提高手掘式頂管管前堅硬巖體鑿挖施工效率的一種方法

王瑞杰, 馬晨祥, 方 程, 周忠偉

((湖北省地質局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056)

提高手掘式頂管管前堅硬巖體鑿挖施工效率的一種方法

王瑞杰, 馬晨祥, 方 程, 周忠偉

((湖北省地質局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056)

在分析堅硬巖層特點的基礎上,通過降低管前巖體綜合抵抗強度,使手掘式頂管施工由傳統的操作模式“開挖—頂進”改為新的操作模式“劈裂—鑿挖—頂進”,提高巖體鑿挖施工效率,使得手掘式頂管在堅硬巖地層中施工取得了較好的效益。

手掘式頂管;堅硬巖;施工效率;工藝

普通的手掘式頂管主要是采用鍬、鎬和沖擊錘等非機械的人工破碎掘進面的方法實施頂進施工的[1]。一般情況下,頂管地層穩定性的增強,普遍是由地層巖性變化引起的,隨之巖體的強度、硬度和剛度也會變大,從而造成巖體鑿挖施工效率降低,由此而影響頂管施工效率,甚至影響到成本、工期等目標管理控制。因此,如何提高手掘式頂管管前堅硬巖體鑿挖施工效率顯得尤為重要。本文通過工程實例,探索了劈裂式鑿巖方法,提高了施工效率。

1 工程概況

1.1 工程簡述

本工程為松滋市臨港工業園排污管道工程項目的子工程,位于湖北省松滋市臨港工業園園區內,屬于臨港工業園主排污工程的干管項目,管徑為DN1200 mm,全長502 m,井位編號為W28、W29、W56、W57、W58、W59、W60和長江排放口。由于W56至長江排放口區間段管道埋設較深,途徑居民區、紅東公路(S254省道)及小山,且軸線大部在石英巖、強風化砂巖中穿越,部分在中風化砂巖與泥巖互層中穿越,不便于開槽法埋管施工,經相關部門多次專題研究討論,決定采用普通手掘式頂管工法施工,采用F型DRCPⅢ1 200×2 000管道[2]。

1.2 場地工程地質條件

地層根據巖性及物理力學指標與特性劃分,可細分為三大層、四小層。各土層分布特性描述如下:

① 層雜填土,人工堆積土(Qml),雜色,濕,松散,成分主要以建筑垃圾、礫卵石、粉質粘土為主,局部表面為水泥地坪。成分不均,均勻性差,堆填時間不一致。全場分布,厚0.60～4.80 m,平均2.76 m。

③-1強風化砂巖,白堊系沉積巖(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。主要分布于W57#、W58#、W59#和W60#四個井位區域和W57#-W58#-W59#區間段,厚度不均勻,厚2.20～3.90 m,平均2.79 m。

③-2中等風化砂巖與泥巖互層,白堊系沉積巖(K2),棕紅色,W59#-W60#江邊排放口區段該層主要以泥巖為主,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,本次勘察未揭穿此層,最大揭露厚度為8.20 m。

由現場勘察得知,頂管場區內地下水豐富。

2 普通手掘式頂管的不足

2.1 地層界定

當W58#工作井于2011年8月份施工至頂管軸線標高層位處,巖性發生變化,巖石強度高、硬度大,豎硐施工難度大。為掌握巖層強度數據,項目總承包單位于2011年9月5日見證取樣委托某試驗檢測公司對巖石進行強度檢測,6個試件單軸飽和抗壓強度最高92.6 MPa、最低55.2 MPa,檢測結果平均抗壓強度為66.2 MPa。依據巖石分類表(GB 50021—2001)對巖石進行類別界定,確定地層巖石為堅硬巖[3]。

2.2 存在的問題

工作井制作完畢后,頂管施工班組于2011年11月20日開始進行W58#-W59#的頂進工作,主要采用設備有鍬、鎬和沖擊錘等。通過現場踏勘進一步得知,勘察資料與實際頂管施工地層不符,現場通過對頂管掘進面及出渣巖石情況分析得出,頂管掘進面巖性與工作井施工時一致,巖石為石英巖,屬于堅硬巖地層,呈全斷面分布(圖1)。

圖1 W58#-W59#頂管掘進面石英巖地層Fig.1 The quartzite layer on pipe heading face at W58# to W59#

針對石英巖地層,普通的手掘式頂管使用風鎬直接破碎巖石。由于巖層較硬,風鎬施工中巖體破裂難度很大,巖石錘擊聲音很脆,有回彈且震手,沖擊錘鑿擊偶有火花現象出現,巖石浸水后,無吸水反應,施工難度很大。自2011年11月20日開始至2012年1月13日,共計55 d,采用普通手掘式頂管施工(24 h不間斷施工),累計掘進25 m,平均頂速為0.45 m/d,施工效率極其低下,故施工停止,必須研究尋找科學有利的施工方法。經綜合分析確認,造成施工效率低下問題的主要原因是普通手掘式頂管施工法在堅硬巖地層條件下頂管施工的適用性不強、鑿巖效果不明顯,施工難度很大,最終導致施工效率低下、成本無形增加,嚴重時會影響包括成本目標和工期目標在內的其它合同目標地有效控制和順利完成,故必須對施工方法進行探索式改進或改良。

