頂管穿越地下堅(jiān)硬巖層施工技術(shù)

盛夏一 （上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200433）

1 工程概況

第四條對(duì)澳供水管道工程16#～17#井頂管工程單線頂管長(zhǎng)度L=406m，由16#工作井頂至17#接收井，管道外徑1820，壁厚20mm，管道穿越十字門內(nèi)河涌。16#工作井頂管出洞口中心標(biāo)高-5.45m，17#接收井頂管進(jìn)洞口中心標(biāo)高-13.5m，進(jìn)出洞上下高差8.05m，頂管坡度較大，為20‰。頂管穿越土層為②2層淤泥：廣泛分布于場(chǎng)區(qū)絕大部分地段，呈層狀連續(xù)分布，顏色為灰黑色、深灰色、灰色，飽和，流塑，具腐臭味，普遍夾薄層粉砂。局部相變?yōu)橛倌噘|(zhì)粉質(zhì)粘土或淤泥質(zhì)粘土。承載力特征值50kPa，側(cè)壁摩阻力10 kPa。

經(jīng)詳細(xì)對(duì)頂管軸線處補(bǔ)勘探，本工程頂管區(qū)間 224.8m～249.1m（CK1+270.2～CK1+294.5）處存在地下微風(fēng)化花崗巖堅(jiān)硬巖層（巖層長(zhǎng)度L=24.3m），巖層上方為拋填塊石夾泥層，塊石夾泥層厚度達(dá)10m。花崗巖巖層經(jīng)鉆孔取芯抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，強(qiáng)度高達(dá)120MPa。如此堅(jiān)硬的巖石地層，泥水平衡頂管機(jī)正面刀頭是無(wú)法切削巖石頂進(jìn)的，必須考慮將巖層清除后方可頂進(jìn)。

2 施工難點(diǎn)

2.1 深度較深

頂管進(jìn)入花崗巖巖層區(qū)域覆土深度達(dá)12m，由于深度較深，采用無(wú)支護(hù)放坡開挖清障不可行。另地下存在大量石塊，底部為巖層，灌注樁、工法樁等基坑支護(hù)無(wú)法施工，因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，基坑開挖清障方式不可行。

2.2 臨近構(gòu)筑物

頂管軸線東側(cè)存在2條已完工隧道，距離較近的上行線隧道水平距離20m，高差8m，在我司即將施工的供水管道下方。該隧道為珠海機(jī)場(chǎng)城際拱北至橫琴段隧道，若對(duì)巖層采取爆破工藝，對(duì)隧道存在很大安全隱患，此方法不可行，

2.3 地下巖石堅(jiān)硬

由于地下巖石強(qiáng)度達(dá)120MPa，形狀如凸起的山包，破碎難度大，一般用沖錘無(wú)法擊碎，需借助大型巖石破碎機(jī)械。

3 施工方法

針對(duì)頂管遇到的巖層，首先對(duì)巖層分布狀況進(jìn)行詳勘，加密鉆探孔取芯數(shù)量，將巖層長(zhǎng)度范圍、標(biāo)高排摸清楚，其次根據(jù)巖層分布情況進(jìn)行清障布孔，然后大型設(shè)備進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行清障作業(yè)，待清障完畢后，組織頂管頂進(jìn)穿越。具體施工方法如下。

3.1 全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)套管施工

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，地下10m厚拋填塊石層，可以采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)打設(shè)套管，利用沖擊抓斗可以將套管內(nèi)塊石取出，此清障工藝已在多項(xiàng)頂管、盾構(gòu)工程中實(shí)踐運(yùn)用，并取得良好效果，主要體現(xiàn)在清障速度快、效果好。針對(duì)巖層上部10m厚度的塊石，選用全回旋套管機(jī)清除塊石為最佳方法。由于頂管直徑DN1800，選用大口徑，型號(hào)為JAR260H的全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)。

當(dāng)JAR260H全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)將DN2600套管打設(shè)至底部堅(jiān)硬巖層時(shí)，由于巖層不像塊石，是一個(gè)整體巖層，且強(qiáng)度非常高，因巖層無(wú)分裂面，套管難以強(qiáng)硬下壓切割，將造成刀頭損傷嚴(yán)重，扭矩增大，最終刀頭磨損報(bào)廢，無(wú)法繼續(xù)作業(yè)。

因此，當(dāng)套管打設(shè)到巖層頂面后，停止全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)作業(yè)，將上部塊石土全部抓出，此時(shí)換用其他磨巖設(shè)備。經(jīng)過(guò)分析研究，目前國(guó)內(nèi)大型旋挖機(jī)具備磨碎堅(jiān)硬巖石的功能，我司選用徐工460旋挖機(jī)，配備不同規(guī)格的筒鉆和撈砂斗將巖石磨碎取出，該機(jī)型動(dòng)力強(qiáng)，扭矩大，適用于破碎堅(jiān)硬巖層。旋挖機(jī)每破碎清除60cm厚度巖層，JAR260H全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將套管下壓60cm，連續(xù)幾個(gè)沖程，將巖層破碎至頂管下部即可，考慮測(cè)量誤差、頂管偏差、安全距離等因素，一般清除巖層面離設(shè)計(jì)管底50cm為宜。根據(jù)巖層長(zhǎng)度，我司對(duì)清障孔進(jìn)行了布孔排列，如下圖所示。

