中風(fēng)化巖地質(zhì)頂管施工技術(shù)＊

李興帥

（中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400711）

0 引言

近年來(lái)關(guān)于非開(kāi)挖管道敷設(shè)技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者取得大量成果，成功解決其修建過(guò)程中面臨的難題，標(biāo)志著我國(guó)非開(kāi)挖管道建設(shè)水平取得長(zhǎng)足發(fā)展和巨大進(jìn)步[1]。相較傳統(tǒng)明挖埋管施工，頂管施工徹底解決了管道埋設(shè)施工中對(duì)城市建筑物破壞和道路交通堵塞等難題，具有經(jīng)濟(jì)、高效、保護(hù)環(huán)境等綜合功能。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不開(kāi)挖地面、不破壞地面建筑物和環(huán)境，省時(shí)、高效、安全且綜合造價(jià)低。

頂管施工常采用泥水平衡頂管機(jī)切削土體、千斤頂頂進(jìn)管道敷設(shè)方式，但對(duì)于中風(fēng)化巖層地段，特別是短距離頂管施工，泥水平衡頂管機(jī)一次性投入太大不經(jīng)濟(jì)，且無(wú)法切削巖層較硬的巖體，在此背景下，可結(jié)合當(dāng)前人工挖孔樁常用的取芯截?cái)喾▽?duì)頂管施工方法進(jìn)行改進(jìn)。

1 工程概況

貴州茅臺(tái)酒股份有限公司茅臺(tái)酒“十二五”擴(kuò)建技改工程橫一路一期WW68—WW72段頂管位于貴州省仁懷市茅臺(tái)鎮(zhèn)境內(nèi)，為橫一路一期道路左側(cè)尾水排放至鹽津河的一條地下暗挖埋管，由于本段范圍內(nèi)不具備開(kāi)挖條件，設(shè)計(jì)采用1 500mm（內(nèi)徑）的C50高強(qiáng)鋼筋混凝土頂管，管道埋深11～62m，總長(zhǎng)196.34m，縱向坡度為0.2%。由于本頂管線(xiàn)路區(qū)無(wú)地勘單位的詳細(xì)地質(zhì)斷面圖，其內(nèi)部地質(zhì)情況不詳。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查情況判斷，本頂管工程進(jìn)口端有少量的強(qiáng)風(fēng)化巖，中間及出口端大部分為中風(fēng)化巖，巖層整體及穩(wěn)定性相對(duì)較好。下穿既有公路段為路基施工回填區(qū)，地質(zhì)巖層穩(wěn)定性相對(duì)較差，施工過(guò)程中需根據(jù)實(shí)際情況采取加強(qiáng)支護(hù)措施。頂管工程線(xiàn)路區(qū)內(nèi)的主要地表水為緊靠線(xiàn)路區(qū)的赤水河、鹽津河及線(xiàn)路區(qū)沖溝內(nèi)的季節(jié)性水。地下水主要為第四系松散層孔隙水、基巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水兩大類(lèi)。場(chǎng)地所處環(huán)境類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)區(qū)，場(chǎng)地地表水、地下水水質(zhì)對(duì)混凝土、混凝土中的鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。進(jìn)口端頂管底標(biāo)高與赤水河目前水位相差約3.0m，出口端頂管底標(biāo)高與鹽津河目前水位相差約1.2m。

2 施工工藝原理

鑒于進(jìn)出口段均為中風(fēng)化巖層且土石較穩(wěn)定的特點(diǎn)，擬從出口向進(jìn)口采用水磨鉆進(jìn)行“取芯截?cái)喾ā遍_(kāi)挖，即以管外底為切點(diǎn)，用水鉆鉆1個(gè)2 000mm的洞體。水鉆直徑130mm，單孔鉆深度為700mm，用水鉆沿圓邊線(xiàn)取芯形成2 000mm的圓柱，再用40mm的小水鉆將石圓柱縱橫間隔400mm鉆些小孔徑，然后用石楔將石圓柱分為若干小石塊，再用小車(chē)運(yùn)至工作井外，以此實(shí)現(xiàn)管道開(kāi)挖。

3 施工技術(shù)

