手掘式頂管下穿軟弱地層施工技術(shù)總結(jié)

吳林松 蒲仕勇

（中交二航局成都城市建設(shè)工程有限公司，四川 成都 610213 ）

1 概述

該市政工程頂管項(xiàng)目位于成都市以南地區(qū)，項(xiàng)目擬建污水干管總長1083m，共20個(gè)井段，使用管徑為1.0m、1.4m的DRCPⅢ級(jí)鋼筋混凝土承插管，管道埋深7～21m，采用頂管法施工。管道頂進(jìn)所在的地層主要為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，地勘報(bào)告顯示地下水位線位于地面以下0.4m～12.1m，施工場地內(nèi)有1條既有水溝。

2 施工難點(diǎn)

詳勘報(bào)告JWG-04、JWG-05、JWG-06三個(gè)孔位的柱狀圖顯示，污水干管里程樁號(hào)JWK0+098～JWK0+177段（共79米）存在1.5m厚的＜2-1-1＞軟塑粉質(zhì)黏土層，頂管管道將從軟塑黏土層下方強(qiáng)風(fēng)化泥巖層穿過，管道開挖頂面距軟塑黏土層底面之間強(qiáng)風(fēng)化巖層最小厚度僅有0.1m左右。由于軟塑狀粉質(zhì)黏土自穩(wěn)能力較差且上部存在富水卵石土層，如不對(duì)該軟塑黏土層提前進(jìn)行處理，開挖過程中極易發(fā)生因巖層被打穿或巖層太薄無法支撐上部軟塑黏土層而導(dǎo)致塌方及涌泥，危及作業(yè)人員安全。

圖2 JWK0+098～JWK0+177段地質(zhì)剖面圖

同時(shí)，軟塑粉質(zhì)黏土層容易造成地面沉降，且此項(xiàng)目周邊有一處景觀濕地項(xiàng)目正在同步進(jìn)行打造和蓄水作業(yè)。蓄水后地表水系改變，由此可能導(dǎo)致周邊地層地下水滲流和補(bǔ)給情況發(fā)生不確定性地變化，對(duì)頂管下穿軟弱地層施工帶來一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 軟弱地層加固方式確定

經(jīng)參建各方現(xiàn)場踏勘，決定對(duì)該段軟弱地層采取注漿方式進(jìn)行地層加固，以確保手掘式頂管過程中的施工安全。對(duì)此，設(shè)計(jì)單位初步提出了水平注漿和垂直注漿兩種方案，背景項(xiàng)目通過從操作便捷性、成本和工期三個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比和選取。

3.1 水平注漿

水平注漿需是在開挖輪廓線240°范圍設(shè)置15根3m長的注漿小導(dǎo)管，每間隔1m布置15根，共需布置1185根小導(dǎo)管，通過直接頂入法將注漿小導(dǎo)管沿外插角15°插入土層（小導(dǎo)管布置如圖2、3），注漿后待土層固結(jié)完成后再進(jìn)行頂管施工，如此循環(huán)，在整個(gè)頂管施工周期內(nèi)都需要保持注漿。

圖3 水平注漿橫斷面布置圖

圖4 水平注漿縱斷面布置圖

3.2 垂直注漿

先從地面上將φ108×4mm的鋼花管置入土層，再對(duì)軟弱地層進(jìn)行注漿加固。鋼花管底部1.5～3.0m范圍內(nèi)梅花形布置注漿孔，孔徑10～16mm，間距150～200mm。注漿管沿管道中線梅花型布置，縱向間距1.0m，橫向間距0.8m，注漿管橫向布置4排，注漿寬度3.4m（注漿管布置如圖5、6），共布設(shè)358根注漿管。另在W16工作井（即JWG-05位置）兩側(cè)頂管線路周邊加密布置注漿管（如圖7所示），防止頂管施工時(shí)開挖面垮塌及提高工作井后背土體承載力。

圖5 垂直注漿平面布置圖

圖6 工作井后背注漿平面布置圖

圖7 1-1剖面圖

3.3 方案對(duì)比

表1 水平注漿與垂直注漿方案對(duì)比

背景項(xiàng)目通過對(duì)兩種方案從操作便捷性、成本和工期三個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比（對(duì)比情況如下），可以看出雖然垂直注漿的造價(jià)較水平注漿偏高，但其操作較為便捷、工期明顯較快，因此最終決定采用垂直注漿方案進(jìn)行地層加固。

4 主要施工工藝

4.1 注漿工藝

垂直注漿是通過壓力注漿機(jī)在地面把水泥漿或其混合漿液由鉆孔（Φ 108×4mm鋼花管）注入地層內(nèi)部（空隙、間隙、裂痕或空洞等），漿液注入土體一般都是先滲透，當(dāng)通道被阻，漿液滲透困難，即對(duì)周圍地層進(jìn)行壓密，當(dāng)壓力繼續(xù)升高，在土體中會(huì)產(chǎn)生劈裂現(xiàn)象，漿液順裂縫進(jìn)一步擴(kuò)散形成固結(jié)工作斷面，達(dá)到密實(shí)、改良巖土層、止水、防沉降、防坍等效果。滲透、壓密、劈裂互相影響、互相補(bǔ)充，共同起到了提高土體完整性和強(qiáng)度及降低地層滲透系數(shù)和含水率的作用。

垂直注漿通過鋼花管柱面擴(kuò)散、劈裂將頂管段上方及側(cè)面填充密實(shí)，注漿漿液為水灰比1:1的純水泥漿液，注漿壓力控制在0.3～0.6MPa，擴(kuò)散半徑為0.5～0.6，足以將需注漿頂管段土層固結(jié)為一個(gè)整體，平均注漿厚度為2.5米。

