水鉆掘進(jìn)法在巖石層頂管中的應(yīng)用

馮文東

（中鐵十四局集團(tuán)有限公司市政工程分公司， 山東 青島 266000）

1 工程概況

榮海四路改造提升工程位于青島市城陽區(qū)， 主要施工內(nèi)容為新建雨污水管線、 道路提升， 其中K0＋562 -K0 ＋587 段污水管道下穿引黃濟(jì)青暗渠， 下穿長度25m。 引黃濟(jì)青暗渠為框架式結(jié)構(gòu)， 結(jié)構(gòu)尺寸為3.5 ×3.0m， 建成于上世紀(jì) 80 年代。 根據(jù)要求， 需先頂進(jìn)φ1000mm鋼筋混凝土套管， 再敷設(shè)DN500 球磨鑄鐵污水管。 套管頂距離暗渠底高度為1.1m， 套管底距離原地面高度6.2m。

根據(jù)地勘報(bào)告得知， 本段土層厚度2.0m， 強(qiáng)風(fēng)化巖厚度1.5m， 以下均為安山巖中風(fēng)化巖， 巖石強(qiáng)度50 ～70MPa。 由于周邊要預(yù)留行車通道， 工作面較小， 且引黃濟(jì)青暗渠為20 世紀(jì)80 年代， 存在的不穩(wěn)定性較大， 所以必須選擇安全可行的施工方法。通過方案對比， 傳統(tǒng)的人工采用風(fēng)鎬掘進(jìn)施工， 將面臨巖石強(qiáng)度高、 施工難度大、 工期長等困難， 對強(qiáng)度很硬的巖石將會(huì)束手無策； 拖拉管施工在巖石區(qū)段難以保障管線的順直度， 但本段污水管坡率為0.3%， 且孔洞長時(shí)間暴露， 容易對引黃濟(jì)青暗渠造成擾動(dòng)； 本項(xiàng)目工程量較小， 僅為25m， 采用小型盾構(gòu)機(jī)施工成本太高， 遠(yuǎn)超出工程造價(jià)； 因此經(jīng)過安全、 質(zhì)量、 工期及成本等多方面的考慮， 采取了對巖石地段具有針對性的特殊施工工藝進(jìn)行石方開挖施工——水鉆掘進(jìn)法[1]。

2 水鉆掘進(jìn)頂管施工

2.1 施工工序及工藝流程

施工準(zhǔn)備→測量頂進(jìn)軸線及高程→開挖頂進(jìn)工作坑、 墊層施工→鋪設(shè)頂管導(dǎo)軌→施工頂進(jìn)后背墻→安裝頂管設(shè)備→吊放頂進(jìn)套管→水鉆開挖巖石→頂進(jìn)套管→測量及糾偏→再次開挖巖石 （水鉆施工） →頂進(jìn)套管頂進(jìn)→循環(huán)作業(yè)→敷設(shè)污水管→套管外側(cè)水泥壓漿→套管內(nèi)吹砂回填、 管內(nèi)水泥砂漿→直至完成。

2.2 各工序施工方法

2.2.1 測量

施工前， 進(jìn)行水準(zhǔn)點(diǎn)、 坐標(biāo)點(diǎn)的復(fù)測， 采用全站儀、 水準(zhǔn)儀等儀器測量高程及軸線。 在頂進(jìn)施工過程中需要對鉆進(jìn)孔洞的每次測量結(jié)果進(jìn)行記錄、復(fù)核。 要求水鉆每完成鉆孔取芯一循環(huán)后即測量一次平面位置及高程， 在頂進(jìn)過程中要求每頂進(jìn)500 mm復(fù)測一次， 及時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算頂管的偏位， 以便在發(fā)現(xiàn)偏差后及時(shí)采取糾偏措施。 在頂管糾偏時(shí)， 需增加軸線、 高程測量的頻率。 同時(shí)為保證引黃濟(jì)青暗渠的穩(wěn)定， 在引黃濟(jì)青暗渠頂部設(shè)置3 個(gè)觀測點(diǎn)，在頂進(jìn)過程中， 要求每天進(jìn)行不少2 次的觀測。 同時(shí)在頂進(jìn)工作坑四周設(shè)置沉降觀測點(diǎn)， 按照方案要求進(jìn)行觀測。