3.1 工作井施工

根據(jù)頂管管節(jié)管徑為1.80m，長(zhǎng)2.0m，千斤頂和墊鐵總長(zhǎng)度2.2m，后座平臺(tái)0.2m左右等組合需要，再結(jié)合規(guī)范要求確定工作井最小內(nèi)空尺寸為4.0m×4.5m×9.0m（深）。工作井采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樁板結(jié)構(gòu)，逆作法人工挖孔施工。

3.2 頂管施工

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)調(diào)查情況來(lái)看，頂管進(jìn)出口端斷面均為巖層，其中進(jìn)口端平均埋深約9m，土石結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，擬采用敞開(kāi)手掘式工具管從WW68工作井處頂管。對(duì)機(jī)頭前巖石擬采用水鉆輔以風(fēng)鎬破碎人工鑿石的方法施工，然后人工裝土石到小車(chē)上，用小車(chē)運(yùn)石渣至工作井內(nèi)，再用垂直運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)至井口。但也不排除有頂管會(huì)穿越土層，因此頂管過(guò)程中要根據(jù)不同地質(zhì)情況采取如下施工方法[2]。

3.2.1 頂管開(kāi)挖方式選擇

1）邊掘進(jìn)邊頂管 遇到土層或較軟巖層采取邊掘進(jìn)邊頂管的施工方法，因?yàn)橥翆蛹皬?qiáng)風(fēng)化巖層掘進(jìn)時(shí)洞體不夠穩(wěn)定，易出現(xiàn)坍塌，為保證施工人員安全必須邊掘進(jìn)邊頂進(jìn)。

2）先掘進(jìn)再頂管 遇到全斷面為中風(fēng)化巖或整體性及穩(wěn)定性較好強(qiáng)風(fēng)化巖時(shí)，可采取先完成洞體開(kāi)挖，再進(jìn)行頂管施工。

3.2.2 頂管洞體開(kāi)挖

洞體采用水鉆進(jìn)行取芯截?cái)喾ㄊ┕ぃ┕すに嚵鞒蹋悍啪€(xiàn)、驗(yàn)線(xiàn)→水鉆定位→加固→水鉆切割→出渣→清理邊緣。

開(kāi)挖前先由測(cè)量班精確測(cè)量定位出洞體中心位置，并做好控制點(diǎn)，以便隨時(shí)復(fù)核中心位置。洞體按照設(shè)計(jì)的軸線(xiàn)、高程控制開(kāi)挖后，再進(jìn)行頂管施工，該情況下一般頂管阻力較小。水鉆施工如圖1所示。

圖1 水鉆鉆孔平面布置

3.2.3 洞內(nèi)排水

為保證施工安全，在開(kāi)挖過(guò)程中（尤其是進(jìn)口端的反坡開(kāi)挖）需特別注意洞內(nèi)排水，為此需在進(jìn)出口端各配備1臺(tái)5.5kW的高揚(yáng)程抽水機(jī)，以將地下水、雨水等及時(shí)排出。同時(shí)工作井內(nèi)的積水同樣用水泵及時(shí)排出，防止流入頂管洞內(nèi)。

3.2.4 頂管頂進(jìn)

2）管節(jié)吊運(yùn)及堆放 管節(jié)吊運(yùn)、裝車(chē)、下管均采用行走式龍門(mén)式起重機(jī)。管節(jié)起吊時(shí)嚴(yán)格遵守起吊規(guī)范，輕吊輕放。在外面堆放混凝土管時(shí)，避免管節(jié)碰撞，堆放整齊有序，以方便后續(xù)吊裝。

3.2.5 頂管設(shè)備

1）工具管 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況擬采用手掘式頂管工具管，工具管是頂管的關(guān)鍵機(jī)具，其主要作用為導(dǎo)向、防坍、連接并保護(hù)混凝土管[3]。

2）導(dǎo)軌 導(dǎo)軌采用38kg/m的鋼軌組成，兩根導(dǎo)軌相互平行、等高，安放在工作井底部混凝土基礎(chǔ)上，安裝前先復(fù)核管道中心位置，導(dǎo)軌定位要穩(wěn)固、正確，在頂進(jìn)中承受各種負(fù)載時(shí)不位移、不變形、不沉降；導(dǎo)軌長(zhǎng)度滿(mǎn)足頂管掘進(jìn)出洞時(shí)的穩(wěn)定和混凝土接管連接和出土的要求。導(dǎo)軌用型鋼制作，型鋼用螺栓緊固于鋼橫梁上，以便裝拆。如圖2所示，鋼橫梁置于工作井底板上，并與底板上的預(yù)埋鐵板焊接，使整個(gè)導(dǎo)軌系統(tǒng)成為在使用中不會(huì)產(chǎn)生位移的、牢固的整體。

