突遇灰?guī)r層大口徑頂管靜爆施工關(guān)鍵技術(shù)研究*

吳銀寶,陳 丹,易 帥

(中交第二航務工程局有限公司第六工程分公司,湖北 武漢 430000)

0 引言

近年來,隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展,新管道的開挖鋪設(shè)、老管道的修復更換工程日趨增多,頂管施工技術(shù)的應用越來越廣泛,施工所處地層環(huán)境復雜,施工過程中遇到的地質(zhì)問題尤為突出[1-3]。

新建下善湖至柱木湖頂管工程施工期間,原設(shè)計穿越軟巖、土層頂管進入灰?guī)r層后,施工面臨進尺困難、管節(jié)劣化問題,由于頂管內(nèi)作業(yè)空間受限,現(xiàn)場無法采用鉆爆、人工風鎬等輔助破巖措施,開槽、更換頂管機作業(yè)成本大且不滿足工期要求,現(xiàn)場鉆孔取巖處治收效甚微。為解決項目頂管穿越灰?guī)r層施工難題,研究采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗及工程實測的研究手段,對既有條件下破巖困難、管節(jié)劣化問題進行分析,探究破碎劑靜態(tài)爆破工藝輔助破巖技術(shù)參數(shù),總結(jié)大口徑頂管快速安全穿越上侵灰?guī)r層施工關(guān)鍵技術(shù),以保障頂管穿越巖層施工質(zhì)量和安全,滿足工期要求。

1 工程概況

本項目下善湖至柱木湖頂管段起始樁號為0+439.59—0+814.59,總長375 m,采用PCCP管雙線頂管,直徑3 000 mm(內(nèi)徑),壁厚300 mm,設(shè)計縱坡1/2 000,管底高程17.260～17.220 m,地面高程24.500～34.960 m,最大埋深17.7m。依據(jù)前期地勘資料顯示,頂管穿越含角礫黏土、粉砂質(zhì)泥巖(飽和抗壓強度5.24～6.62 MPa),下伏圍巖為灰?guī)r(飽和抗壓強度38.7～49.2 MPa),無地下水發(fā)育。

依據(jù)前期地勘資料和施工設(shè)計圖,項目頂管施工采用泥水平衡法,配置NPD3000泥水平衡頂管機出土,連續(xù)管節(jié)頂進,合理的泥水管理系統(tǒng)保證開挖面平衡,管節(jié)外壁利用減摩泥漿減小系統(tǒng)頂力,根據(jù)設(shè)計計算合理設(shè)置中繼間,通過監(jiān)控量測保證隧道軸線和高程。

2 施工常見問題分析

施工過程中,頂管鉆進至0+560斷面后破巖頂進施工工效明顯降低,現(xiàn)場進尺、出渣逐漸困難;同時,頂進過程中已安裝管節(jié)出現(xiàn)明顯環(huán)向裂縫發(fā)育,且存在進一步劣化趨勢,如圖1,2所示。在確?，F(xiàn)場安全的前提下,現(xiàn)場開倉后觀測斷面發(fā)現(xiàn)出露有大面積巖層,取樣后初步判定為原地勘揭示的頂管下伏灰?guī)r(飽和抗壓強度39.1 MPa),經(jīng)補勘后確定下伏灰?guī)r層受構(gòu)造作用上侵頂管作業(yè)區(qū)約38 m,既有施工條件難以繼續(xù)完成頂管施工任務,如圖3所示。

圖1 現(xiàn)場斷面及取樣檢測示意Fig.1 Field section and sampling detection

圖2 現(xiàn)場管節(jié)環(huán)向裂縫發(fā)育示意Fig.2 Development of circumferential cracks in field pipe joints

圖3 工程地質(zhì)剖面示意(補勘)Fig.3 Engineering geological section diagram (supplementary survey)

由于前期地勘誤差,選型頂管機突遇上侵灰?guī)r層后破巖困難,繼續(xù)施工存在設(shè)備損壞風險,現(xiàn)場考察頂管內(nèi)不具備刀盤優(yōu)化、人工或機械破巖條件,更換頂管機成本較大,經(jīng)研究分析提出地表鉆孔取巖回填碎石土工藝,調(diào)用旋挖鉆機采用80 cm筒鉆沿地表頂管中線間隔2.0 m鉆孔取巖,取巖深度依據(jù)地表標高、頂管標高確定為10～13 m,施工過程嚴格控制超深。