2.2.2 頂進(jìn)工作坑

頂進(jìn)工作坑凈尺寸長×寬=6.0m×4.5m， 開挖深度6.2m， 頂進(jìn)接收坑凈尺寸長 ×寬 =3.0m×3.0m； 開挖基坑采用放坡＋掛網(wǎng)噴錨進(jìn)行支護(hù)， 放坡坡度為1∶1， 采用4 ～6m長φ22mm的注漿錨桿，垂直間距1.5m， 梅花布置。 網(wǎng)片采用 φ6.5＠200 ×200mm鋼筋網(wǎng)片， 坡面噴射12cm厚C20 速凝混凝土。 基坑上部設(shè)置截水臺(tái)＋1.2m高臨時(shí)護(hù)欄， 截水臺(tái)尺寸b×h=24cm×32cm， 基坑底部設(shè)置排水溝和集水井: 排水溝尺寸為30 ×30cm， 集水井尺寸0.8×0.8 ×0.8m， 間距5.0m。 坡頂2m范圍內(nèi)采用C20速凝混凝土進(jìn)行硬化， 硬化厚度12cm。 開挖坡面埋設(shè)φ50mm的泄水管， 泄水管間距2 ×2m。

在深基坑開挖之前， 首先采用挖掘機(jī)將工作井基坑四周4m范圍內(nèi)素填土全部挖除， 挖除厚度不少于1m， 基坑開挖分兩次進(jìn)行， 其中第一次開挖粉質(zhì)粘土部分， 開挖完成后進(jìn)行邊坡支護(hù)， 待速凝混凝土噴射完成48h 之后， 再進(jìn)行巖石層的破除及開挖，巖石層開挖清表完成后再進(jìn)行二次噴錨支護(hù)。

2.2.3 管節(jié)吊裝

先把頂進(jìn)工具管采用25T吊車吊放入工作坑中做好定位， 再將頂進(jìn)混凝土套管吊放在工作坑的導(dǎo)軌上就位。 頂管施工前應(yīng)在套管與頂鐵之間安設(shè)3mm厚的木板， 在頂進(jìn)過程中能夠起到緩沖作用，以保護(hù)套管在頂進(jìn)過程中不發(fā)生破損， 尤其是對接口處的密封圈不產(chǎn)生破壞。

2.2.4 水鉆掘進(jìn)施工

采用水鉆法頂進(jìn)施工主要包含以下主要工序:人工搭設(shè)水鉆機(jī)具支架、 水鉆環(huán)周取芯、 巖芯打孔破碎、 巖塊碎石外運(yùn)。

1） 搭設(shè)水鉆支架， 在開挖掌子面前80 ～90cm處搭設(shè)支架， 支架采用型鋼、 角鋼等焊制， 與水鉆連成一個(gè)整體， 保證水鉆能夠自由活動(dòng)， 水鉆支架需要安全穩(wěn)定， 滿足結(jié)構(gòu)性及穩(wěn)定性要求。 水鉆取芯機(jī)應(yīng)固定在支架橫向主軸的調(diào)節(jié)器上， 調(diào)節(jié)范圍要滿足水鉆設(shè)計(jì)鉆進(jìn)長度的要求， 并要求能夠沿豎向支撐軸起降， 可以到達(dá)設(shè)計(jì)指定的鉆孔位置， 具體如圖1 所示。

圖1 孔內(nèi)水鉆支架搭設(shè)