根據(jù)頂管直徑，本次清障孔套管選用DN2600管，孔間距 1300mm，孔位排布緊密，能確保清障徹底，保證頂管穿越兩側(cè)留有足夠安全距離。清孔順序?yàn)?：1#、3#、5#、7#、9#、2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#，18#、11#、13#、15#、17#，依次跳格清孔，此清孔順序確保清障效果更好。利用JAR260H全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)鋼套管旋轉(zhuǎn)切割鉆進(jìn)，套管管底鑲嵌33把鈦合金刀頭，具備極強(qiáng)的切割切削力，能將花崗巖等堅(jiān)硬塊石切碎，利用套管的自重和設(shè)備下壓力，套管慢慢切削進(jìn)尺。套管切入地層一定深度，當(dāng)液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備扭矩增大時(shí)，利用沖擊抓斗將套管內(nèi)塊石土體抓出，可減少鋼套管摩阻力，扭矩降低。

JAR260H全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)主要配置有驅(qū)動(dòng)主機(jī)、液壓動(dòng)力站、操控室、反力配重、沖抓斗、Φ2600套管。另需要150T履帶吊、EX200挖掘機(jī)。

JAR260H全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)液壓動(dòng)力站如下表。

3.2 旋挖機(jī)磨巖施工

JAR260H全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)將DN2600套管旋轉(zhuǎn)切削下壓，在塊石層中，以每小時(shí)進(jìn)尺1m速度，直到套管切口碰到地下整體巖層，因巖層為整體，無(wú)分裂面，若強(qiáng)硬切削，刀頭易磨損，此時(shí)由徐工460旋挖機(jī)，利用不同規(guī)格的筒鉆、撈砂斗將巖石磨碎，取出后全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)繼續(xù)再次下壓，下壓至巖層后繼續(xù)采用旋挖機(jī)磨巖石。2臺(tái)設(shè)備依次交替使用，每次進(jìn)尺60cm，用時(shí)8h，直到巖層清除至頂管管道以下50cm位置。管內(nèi)回填后，將套管拔出。這樣該處的巖石被清除干凈后，可供頂管穿越。

徐工460旋挖機(jī)磨碎花崗巖巖石層方法：依次使用 DN800、DN1600、DN2000、DN2400筒鉆將整體巖層分裂，最后使用DN2200撈砂斗將分裂后的巖石磨成碎砂后取出。因巖石堅(jiān)硬，筒鉆刀頭采用牙輪鉆，撈砂斗刀頭選用子彈頭 HQ306030-80（適用于 80～120 MPa硬巖），刀頭磨損均可更換。

本次巖層部分共計(jì)清孔18孔，長(zhǎng)度24.3m，用時(shí)30d，效率較高。套管回填是本工程的關(guān)鍵，回填黏土強(qiáng)度低，會(huì)導(dǎo)致相鄰孔打設(shè)時(shí)，塊石將擠入已清完畢孔，太硬導(dǎo)致頂管無(wú)法通過(guò)。因此本次回填材料采用低標(biāo)號(hào)的水泥砂漿，砂漿強(qiáng)度為1MPa。

3.3 頂管頂進(jìn)施工

針對(duì)頂管穿越砂漿層及可能遇到未清除干凈的小石塊風(fēng)險(xiǎn)，我司采用改進(jìn)型泥水平衡工具管：頂管機(jī)大刀盤以液壓油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可正反轉(zhuǎn)，可調(diào)速，刀盤采用大軸承周邊傳動(dòng)，刀盤旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)置3臺(tái)電機(jī)，油馬達(dá)2臺(tái)，刀盤最大力矩可達(dá)25MPa，此力矩能在堅(jiān)硬土層中頂進(jìn)。針對(duì)可能存在的未清除干凈的小塊石，頂管機(jī)本身設(shè)計(jì)具備一定的破石能力，大刀盤對(duì)小塊巖石有切削破碎能力，個(gè)別小石塊進(jìn)入泥水倉(cāng)后可進(jìn)行二次破碎，最終將小碎塊通過(guò)排泥管排出。一般泥水平衡工具管，是無(wú)法進(jìn)入泥水倉(cāng)進(jìn)行雜物清理，本次工具頭設(shè)備段與泥水倉(cāng)中間設(shè)有一個(gè)50cm的人孔通道，日常用悶板關(guān)閉。當(dāng)需要時(shí)，可以通過(guò)人孔，人工進(jìn)行泥水倉(cāng)塊石清除?？紤]頂管機(jī)穿越砂漿后，糾偏要求，頂管機(jī)正面刀盤安裝有3cm超挖刀（常規(guī)軟土超挖刀1cm左右），對(duì)超挖部分進(jìn)行注粉煤灰、膨潤(rùn)土、高分子化學(xué)漿液填充。為確保刀頭的耐磨性，頂管機(jī)正面刀盤增加刀頭數(shù)量，刀頭采用進(jìn)口鎢鋼刀，如下圖所示。

刀盤形式

通過(guò)以上對(duì)泥水平衡頂管機(jī)的改進(jìn)，大大增加了頂管機(jī)的動(dòng)力、切削能力，并具備人工清障功能，頂管順利穿越砂漿層，在砂漿中頂進(jìn)速度2cm/min。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程頂管穿越地層比較復(fù)雜，沿線存在塊石層及堅(jiān)硬的巖層，長(zhǎng)度較長(zhǎng)L=24.3m，且此位置頂管覆土較深H=12m，臨近有已完成的橫琴隧道,施工應(yīng)減少對(duì)隧道的影響，確保隧道安全。項(xiàng)目通過(guò)利用目前國(guó)內(nèi)大型設(shè)備：JAR260H全回旋鉆機(jī)、徐工460旋挖機(jī)。能有效、快速的將巖石清除，實(shí)現(xiàn)頂管穿越貫通，滿足了對(duì)澳供水的節(jié)點(diǎn)要求。清障效率高，效果好，對(duì)周邊環(huán)境影響小，可供類似巖石地層的頂管工程借鑒。