注漿流程：測量布孔→鋼花管施工→清孔→壓漿→封孔。

（1）測量布孔

采用挖機(jī)平整場地，測量人員根據(jù)注漿孔平面布置圖放樣布孔。

（2）鋼花管施工

鋼花管底部做成錐形，長度應(yīng)和注漿深度吻合，采用鉆機(jī)振動(dòng)法將鋼花管打入土層，管底全部穿過軟弱層，成孔過程中連續(xù)作業(yè)，且保持成孔的垂直度。

（3）漿液制作

按照設(shè)計(jì)和試注試驗(yàn)確定的配合比拌制好漿液，漿液的比重應(yīng)符合要求，制作好的漿液要有良好的可泵性、和易性、保水性。配制好的漿液應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)注完，隨配隨用。

（4）清孔

先檢查注漿頭的狀況，鋼花管不能有堵塞現(xiàn)象，并保證各節(jié)管路的連接質(zhì)量，注漿前先采用吹孔法吹出管內(nèi)沉積物。

（5）壓漿

壓漿管采用高壓纏絲橡膠管，抗壓強(qiáng)度大于3MPa，壓漿管接頭保持密閉、不漏漿，在準(zhǔn)備工作全部完成后方可開注漿機(jī)進(jìn)行注漿。

注漿采用一次升壓法施工，即從注漿一開始應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)將壓力升高至設(shè)計(jì)規(guī)定值，并一直保持到注漿結(jié)束。在規(guī)定的壓力下，根據(jù)進(jìn)漿量情況分級(jí)調(diào)整漿液濃度，直到裂隙逐漸被填實(shí)，單位吸漿量逐漸減少，達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí)結(jié)束注漿，做好注漿記錄，并保證記錄的真實(shí)性。壓漿時(shí)注意高壓管前不能站人，防止噴漿傷人。

（6）封孔

壓漿結(jié)束應(yīng)立即拔出灌漿栓塞、插上木塞，以便有足夠的時(shí)間使?jié){液充分凝固。

4.2 頂管施工工藝

手掘式頂管施工是采用人工挖土掘進(jìn)的方法，借助于主頂油缸的推力，把管節(jié)從工作井內(nèi)穿過土層一直推到接收井內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)非開挖敷設(shè)地下管道的施工方法。手掘式頂管管道頂進(jìn)的主要施工流程為：測量放樣→人工開挖洞口→首節(jié)管進(jìn)洞→管前挖土、出土→混凝土管道頂進(jìn)→循環(huán)開挖及管道頂進(jìn)→管節(jié)出洞→管背填充注漿。

5 施工技術(shù)控制要點(diǎn)

（1）頂管時(shí)必須嚴(yán)格按照“先挖后頂，隨挖隨頂”的原則進(jìn)行，以防止開挖面坍塌。嚴(yán)格控制循環(huán)開挖進(jìn)尺，確保每次頂進(jìn)長度不大于0.5m，作業(yè)人員需盡量保持在管道內(nèi)進(jìn)行開挖作業(yè)，以降低安全風(fēng)險(xiǎn)；

（2）嚴(yán)禁超挖，尤其是進(jìn)洞段頂管上方巖層較薄，避免將巖層打穿引起坍塌事故，管道下方135°范圍內(nèi)也不得超挖，盡量保持管壁與土基表面吻合；

（3）按照設(shè)計(jì)和試注試驗(yàn)確定的配比嚴(yán)格控制注漿漿液質(zhì)量，注漿完成需要保證漿液足夠的凝結(jié)時(shí)間，必要時(shí)可以對(duì)注漿質(zhì)量進(jìn)行檢測，以保證被加固的土體在平面和深度連成一體，滿足土體滲透性、地基土強(qiáng)度和變形的設(shè)計(jì)要求；

（4）頂管施工期間應(yīng)加強(qiáng)工作井周邊、頂管沿線的地表沉降觀測，發(fā)現(xiàn)異常沉降情況應(yīng)立即停止施工，并及時(shí)通知參建各方研究查明原因、制定應(yīng)對(duì)措施后方可繼續(xù)施工；

（5）鋼花管置入地層時(shí)需要嚴(yán)格控制鋼花管底部標(biāo)高，不能置入地層過深，防止鋼花管侵入開挖面，增加開挖施工難度；也不能置入地層過淺，防止地層有效注漿加固范圍不夠。

6 結(jié)語

通過頂管工作井開挖時(shí)現(xiàn)場察看注漿加固范圍，注漿的有效擴(kuò)散半徑均達(dá)0.5m以上，土體整體性和強(qiáng)度得到了明顯改善。施工期間，工作井周邊、頂管沿線地面均未產(chǎn)生明顯沉降（實(shí)測累計(jì)最大沉降3mm），也側(cè)面說明了注漿對(duì)地層起到了較好的加固效果。頂管施工過程中，開挖面未發(fā)生鋼花管侵入及坍塌現(xiàn)象，該段頂管按計(jì)劃順利完成軟弱地層下穿施工任務(wù)。

背景項(xiàng)目手掘式頂管下穿軟弱地層施工的順利實(shí)施，說明通過對(duì)軟弱地層進(jìn)行注漿加固后再進(jìn)行軟弱地層下穿施工的方法是可行的，該方法可為后續(xù)類似項(xiàng)目手掘式頂管下穿或直接穿越軟弱地層施工提供借鑒，但在應(yīng)用過程應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)注漿效果的控制和沉降觀測，以確保頂管施工的絕對(duì)安全。