2） 水鉆取芯， 采用鉆筒直徑為15cm的鉆孔取芯機(jī)在巖面外圈鉆孔， 鉆孔位置要求提前進(jìn)行計(jì)算確定， 由技術(shù)人員確認(rèn)后進(jìn)行標(biāo)記。 取芯孔之間應(yīng)有2cm的搭接， 取芯孔中心之間的凈距為13cm， 并保障孔道外徑不小于124cm， 鉆孔時(shí)向孔洞外傾斜角度應(yīng)不少于3°， 預(yù)留出鉆筒的尺寸。 待鉆至設(shè)計(jì)深度為70cm時(shí)， 采用手動(dòng)調(diào)位器將鉆筒緩慢退出鉆孔， 在鉆縫中打人鋼釬， 折斷鉆芯， 采用工具將鉆取芯樣取出。

鉆孔順序必須間隔進(jìn)行， 所有鉆孔必須平行鉆進(jìn)， 并留有2cm的搭接， 以保證完全鉆取芯體， 避免影響破碎中間巖巖芯。 水鉆施工過程中， 及時(shí)采用小型運(yùn)輸工具將取出的鉆芯外運(yùn)， 正下方鉆芯不取出， 以便起到支撐作用。 根據(jù)統(tǒng)計(jì)， 水鉆每鉆取一次用時(shí)為20 ～30min， 完成一圈用時(shí)約為8 ～10h，一圈完成后， 巖芯與外側(cè)巖壁之間便形成環(huán)形臨空面， 具體如圖2 所示。

圖2 水鉆取芯

3） 樁芯打孔破碎， 在水鉆取芯工作完成一圈后， 需要對中間巖芯進(jìn)行打孔破碎、 外運(yùn)。 首先采用風(fēng)鉆打一排小孔， 孔徑為 2.5cm， 孔間距為40cm， 在鉆孔完成后將鏟釬打入孔中， 采用鐵錘或電錘擊打鏟釬使巖體在內(nèi)部沖擊力的作用下開始分裂， 依次擊打鏟釬進(jìn)行巖體破碎， 直到本段巖芯完全破碎， 待巖芯全部取出后形成孔道隧洞， 具體如圖3 所示。

圖3 樁芯破碎

4） 碎塊外運(yùn)， 破碎的巖石碎塊依次使用自制運(yùn)輸小車運(yùn)送至頂進(jìn)工作坑中， 由工作坑上方的汽車吊將石塊調(diào)運(yùn)至指定位置， 孔內(nèi)破碎石塊全部清運(yùn)干凈后即開始鉆洞修整。

5） 鉆洞整修， 由于水鉆取芯完成后其孔壁呈鋸齒狀， 為保證管道頂進(jìn)空間， 需要對鉆孔孔洞周圍進(jìn)行修整， 使孔徑、 標(biāo)高及軸線等滿足頂管要求，需采用風(fēng)鎬、 電鎬等器具鑿除欠挖部分的巖石， 完成之后在鉆洞底部墊鋪1 ～2cm厚粗砂， 用于鉆洞底部的填隙、 平整， 以減少管道頂進(jìn)過程中的摩擦阻力。

6） 泥漿水排放及循環(huán)利用， 水鉆鉆孔施工中需要用水對鉆具進(jìn)行冷卻， 根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)并經(jīng)施工現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)測算， 利用水鉆法每鉆進(jìn)1.0m （鉆孔孔徑1.2m）， 約需要3m3水對鉆具進(jìn)行冷卻降溫， 以保證在鉆進(jìn)過程中不發(fā)生卡鉆的問題。 為避免卡鉆等問題， 在鉆進(jìn)施工過程中必須保證水的持續(xù)供應(yīng)。經(jīng)過測算， 在鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的廢水、 泥漿約是清水用量的1.3 倍， 意味著每掘進(jìn)1m約有4m3的泥漿需要外排。 泥漿利用頂進(jìn)管道的坡度流至頂管工作坑的廢水坑內(nèi)， 通過泥漿泵排至地面的沉淀池、 循環(huán)池中。 經(jīng)沉淀后， 循環(huán)池上清水重復(fù)循環(huán)利用，沉淀后的泥漿集中外運(yùn)至指定地點(diǎn)。