圖2 導(dǎo)軌安放示意

導(dǎo)軌安裝在頂管施工中至關(guān)重要，其安裝精度甚至決定管道是否可頂好，故須達(dá)到如下要求：①兩導(dǎo)軌應(yīng)順直、平行、等高，其縱坡應(yīng)與管道設(shè)計(jì)坡度一致；②導(dǎo)軌軸線(xiàn)偏差≤3mm；頂面高差0～3mm；兩軌間距±2mm。

3）千斤頂安裝 主頂站選用2臺(tái)200t千斤頂，固定在型鋼千斤頂支架上，支架焊在井底橫梁上，千斤頂著力點(diǎn)設(shè)在頂管圓周上，即與管道中心的垂線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，其合力的作用點(diǎn)在管道圓心上，每個(gè)千斤頂?shù)目v線(xiàn)坡度應(yīng)與管道設(shè)計(jì)坡度一致[4]。

4）后背墻安裝 后背墻整拼工字鋼或鋼板的鋼結(jié)構(gòu)，為頂管的反力提供一個(gè)垂直受力面，正面焊1塊3cm厚鋼板，使各工字鋼受力更均勻。工字鋼墻空隙中灌滿(mǎn)自密實(shí)混凝土，形成一道由厚鋼板、工字鋼和混凝土組成的牢固且剛度很大的復(fù)合后背墻，承受千斤頂傳來(lái)的頂進(jìn)反力。后背墻安裝無(wú)誤后，必要時(shí)再墊1層8cm厚的木板，以使井壁受力均勻。

5）頂管機(jī)下井 井下設(shè)備安裝完后，用20t汽車(chē)式起重機(jī)將重新經(jīng)過(guò)保養(yǎng)、檢查、調(diào)試好的頂管機(jī)吊下工作井，置于涂滿(mǎn)潤(rùn)滑黃油的導(dǎo)軌上。因?qū)к壈惭b精度控制嚴(yán)格，故頂管機(jī)座上導(dǎo)軌已準(zhǔn)確定位。井下設(shè)備和頂管機(jī)安裝完畢后，啟動(dòng)油泵，伸縮千斤頂，檢查千斤頂與后背墻的配合，頂管機(jī)與出口器及分壓環(huán)的間隙等，準(zhǔn)確無(wú)誤后即可開(kāi)始出洞頂進(jìn)。

6）油缸支架 油缸支架是用來(lái)支撐并固定主頂油缸的構(gòu)件，用［12b加工而成。

7）主頂油缸 主頂油缸是頂進(jìn)的主要設(shè)備，是管節(jié)頂進(jìn)原動(dòng)力，裝在油缸支架上，后端緊靠后背，主頂油缸安裝好后，用輸油管與主頂泵站和控制臺(tái)相連[5-6]。

8）主頂泵站 主頂泵站是給主頂油缸供油以及主頂油缸回油的設(shè)備，該泵站安裝在工作井旁。

知識(shí)服務(wù)是出版行業(yè)最本質(zhì)的功能，無(wú)論采用紙張還是采用網(wǎng)站，互聯(lián)網(wǎng)期刊行業(yè)的本質(zhì)功能依舊不變。未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)期刊企業(yè)將不斷地提升知識(shí)服務(wù)和信息提取能力，即不斷地發(fā)現(xiàn)乃至打造優(yōu)質(zhì)IP，并根據(jù)用戶(hù)需求和習(xí)慣持續(xù)創(chuàng)新并優(yōu)化知識(shí)服務(wù)方式。

3.2.6 管道內(nèi)通風(fēng)、供電、系統(tǒng)

為改善管道內(nèi)的環(huán)境，施工時(shí)對(duì)管道內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)制式通風(fēng)，由地面通風(fēng)機(jī)將新鮮空氣通過(guò)氣管送到作業(yè)面，管道內(nèi)的渾濁空氣則由作業(yè)面向工作井自然流通，通風(fēng)管道采用風(fēng)琴管。

