強風化巖層中手掘式頂管施工技術的應用實踐

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，在國內已得到廣泛的應用，當其運用到強風化巖石地質中時，同樣具有一定的優勢。本文以施工案例為基礎，結合現場實際，通過方案的比選、現場具體情況的分析，對巖層手掘式頂管的優勢所在、施工關鍵技術等方面做了簡單的歸納和總結。

【關鍵詞】手掘式頂管；施工技術；巖質變化

1. 工程概況及工程地質條件

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

按底層巖性及物理學指標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、粉質粘土為主，全場分布，厚0.6 m～4.80 m；②層 粉質粘土 第四系上（晚）更新統沖擊物。黃褐色，可塑狀，無異味，干強度中等、韌性中等。厚度較均勻，平均厚度3.23 m；③-1 強風化砂巖 白堊紀沉積巖（K2），棕紅色，巖芯成塊狀，易碎，強風化，干鉆不易鉆進，巖石質量差。平均厚度2.79 m；③-2中風化砂巖與泥巖互層 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，結構部分破壞，風化裂隙弱發育，泥、鈣質膠結，中等風化，巖石質量較差，全場分布，本次勘察為揭穿此層，最大揭露厚度為8.2 m。④勘察范圍內未測得地下水。

在實際施工后發現管道所在區域，除以棕紅色強風化砂巖為主外，還有不少區域是中風化巖石，其堅硬程度遠大于勘察數據表明的結果，給實際施工增加了難度。

2. 施工方案比選

由于現場地貌為山區丘嶺地帶，地面高程起伏大，整條污水干管縱坡向下，導致W56#——排放口段的管道埋深多大于10 m，最深處W59#工作井，達到16 m。通過方案比較，可發現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，完工后原狀恢復等工作量大，成本投入高，本工程采用手掘式頂管施工優勢明顯。

3. 手掘式頂管施工關鍵技術

本工程頂管總長517 m，最大作業區間為130 m，共有3座工作井，2座接收井，1座入江排放口。總體工期安排下，頂管作業又主要處在強、中風化巖層中，頂進生產能力受到一定制約，施工的任務重、難度大、工作強度高。

3.1 工作井、接收井施工

以W56#——W57#段為例，頂管由W56#頂進，W57#接收，頂進長度85 m。井內通電用于基坑內施工降排水作業。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壁施工方法，分為高4m、直徑7.2m和高5m、直徑6.4m上下兩個節段施工，井壁及封底厚度均為40 cm，采用C25商品混凝土現澆；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，采用的是預制砼井沉井施工方法。

3.2 掘土及外運

根據土質勘察結果，強風化砂巖層質量差、易碎，使用W2.85/5型空氣壓縮機配備特鋼六角風鎬釬的風鎬槍，進行破巖掘進。管道內水平運輸采用手推斗車，垂直運輸采用導軌式行車吊架，將掘出的巖土外運。

頂管頂力計算

頂管管節埋設深度的范圍土質穩定，管前挖土有成拱效應，遂采取先挖后頂的施工方法。

頂管頂力的經驗計算公式：P=n×P0

其中：P——總頂力；

n——土質系數，土質為粉質粘土及粘土夾礫石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，每節管長2.5m，自重3.3t，共需頂進34節。

34節管道自重 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測因素，頂管設備采取1.5倍左右的儲備能力，頂進設備頂力應為336.6 t，取設備總頂力F=336.6 t，選用2臺200 t頂進油缸作為頂進動力設備。

3.3 頂進方向控制

在頂進過程中，使用BOIF/DJJ2-2 激光經緯儀（2秒級）進行方向控制，當激光經緯儀提供的直線光束射進管道中時，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，超過允許偏差時應采用挖土糾偏法、千斤頂校正法等。

3.4 糾偏措施

管頭進入土層過程中，每頂0.3 m進行一次方向控制測量；管道進入土層后正常頂進時，每1.0 m測量一次。一旦管道發生偏離，即采取糾偏措施，糾偏時增加測量次數。偏差在10～20mm，采用挖土糾偏法，即在偏向的反側適當超挖，在偏向側不超挖并留坎，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，此時若超挖糾偏不起作用時，采用千斤頂糾偏法，用小型千斤頂頂在管端偏向的反側內管壁上，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. 巖質變化采取的措施

在第1節中提到，本工程實際施工中發現管道頂進存在較大段中風化巖，原先所采用的風鎬槍根本無法頂靠在巖石上，掘進時槍頭在巖面上時不斷跑偏，無法持續作用于一點，掘進工作一度進入停滯狀態。根據實際狀況，擬出以下三個方案：

方案一 采用靜態膨脹炸藥，在巖面上打孔后，填塞入定量靜態膨脹炸藥，通過炸藥的膨脹作用破壞周圍巖體完整性，但在實際操作中發現巖層整體性不高，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反應過程，效率上有所下降。

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

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

最終確定以方案三為主要掘進方案，局部段落以方案二為輔助措施。

5. 結語

通過本工程的施工實例，對手掘式頂管在強風化、中風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、長距離頂管設置中繼間等施工技術措施以及在不同土質中所采取的頂進機械設備和處理辦法，并未在本工程中得到充分運用，還需在今后的工程實踐中進一步學習，積累更多的經驗。