2.2.5 管道頂進(jìn)

為保證安全， 水鉆每一循環(huán)施工完成后便立即進(jìn)行管道頂進(jìn)， 預(yù)留水鉆施工工作面。 首先采用千斤頂將工具管頂入， 采用汽車吊將頂進(jìn)管節(jié)吊放入頂進(jìn)工作坑， 接于工具管尾部， 再將第一節(jié)套管頂入。 水鉆施工每一輪結(jié)束后頂入 50 ～70cm， 3 ～4 個(gè)循環(huán)即可頂進(jìn)一節(jié)套管。 第一節(jié)套管頂進(jìn)完成后，吊入第二節(jié)管道， 與第一節(jié)套管進(jìn)行連接， 循環(huán)工作， 直至頂管工作全部完成， 采用汽車吊將工具管從接收工作坑吊出。

頂進(jìn)糾偏措施: 1） 在頂進(jìn)過程中， 要勤測量，嚴(yán)格控制鉆孔直徑、 位移及高程偏差， 發(fā)現(xiàn)偏差后立即采用二次鑿除、 鋪設(shè)砂墊層等方式進(jìn)行調(diào)整；2） 發(fā)生偏差后， 及時(shí)調(diào)整千斤頂位置， 使頂管兩側(cè)頂力不均衡， 從而起到管道糾偏的作用， 在頂進(jìn)過程中應(yīng)逐漸調(diào)整， 不得一次調(diào)整到位， 防治糾偏過大； 3） 采用不同的頂進(jìn)控制系統(tǒng)， 通過控制液壓的方式產(chǎn)生力矩來進(jìn)行糾偏； 4） 軸線， 高程控制， 導(dǎo)軌必須按照規(guī)范及方案進(jìn)行安裝， 必須安裝牢固，不得發(fā)生水平位移和沉降， 兩側(cè)采用鋼筋進(jìn)行固定；每次頂進(jìn)前要作觀測記錄， 詳細(xì)記錄位移、 高程，發(fā)生偏差后立即進(jìn)行調(diào)整， 一旦發(fā)現(xiàn)有偏差， 及時(shí)進(jìn)行處理或在下一循環(huán)鉆進(jìn)過程中進(jìn)行調(diào)整， 糾偏作業(yè)可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定方案， 結(jié)果必須符合規(guī)范要求； 5） 坡度控制， 管道頂進(jìn)坡度需在導(dǎo)軌安裝時(shí)做好調(diào)整， 導(dǎo)軌坡率應(yīng)與頂進(jìn)管道設(shè)計(jì)坡率保持一致， 在頂進(jìn)工作坑內(nèi)固定兩個(gè)觀測點(diǎn)， 隨時(shí)進(jìn)行校正， 正負(fù)高差不得大于1.0cm。

2.2.6 管道接口防水

由于本工程頂進(jìn)套管內(nèi)側(cè)為污水管道， 外側(cè)為引黃濟(jì)青暗渠， 根據(jù)產(chǎn)權(quán)單位意見， 必須保證套管的防水質(zhì)量， 頂進(jìn)套管接口處設(shè)有預(yù)埋鋼板， 在施工過程中需要進(jìn)行有效連接。