但施工后發(fā)現(xiàn)頂管推進一段后繼續(xù)進尺成效較低,頂進管節(jié)裂縫依舊存在進一步劣化趨勢,處治措施未取得較好的應用效果,需進一步分析研究。

3 技術(shù)難點分析

3.1 掘進破巖困難

為探究破巖困難的問題,研究在確保安全的前提下,在鉆孔破巖期間利用頂管機人倉進入作業(yè)面觀測斷面情況。觀測顯示,斷面內(nèi)未見滲水,巖面節(jié)理發(fā)育不明顯,破碎巖塊向鉆孔位置集中且塊體較大呈堆積態(tài),頂管邊線處巖塊成鋸齒狀且光圓度極差。

結(jié)合現(xiàn)場條件分析認為,地表鉆孔常用于突遇孤石情況,在本項目應用雖有效增加了破巖自由面、減少了破巖面積,但由于機頭刀盤破巖能力弱、巖面完整性較好,無法達到較好的破碎效果,更難以對邊線巖塊進行有效處理,在泥漿帶走部分巖渣后,遺留的較大巖塊堆積擠壓邊線鋸齒形巖塊,造成施工困難。另一方面,大口徑頂管條件下,現(xiàn)場含角礫黏土自穩(wěn)性不足,繼續(xù)增大孔徑既不利于鉆孔、回填質(zhì)量和安全控制,也加大了銜接泥水平衡頂管機作業(yè)的難度。

3.2 頂進管節(jié)劣化

3.2.1理論分析

查閱過往文獻[4-6]發(fā)現(xiàn),頂進荷載下管節(jié)內(nèi)外層混凝土受力后均會出現(xiàn)偏心情況,受偏心荷載的影響,斷面內(nèi)應力向局部轉(zhuǎn)移,導致管節(jié)混凝土局部應力集中,而位于管節(jié)內(nèi)壁側(cè)端部的混凝土較為薄弱,極易受偏心荷載作用發(fā)育環(huán)向裂縫。

結(jié)合破巖現(xiàn)狀研究認為,管節(jié)在頂管遇到灰?guī)r層后出現(xiàn)劣化情況,邊線鋸齒狀巖塊致使前端管節(jié)迎頭阻力、沿程阻力提升,應力偏移集中至管節(jié)保護層混凝土一側(cè)后沿薄弱面開裂,如圖4所示。

圖4 管節(jié)保護層混凝土薄弱處示意Fig.4 The weak part of protective layer concrete of pipe section

3.2.2模擬論證

為進一步論證管節(jié)的破壞規(guī)律,采用MIDAS-GTS數(shù)值模擬軟件模擬頂管頂進工況,分析探明管壁開裂原因。依據(jù)現(xiàn)場施工條件、管節(jié)裂縫發(fā)育情況,選取首先出現(xiàn)管節(jié)裂縫的管節(jié)段進行模擬分析,前后共選取3段管節(jié)建模計算。

PCCP為預應力鋼筒混凝土結(jié)構(gòu),外層混凝土保護層附有直徑6 mm預應力鋼絲,管節(jié)按照設(shè)計同尺寸簡化為Q235B與C50混凝土結(jié)構(gòu)模型,管節(jié)所在地層為黏土及粉砂質(zhì)泥巖,相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 管節(jié)所在地層參數(shù)Table 1 Stratum parameters of pipe section

荷載組合形式如下:標準組合=恒荷載+活荷載;基本組合=1.27∑恒荷載+1.4∑活荷載。

以上組合中,標準組合用來評價剛度及穩(wěn)定性指標,基本組合用來評價結(jié)構(gòu)強度指標。依據(jù)現(xiàn)場條件,不考慮地下水荷載作用,計算荷載參數(shù)如表2所示。

表2 計算荷載參數(shù)Table 2 Calculated load parameters

依據(jù)現(xiàn)場施工情況,模型分別對穿越上侵灰?guī)r層前、后的頂進工況進行分析,建立3節(jié)頂管管節(jié)模型,1～2節(jié)頂管中部底部水平x和y方向約束,進洞內(nèi)管節(jié)周身與土壤彈性連接,管節(jié)之間進行接觸設(shè)置,如圖5所示。

