(qiáng)、中風(fēng)化巖層中，頂進(jìn)生產(chǎn)能力受到一定制約，施工的任務(wù)重、難度大、工作強(qiáng)度高。

3.1 工作井、接收井施工

以W56#——W57#段為例，頂管由W56#頂進(jìn)，W57#接收，頂進(jìn)長度85 m。井內(nèi)通電用于基坑內(nèi)施工降排水作業(yè)。W56#工作井深9 m，井身采用的是分級開挖鋼筋混凝土逆作法護(hù)壁施工方法，分為高4m、直徑7.2m和高5m、直徑6.4m上下兩個(gè)節(jié)段施工，井壁及封底厚度均為40 cm，采用C25商品混凝土現(xiàn)澆；W57#為接收井，四周臨近靠近民居及一條村道，為減少施工占用土地，采用的是預(yù)制砼井沉井施工方法。

3.2 掘土及外運(yùn)

根據(jù)土質(zhì)勘察結(jié)果，強(qiáng)風(fēng)化砂巖層質(zhì)量差、易碎，使用W2.85/5型空氣壓縮機(jī)配備特鋼六角風(fēng)鎬釬的風(fēng)鎬槍，進(jìn)行破巖掘進(jìn)。管道內(nèi)水平運(yùn)輸采用手推斗車，垂直運(yùn)輸采用導(dǎo)軌式行車吊架，將掘出的巖土外運(yùn)。

頂管頂力計(jì)算

頂管管節(jié)埋設(shè)深度的范圍土質(zhì)穩(wěn)定，管前挖土有成拱效應(yīng)，遂采取先挖后頂?shù)氖┕し椒ā?/p>

頂管頂力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：P=n×P0

其中：P——總頂力；

n——土質(zhì)系數(shù)，土質(zhì)為粉質(zhì)粘土及粘土夾礫石n取值：1.5～2.0；

P0——為管道自重

管材使用的是D1200，Ⅲ級F型混凝土管，每節(jié)管長2.5m，自重3.3t，共需頂進(jìn)34節(jié)。

34節(jié)管道自重 P0=34×3.3=112.2 t

總頂力 P=2.0×112.2=224.4 t

綜合考慮地下頂管的諸多不可預(yù)測因素，頂管設(shè)備采取1.5倍左右的儲備能力，頂進(jìn)設(shè)備頂力應(yīng)為336.6 t，取設(shè)備總頂力F=336.6 t，選用2臺200 t頂進(jìn)油缸作為頂進(jìn)動力設(shè)備。

3.3 頂進(jìn)方向控制

在頂進(jìn)過程中，使用BOIF/DJJ2-2 激光經(jīng)緯儀（2秒級）進(jìn)行方向控制，當(dāng)激光經(jīng)緯儀提供的直線光束射進(jìn)管道中時(shí)，在管道前方接收靶上可以直接讀出管道的空間位移偏量。允許偏差為：軸線位置3 mm，高程3 mm，超過允許偏差時(shí)應(yīng)采用挖土糾偏法、千斤頂校正法等。

3.4 糾偏措施

管頭進(jìn)入土層過程中，每頂0.3 m進(jìn)行一次方向控制測量；管道進(jìn)入土層后正常頂進(jìn)時(shí)，每1.0 m測量一次。一旦管道發(fā)生偏離，即采取糾偏措施，糾偏時(shí)增加測量次數(shù)。偏差在10～20mm，采用挖土糾偏法，即在偏向的反側(cè)適當(dāng)超挖，在偏向側(cè)不超挖并留坎，形成阻力，再對管道施加頂力，使偏差回歸。若偏差大于20 mm時(shí)，此時(shí)若超挖糾偏不起作用時(shí)，采用千斤頂糾偏法，用小型千斤頂頂在管端偏向的反側(cè)內(nèi)管壁上，另一端斜撐在有墊板的管前土壁上，支頂牢固后，即可施加頂力，邊頂邊支，直至偏差回歸。

4. 巖質(zhì)變化采取的措施

在第1節(jié)中提到，本工程實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)管道頂進(jìn)存在較大段中風(fēng)化巖，原先所采用的風(fēng)鎬槍根本無法頂靠在巖石上，掘進(jìn)時(shí)槍頭在巖面上時(shí)不斷跑偏，無法持續(xù)作用于一點(diǎn)，掘進(jìn)工作一度進(jìn)入停滯狀態(tài)。根據(jù)實(shí)際狀況，擬出以下三個(gè)方案：

方案一 采用靜態(tài)膨脹炸藥，在巖面上打孔后，填塞入定量靜態(tài)膨脹炸藥，通過炸藥的膨脹作用破壞周圍巖體完整性，但在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)巖層整體性不高，與泥層互相夾雜，膨脹破壞作用不明顯，且膨脹作用需要一個(gè)反應(yīng)過程，效率上有所下降。

方案二 采用切割機(jī)，先使用切割機(jī)具將管道前方巖體切割成豆腐塊狀，再使用風(fēng)鎬槍沿切割縫鑿進(jìn)破除巖體，然而由于切割機(jī)具體積大，D1200管道內(nèi)部空間有限，掘進(jìn)人員不能同時(shí)在巖面前作業(yè)，每次切割機(jī)具切割后需退出管道內(nèi)部后，掘進(jìn)人員方能進(jìn)入操作，施工效率低下，不能滿足進(jìn)度要求。

方案三 采用巖石分裂機(jī)，首先巖面上進(jìn)行打孔作業(yè)，孔間距布置為20 cm，孔深20 cm。打孔完成后再使用分裂機(jī)，插入預(yù)先打好的孔洞，由分裂機(jī)產(chǎn)生脹裂作用，破壞巖體完整性，此法每孔作用時(shí)間短，效率較高。待巖體完整性遭到破壞后，再使用風(fēng)鎬槍進(jìn)行破除、掘進(jìn)作業(yè)。

最終確定以方案三為主要掘進(jìn)方案，局部段落以方案二為輔助措施。

5. 結(jié)語

通過本工程的施工實(shí)例，對手掘式頂管在強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化巖層中的施工工藝得到了一定了解。由于單一工程的局限性，注漿減摩、長距離頂管設(shè)置中繼間等施工技術(shù)措施以及在不同土質(zhì)中所采取的頂進(jìn)機(jī)械設(shè)備和處理辦法，并未在本工程中得到充分運(yùn)用，還需在今后的工程實(shí)踐中進(jìn)一步學(xué)習(xí)，積累更多的經(jīng)驗(yàn)。