2.3 原因分析

石英巖是一種變質巖(石英巖含量>85%),主要是由石英砂巖及硅質巖經變質作用形成的,具有獨特的晶體結構,其顆粒細膩、結構緊密,密實度高;同時,其具有大的強度、硬度和剛度,但質地較脆,容易斷裂。

當風鎬鎬釬在錘體往復沖擊作用于石英巖體時,巖體受到的是一個點力,作用點的壓強很大。但由于巖體的強度高、硬度大、剛度強、密實度高,且掘進面呈全斷面分布,巖體周圍無裂隙,沒有巖體開裂運動所需的空間。因此,巖體的綜合抵抗強度很高。

鑒于以上設備及對巖性的理論分析可以得出,在鎬釬作用下,即使在巖體上的鎬釬作用點能產生很大的壓強,但由于巖體的綜合抵抗強度很高,巖體也不可能被大范圍的裂隙松動甚至鑿除,相反被破壞的只是短裂或呈小型碎屑狀的石渣,甚至是呈粉末狀的石粉,這就是造成普通手掘式頂管管前堅硬巖體鑿挖施工效率低的根本性原因。

3 巖體鑿挖方法的完善及改進

3.1 思路及對策

由以上分析得知,造成普通手掘式頂管管前堅硬巖體鑿挖施工效率低的根本性原因是巖體的綜合抵抗強度高。因此,解決此問題的首要關鍵點就是降低巖體的綜合抵抗強度。

經分析得知,堅硬巖巖體的綜合抵抗強度是包括其強度、硬度和剛度在內的一系列內在和外在因素綜合影響的結果。實際施工中,巖體的外在環境無法改變,只能從內在因素尋找突破口。巖體的強度和硬度是由巖體本身內在的晶體結構等決定的,無法采用物理的方法進行降低,而剛度是呈全斷面分布的巖體的整體屬性,只要選擇方法得當,是完全可以通過物理的方法進行降低的。

巖石特別是堅硬巖,具有極高的外部抗壓強度,而從內部自內向外的抗拉強度相對很小,經驗認為,抗壓與抗拉強度的比值為100∶2～100∶10,處于脆性狀態。實際施工中,筆者利用巖石呈脆性的特點,使用電動巖石分裂機(劈裂器)對巖體進行分裂松動,從而降低其整體剛度。劈裂器是利用楔塊原理來設計的,在工作時其分裂槍端部楔塊(圖2)在狹窄的孔洞中向外能夠釋放出極大的分裂力,在數秒鐘內可完成分裂過程,并且可連續無間斷地工作,效率高。經過理論分析和反復論證后,決定利用手持式鑿巖機通過在頂管掘進面上鉆進一定直徑和深度的孔洞來制造巖體開裂運動所需的空間(破裂空隙,圖3),同時,利用孔洞將整體大巖體劃分成了若干小型巖體后也達到了利于施工的目的。

開孔時應避免沿層理、節理和裂隙穿孔,以避免后續施工時造成劈裂力的分散和局部消散。通過劈裂施工(圖4),掘進面巖體的綜合抵抗強度得到了顯著的降低。

圖2 電動巖石分裂機(劈裂器)及分裂槍端部示意圖Fig.2 The electric machine of splitting rock(splitting device) and the schemes of the end of splitting gun

圖3 頂管掘進面上的孔洞Fig.3 The holes on pipe heading face

圖4 頂管掘進面劈裂施工Fig.4 The splitting construction at pipe heading face

3.2 巖體鑿挖方法的完善及改進

在問題得到解決后,掘進面巖石體將在不同程度上呈松動狀態,此時再使用普通手掘式頂管鑿巖方法施工將變得相對容易。但是,為了能進一步提高鑿巖施工效率,還必須得在施工方法或順序的層面上作相應地完善和改進,以便能達到良好的效果。

手掘式頂管在以堅硬巖為代表的穩定地層中施工,由于地層可以自支平衡,故施工方式采取“開挖—頂進”的模式,即先開挖后頂進,在洞內開挖預留有一定深度的空間后,再將管道頂進。普通手掘式頂管施工普遍使用手持風鎬類機械進行鑿巖,在鑿巖時呈全斷面無規律性作業。在實際作業中,施工的無規律性將導致工序增加、不能科學掌握巖性而有針對性地施工,因此施工效率會變得不高。