圖5 頂管3節(jié)段整體模型Fig.5 Three-segment overall model of pipe jacking

按照進入灰?guī)r層前頂力進行穿越土層作業(yè)模擬計算,構(gòu)件(管芯鋼筒結(jié)構(gòu)Q235B)最大組合應力為σmax=12.9 MPa<205 MPa;構(gòu)件(管芯混凝土結(jié)構(gòu)C50)拉應力σmax=1.62 MPa<1.89 MPa(C50),壓應力σmax=2.0 MPa<23.1 MPa(C50),此時管節(jié)各構(gòu)件荷載滿足材料允許荷載,管節(jié)頂進施工質(zhì)量良好,應力集中主要出現(xiàn)在管節(jié)底部。

按照進入灰?guī)r層后頂力進行穿越土層作業(yè)模擬計算,構(gòu)件(管芯鋼筒結(jié)構(gòu)Q235B)最大組合應力為σmax=14.0 MPa<205 MPa;構(gòu)件(管芯混凝土結(jié)構(gòu)C50)拉應力σmax=1.989 MPa>1.89 MPa(C50),壓應力σmax=5.14 MPa<23.1 MPa(C50),此時管節(jié)管芯混凝土拉應力不滿足材料允許值,頂管管節(jié)內(nèi)壁下方保護層混凝土出現(xiàn)局部裂紋,模型模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際情況相符。研究表明,穿越不良地質(zhì)條件所需頂力的提升,是導致管節(jié)環(huán)向裂縫發(fā)育的主要因素。

過往研究認為[5],管節(jié)非貫穿環(huán)向裂縫會嚴重影響管材的抗腐蝕性、耐久性,不會明顯降低PCCP管道的承載力,但若持續(xù)劣化形成貫穿裂縫后,將會明顯降低PCCP管道的承載力,引發(fā)嚴重的工程事故。

4 靜爆破巖技術(shù)研究

上述分析顯示,為保障施工安全、質(zhì)量,控制成本,亟需采取高效安全的破巖工藝輔助施工,以提高破巖級配與邊線光圓度。通過查閱文獻[7-10],依據(jù)過往施工經(jīng)驗及現(xiàn)場條件,研究提出采用由地表鉆孔至頂管巖層作業(yè)區(qū),裝藥破碎劑輔助破巖作業(yè),在利用其操作便捷、擾動小優(yōu)勢的同時,進一步優(yōu)化技術(shù)參數(shù)以達到較好破巖效果。

4.1 試驗研究

4.1.1試驗原則

為保障破巖工效,研究選取70 mm孔徑破碎劑材料,由專業(yè)廠家特制后采用現(xiàn)場試驗的方式確定藥劑可行性及裝藥布孔參數(shù)。試驗主要以研究裝藥時間、藥孔間距、最小抵抗線參數(shù)為主,同時收集現(xiàn)場操作細部數(shù)據(jù)用于施工組織設(shè)計。

4.1.2現(xiàn)場試驗

設(shè)計采用近似巖層強度的C30混凝土樁頭作為破裂主體,樁頭直徑約1.2～2.0 m、長度1.0～2.0 m、新鮮斷面強度約32～40 MPa。設(shè)計進行4組試驗,采用空孔、臨空面作為自由面,其中A組試驗為操作可行性試驗,旨在確定裝藥操作時間可行性;B,C組采用常規(guī)布孔形式,藥孔間距、最小抵抗線參考廠家經(jīng)驗參數(shù)呈梯度變化。為確保試驗成效,A,B組設(shè)計進行兩次以上試驗,C,D組設(shè)計進行兩次以上試驗,如表3所示。

表3 試驗設(shè)計參數(shù)Table 3 Test design parameters

4.1.3試驗分析

通過總結(jié)對比各組破巖效果,得到試驗結(jié)論如下。

1)裝藥時間緊,裝藥工藝需優(yōu)化

現(xiàn)場采用兩人一組進行拌合裝藥,拌合、倒入工序總用時6min,平均單個孔用時3.0min,藥劑要求裝藥時間不超過30min,后期單次作業(yè)裝藥時間僅滿足10孔,不足以進行單次大面積施工。后期施工時,應采用多分組、分區(qū)段組織施工。相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 4 Relevant statistics