管道接口需在管道對接前采用強(qiáng)力膠將遇水膨脹止水條粘貼在待頂進(jìn)混凝土管管口上， 止水圈應(yīng)放置于管壁厚中間偏外位置， 利用千斤頂頂力將其壓實(shí)， 在頂進(jìn)完成后管口接縫再用環(huán)氧樹脂砂漿勾縫填充密實(shí)， 防止?jié)B水。 為防止管道在頂進(jìn)過程中發(fā)生錯(cuò)口， 需要在管道兩側(cè)接口處設(shè)置鋼內(nèi)脹圈。同時(shí)為防止頂管施工完成后引黃濟(jì)青暗渠發(fā)生沉降，在頂管靠近管口位置預(yù)留直徑3.0cm的壓漿口， 每圈4 個(gè)， 均勻布置。 以便在在管道頂進(jìn)完成后對管道外側(cè)空隙進(jìn)行壓漿， 使頂進(jìn)套管與周圍巖體之間密實(shí)無空隙， 減少滲水同時(shí)防止管頂沉降。

2.2.7 管周注漿

管道頂進(jìn)完成后立即進(jìn)行水泥壓漿， 通過管口處的預(yù)留壓漿孔壓注水泥漿， 要求水泥漿注滿套管與外側(cè)巖壁之間的空隙， 起到防止?jié)B漏、 固定管道和預(yù)防頂部沉降的作用。 壓漿材料選用32.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥， 水泥漿配合比根據(jù)試驗(yàn)確定， 要保障水泥漿的流動(dòng)性， 減少初凝時(shí)間， 以便起到及時(shí)固結(jié)的作用， 可適當(dāng)選擇摻合料。 水泥漿液采用攪拌機(jī)現(xiàn)場拌制， 每次拌和的水泥漿液及時(shí)使用， 壓漿從中間向兩端進(jìn)行， 壓漿孔縱向間隔2m， 橫向間隔約1m。 壓漿壓力不小于0.5MPa， 過程中要多次重復(fù)壓漿， 施工中隨時(shí)注意觀察注漿壓力、 相鄰壓漿孔及端頭出漿情況， 以管壁周邊縫隙注滿為準(zhǔn)， 水泥漿液從兩端流出時(shí)， 及時(shí)進(jìn)行端頭封堵。

3 水鉆掘進(jìn)的優(yōu)勢

經(jīng)過現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)， 采用水鉆掘進(jìn)平均每天可進(jìn)尺2m， 13d 完成全部頂進(jìn)施工， 在施工過程中未發(fā)生任何安全、 質(zhì)量問題。 某單位在榮海四路南側(cè)施工，距離本項(xiàng)目約560m， 地質(zhì)條件基本一致， 由于污水管道橫穿城市主干道， 為不中斷交通， 采用非開挖人工掘進(jìn)施工， 由于巖石硬度抬高， 在施工后進(jìn)度緩慢， 平均每天不足1m， 嚴(yán)重影響工期， 后同樣改為水鉆施工， 通過綜合對比后發(fā)現(xiàn)， 水鉆掘進(jìn)比人工掘進(jìn)在中風(fēng)化巖層中減少成本30%以上。

通過對比發(fā)現(xiàn)， 水鉆施工與其他巖石頂管施工工藝相比， 其主要優(yōu)點(diǎn)就是技術(shù)成熟、 頂進(jìn)速度較快、 簡便易于操作、 成洞質(zhì)量好、 安全環(huán)保、 對管材的損壞較小。 由于受制約因素較少， 可以縮短施工工期； 工藝相對成熟、 設(shè)備簡單、 單位時(shí)間效率高， 降低了成本， 提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

通過對比發(fā)現(xiàn)， 在頂管施工過程中， 人工掘進(jìn)遇到中風(fēng)化及以上硬度較高的巖層時(shí)， 施工難度會(huì)明顯增加， 對于工期要求比較緊的項(xiàng)目會(huì)很難滿足要求。 采用水鉆法頂進(jìn)施工工藝， 能較好得解決人工掘進(jìn)巖石過程中遇到的風(fēng)險(xiǎn)， 提高施工效率。 對施工沿線房屋、 路面、 既有管線等均不造成影響，在確保施工安全質(zhì)量的同時(shí)能夠更好得創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。