3.2.7 管外壁注漿

待頂管頂通后，在管外壁進(jìn)行注漿，采用M2.5水泥砂漿，注漿壓力不大于0.3MPa。目的是填充管外壁的孔隙，對(duì)頂管起到一定的穩(wěn)固作用。

3.2.8 千斤頂頂阻力驗(yàn)算

本工程經(jīng)計(jì)算，主頂站2臺(tái)200t千斤頂可滿(mǎn)足頂力要求，故無(wú)需設(shè)置中繼站。

3.2.9 頂管頂進(jìn)

2）頂管軸線(xiàn)與標(biāo)高控制 本工程頂管測(cè)量距離在100m以?xún)?nèi)，頂管方向與高程控制可直接用置于井下測(cè)量平臺(tái)起始點(diǎn)上的激光經(jīng)緯儀對(duì)頂管機(jī)上方的基準(zhǔn)點(diǎn)即可。為消除頂管機(jī)旋轉(zhuǎn)而偏差值的顯示誤差，基準(zhǔn)點(diǎn)每日復(fù)測(cè)，使其始終在頂管機(jī)的垂直中心線(xiàn)上

3）頂管測(cè)量注意事項(xiàng) 由于頂管部分操作在工作井內(nèi)進(jìn)行，頂管過(guò)程中起始點(diǎn)和后視點(diǎn)會(huì)發(fā)生位移，故每周均需對(duì)其進(jìn)行檢查校核，發(fā)現(xiàn)偏移過(guò)大需查明原因并及時(shí)修正。地面測(cè)量控制網(wǎng)上的部分點(diǎn)在頂管軸線(xiàn)上或工作井附近，可能因地面沉降等原因而移動(dòng)，故也需不定期進(jìn)行校核檢查。每段頂完后，重新進(jìn)行一次管道的中心和高程的測(cè)量，每個(gè)接口1點(diǎn)，錯(cuò)口處測(cè)2點(diǎn)。頂管頂進(jìn)前對(duì)工作井壁、井口、頂管穿越段的地面設(shè)置觀(guān)測(cè)點(diǎn)。頂管頂進(jìn)過(guò)程中每24h進(jìn)行1次觀(guān)測(cè)，看頂管過(guò)程中井位、井壁及地面的變化，如果累計(jì)出現(xiàn)超過(guò)20mm的位移、變形則停止頂進(jìn)，分析變形原因，制定處理方案并按照方案實(shí)施后再進(jìn)行后續(xù)頂管施工。

3.2.10 管道接口

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

頂管施工不影響周?chē)h(huán)境或影響較小，而且能深入地下作業(yè)。對(duì)于地表建筑等其干擾較小且其噪聲及共振小，可減少對(duì)地表建筑及居民的影響，特別是在城市管道敷設(shè)中，可很大程度上減少對(duì)交通的阻礙。在施工工藝方面，頂管施工開(kāi)挖土方量小，除工作井外，管身以上土方全部免除；節(jié)約施工用地，頂管施工占地較少，直徑1.5m的管道，頂管施工占地為開(kāi)槽施工的15%，且管徑越大，相對(duì)比例越小；節(jié)約原材料，單獨(dú)以安設(shè)管身比較，除管口需小方量水泥外，不使用其他材料。

4.2 社會(huì)效益

頂管技術(shù)可解決管道埋設(shè)施工中對(duì)城市建筑物的破壞和道路交通的堵塞等難題，在穩(wěn)定土層和環(huán)境保護(hù)方面優(yōu)勢(shì)凸顯。這對(duì)交通繁忙、人口密集、地面建筑物眾多、地下管線(xiàn)復(fù)雜的城市是非常重要的，將為城市創(chuàng)造一個(gè)潔凈、舒適和美好的環(huán)境。

4.3 生態(tài)效益

頂管施工對(duì)自然環(huán)境的破壞降到最低，生態(tài)效益顯著，尤其在自然風(fēng)景區(qū)，可減少植被破壞、避免水土流失至關(guān)重要。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于非開(kāi)挖管道敷設(shè)技術(shù)應(yīng)結(jié)合工程規(guī)模、地質(zhì)條件等合理選擇相應(yīng)的施工方法，本工程結(jié)合中風(fēng)化巖層的地質(zhì)特性，創(chuàng)造性地將取芯截?cái)喾☉?yīng)用于頂管的開(kāi)挖，取得良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。