2)最小抵抗線50 cm、孔間距50 cm,破巖時長約12 h

通過破巖效果的對比,試驗布孔參數(shù)均在設(shè)計范圍內(nèi),均可以達到裂開巖石的效果,抵抗線為40 cm時的混凝土較先起裂,但破碎劑有明顯部分膨脹力未得到釋放,在破巖后體積有進一步增大的趨勢?，F(xiàn)場試驗于上午8:27完成裝藥,16:27分觀察現(xiàn)場裂巖作業(yè)面均已出現(xiàn)裂巖,18:27觀測部分現(xiàn)場裂巖工作面進一步裂巖變化,21:27觀測現(xiàn)場裂巖工作面未進一步裂巖變化,第2天上午8:27觀測現(xiàn)場巖面裂巖完成,破巖作業(yè)時間取12 h。

4.2 方案設(shè)計

4.2.1破碎劑破巖

依據(jù)藥劑指導說明、試驗情況、現(xiàn)場施工條件及過往研究基礎(chǔ),提出由地表鉆孔至頂管前部灰?guī)r區(qū),藥孔距離旋挖鉆孔邊線45～50 cm,孔徑70 mm,采用螺桿鉆機施工。旋挖鉆設(shè)雙排鉆孔,孔徑80 cm,間距2.0 m,孔深以深入頂管頂標高以下3 m為準,沿頂管中線對稱分布。

依據(jù)前期施工情況及現(xiàn)場條件,灰?guī)r層傾斜上侵至作業(yè)區(qū),破碎劑破巖主要針對斷面全巖層情況布孔,設(shè)計地表布孔范圍為3 640 mm×17 077 mm、孔數(shù)為37×3,最小抵抗線控制在450～500 mm,裝藥長度1 100～3 640 mm,孔深以頂管頂標高為基準深入2 415～3 640 mm,裝藥后現(xiàn)場采用黏土直接填塞。進入斷面局部灰?guī)r后,依據(jù)前期處治施工情況,考慮到斷面存在逐步增大的軟弱黏土層,雙排鉆孔取巖后遺留巖層面積相對較小,可直接由頂管機繼續(xù)頂進施工,但需加強糾偏管理。破碎劑輔助區(qū)段斷面布孔如圖6所示。

圖6 破碎劑輔助區(qū)段斷面布孔示意Fig.6 The hole arrangement in the auxiliary section of crushing agent

4.2.2注漿優(yōu)化

考慮到破巖作業(yè)超挖情況,現(xiàn)場需加強機頭注漿壓力、注漿濃度抵抗孔隙卸荷壓力,利用成型厚層泥皮進一步弱化巖壁摩阻力。同時,設(shè)計施工后在地表對破巖區(qū)段采用分層填筑壓實60 cm黏土的方式,加固施工區(qū)段松散地表,并在施工期間做好周圍建(構(gòu))筑物沉降監(jiān)測。

4.3 關(guān)鍵工序及施工組織

依據(jù)現(xiàn)場施工條件確定施工步驟為:作業(yè)區(qū)測量放樣→旋挖鉆孔放樣→旋挖鉆鉆孔(干孔)→驗孔后回填碎石土、黏土→藥孔放樣及劃分作業(yè)區(qū)→螺桿鉆鉆孔→分區(qū)分組拌合裝藥、回填黏土→靜置12 h→頂管掘進、管節(jié)安裝。其中拌合、裝藥為施工關(guān)鍵工序,需在30 min內(nèi)完成,現(xiàn)場需采用多組配合操作,避免破碎劑失效;裝藥深度較大,藥劑需借助4 m一節(jié)的PVC導管入孔裝藥,確保裝藥質(zhì)量。依據(jù)設(shè)計及施工要求,確定現(xiàn)場施工組織及裝藥參數(shù)如表5所示。

表5 施工組織及裝藥參數(shù)Table 5 Construction organization and charge parameters

5 穿越灰?guī)r層頂管施工關(guān)鍵技術(shù)

5.1 鉆孔施工

旋挖鉆、螺桿鉆均采用常用鉆孔工藝施工,旋挖鉆依據(jù)測量放樣樁位點下設(shè)2.0 m左右護筒后,按照設(shè)計孔深干法鉆孔,進入巖層后利用筒鉆取巖,每次取巖深度不超過50cm,鉆至孔底后采用挖機回填碎石土、黏土至護筒底標高,拔出護筒后繼續(xù)回填至原地表;螺桿鉆利用鉆桿標識鉆孔深度,施工過程中加強孔深控制。