針對上述鑿巖效率不高的問題,筆者在充分了解和掌握巖性特點的基礎上,結合實際施工經驗提出了分區鑿巖施工方法,以便提高施工效率。在實際施工當中,使用的設備仍是手持風鎬,但在鑿巖方法上實行掘進面分區鑿挖(圖5)。鑿挖順序按圖5所示1-5分區順次進行。

圖5 掘進面巖體分區鑿挖圖Fig.5 The schemes of rock division area on pipe heading face

在巖體的綜合抵抗強度被降低后,首先進行1區的巖體鑿挖。鑿挖時需要克服1區圍巖的側限強度,此區域是幾個區域中施工難度相對較大的位置,但是由于該區位位于掘進面的下方,施工人員方便作業且可以保持豎向施工,再加上綜合抵抗強度已被顯著降低,施工起來相對還是比較容易的。其它幾個區域的施工按編號順序的空間方位進行施作,由于前一個編號的區域已經被鑿挖完畢,則緊鄰后一個編號的區位就意味著已經失去了側限,擁有了巖石體破壞或脹裂的空間,故巖石很容易被沖擊錘鑿下,施工起來也就變得容易、效率變得更高一些。

4 劈裂式鑿巖方法的形成及實踐效果

針對手掘式頂管管前堅硬巖體鑿挖施工效率低的問題,筆者做了大量的分析和論證,并在實踐中進行了實施和總結,增加并經歷了“劈裂”工序這個關鍵階段,有效降低了巖體的綜合抵抗強度,最終使手掘式頂管由普通的“開挖—頂進”的模式轉變為“劈裂—鑿巖—頂進”模式,并在鑿巖方法或順序上進行了完善及改進,最終形成了劈裂式鑿巖方法的基本思路和框架。

劈裂式鑿巖手掘頂法雖然在工序上進行了增加,但在實際施工過程當中,施工難度得到了顯著降低,實際變得更有利于施工,且其綜合施工效率也相對得到了提高。W58#-W59#頂管段自2012年2月12日復工,至2012年3月20日結束,歷時38 d,頂程63 m,平均頂速1.66 m/d。

由于施工人員認真負責,采取方法科學有效、措施落實到位,對各項頂進數據參數尤其是軸線偏差數據控制較好,使得管道順利貫通,平均頂速從0.45 m/d提高到了1.66 m/d,劈裂式鑿巖手掘頂管最終取得了良好的實踐效果。

5 結語

(1) 通過本文分析可以得知,巖體的綜合抵抗強度是影響手掘式頂管管前堅硬巖體鑿挖施工效率的根本原因;在實踐中,通過劈裂施工的劈裂力作用,可以促使掘進面巖體的綜合抵抗強度得到顯著的降低。

(2) 結合本工程實例,充分證明在普通手掘式頂管基礎上發展而來的“劈裂—鑿巖—頂進”劈裂式鑿巖手掘頂管模式,在堅硬巖等類似穩定地質情況下采用取消工具管是可以實現順利施工的。

(3) 頂管穿越地層資料的準確性對頂管施工工法的選擇起到了決定性作用,故必須在施工前期做好勘測工作,包括水工環地質及地下管線的勘測,避免對工法進行二次選擇,從而最終避免包括工期和成本在內的各項損失。

(4) 在劈裂鑿巖前進行開孔時,應避免沿層理、節理和裂隙穿孔,禁止打殘眼,隨時觀察并全力防止冒頂、片幫危險的發生。

[1] 韓選江.大型地下頂管施工技術原理及應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[2] 王瑞杰,張賢新.長江港口工業園污水管道工程施工方案[R].武漢:湖北地建集團神龍市政建設工程有限公司,2011.

[3] 中華人民共和國建設部.巖土工程勘察規范:GB50021—2001[S].北京:中國建筑工業出版社,2001.

(責任編輯：陳文寶)

A Mehod of Improving the Construction Efficiency of the Rock CuttingExcavation by Hand-dug Pipe Jacking

WANG Ruijie, MA Chenxiang, FANG Cheng, ZHOU Zhongwei

(GeophysicalExplorationBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Wuhan,Hubei430056)

Based on the analysis on the characteristics of hard rock,by lowering the tube before the rock resistance strength,the authors change hand-dug pipe jacking by the traditional mode of operation “excavation-jacking” into a new mode of operation of the “split-chisel dig-jacking”. Practice has proved that,by improving the construction efficiency of the rock cutting excavation,hand-dug pipe jacking in hard rock strata in construction has achieved good results.

hand-dug pipe jacking; hard rock; construction efficiency; technology

2016-08-29;改回日期:2016-10-12

王瑞杰(1984-)男,工程師,土木工程專業,一級建造師,從事市政工程施工管理與測繪工作。E-mail:wrjie@126.com

TD231

A

1671-1211(2016)06-0971-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.032

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161109.1112.040.html 數字出版日期:2016-11-09 11:12