5.2 拌合、裝藥

為保障裝藥安全,現(xiàn)場分4個區(qū)段逐步向頂管進尺方向推進,每區(qū)段分3組操作,分別負責中、邊線藥孔拌合、裝藥、回填作業(yè)。施工前依據(jù)設(shè)計計算,預先裝袋5.1,16.2 kg破碎劑與1.7,5.4 L水,將60 mm PVC串筒事先放置在孔內(nèi);施工期間單個作業(yè)區(qū)30孔分3組分別進行中、邊線孔作業(yè),單組設(shè)3人,拌合裝藥2人、抽出串筒并回填黏土1人。操作人員按要求佩戴安全防護用品,為避免溫度影響,施工時段選擇在上午8:00—8:30。

5.3 注漿控制

設(shè)計采用機尾同步注漿、沿線壁后補漿的工藝,同步注漿將頂管機與前3段管節(jié)建立泥漿套,采用PLC、電動注漿閥控制,頂管機頭后部同步注漿配備自動注漿系統(tǒng);壁后補漿通過補漿總管壓送接力泥漿箱內(nèi)泥漿到各補漿斷面支管,補漿斷面間距取3管節(jié)布置1環(huán),灰?guī)r段每管節(jié)布置1環(huán),如表6所示。

表6 注漿壓力控制Table 6 Grouting pressure control

5.4 頂進糾偏

頂管機機頭掘進速度保持不超過10 mm/min平穩(wěn)推進,按操作規(guī)程控制好掘進偏差,考慮到超挖斷面存在下沉的情況,根據(jù)頂管機姿態(tài)測量結(jié)果,施工可逐漸將頂管機姿態(tài)抬高20～30 mm。管節(jié)頂進施工時,測量頂管水平軸線、高程等參數(shù),頂管機頭的方向偏差超過10mm,即應采用糾偏千斤頂進行糾偏,保證頂管機姿態(tài)準確。

5.5 監(jiān)控量測

考慮到施工涉及地表鉆孔、地下破巖作業(yè),為避免對周邊建(構(gòu))筑物影響,現(xiàn)場對頂管作業(yè)區(qū)周圍存在的橋墩、始發(fā)井區(qū)域進行監(jiān)測,現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)顯示施工未擾動周邊建(構(gòu))筑物,破巖區(qū)段地表受前期場平及施工影響,山體植被、地層有明顯破壞,采用分層回填60 cm黏土、耕植土恢復原地貌。

6 應用效果

研究成果于2022年9月在現(xiàn)場實施,穿越灰?guī)r層段施工周期約26天,頂管機繼續(xù)進行后續(xù)穿越泥巖、含角礫黏土層施工,現(xiàn)場采用環(huán)氧樹脂修復管節(jié)已有環(huán)向裂隙后,施工過程中管節(jié)未進一步劣化。研究成果相比于開槽、更換頂管機施工大大節(jié)省了工程資源,有效解決了頂管施工期間優(yōu)質(zhì)高效安全穿越突遇灰?guī)r層施工難題。

7 結(jié)語

1)穿越軟巖、土層頂管突遇上侵中硬巖層施工時,已安裝管節(jié)受頂力提升、偏心加載影響,頂進端保護層混凝土極易發(fā)育環(huán)向裂縫,并在進一步劣化后將引發(fā)質(zhì)量、安全事故。

2)地表鉆孔取巖具有一定的破巖效果,但對大口徑頂管斷面邊線光圓度、破巖級配的控制仍顯不足,研究設(shè)計沿中線對稱分布雙排直徑80 cm旋挖孔,配合3排等間距50cm、最小抵抗線45～50 cm布設(shè)的直徑70 mm破碎劑藥孔,采用鉆孔回填后分區(qū)分組拌合裝藥工藝,可有效破碎頂管作業(yè)區(qū)灰?guī)r層。

3)地質(zhì)條件不確定一直是巖土工程施工的難題,研究總結(jié)形成了大口徑頂管突遇灰?guī)r層靜爆施工關(guān)鍵技術(shù),在因地質(zhì)變化導致的原軟巖、土層頂管機穿越中硬巖施工項目中,具有較高的參考價值。