手掘式頂管下穿軟弱地層施工技術總結

吳林松 蒲仕勇

（中交二航局成都城市建設工程有限公司，四川 成都 610213 ）

1 概述

該市政工程頂管項目位于成都市以南地區，項目擬建污水干管總長1083m，共20個井段，使用管徑為1.0m、1.4m的DRCPⅢ級鋼筋混凝土承插管，管道埋深7～21m，采用頂管法施工。管道頂進所在的地層主要為強風化、中風化砂質泥巖，地勘報告顯示地下水位線位于地面以下0.4m～12.1m，施工場地內有1條既有水溝。

2 施工難點

詳勘報告JWG-04、JWG-05、JWG-06三個孔位的柱狀圖顯示，污水干管里程樁號JWK0+098～JWK0+177段（共79米）存在1.5m厚的＜2-1-1＞軟塑粉質黏土層，頂管管道將從軟塑黏土層下方強風化泥巖層穿過，管道開挖頂面距軟塑黏土層底面之間強風化巖層最小厚度僅有0.1m左右。由于軟塑狀粉質黏土自穩能力較差且上部存在富水卵石土層，如不對該軟塑黏土層提前進行處理，開挖過程中極易發生因巖層被打穿或巖層太薄無法支撐上部軟塑黏土層而導致塌方及涌泥，危及作業人員安全。

圖2 JWK0+098～JWK0+177段地質剖面圖

同時，軟塑粉質黏土層容易造成地面沉降，且此項目周邊有一處景觀濕地項目正在同步進行打造和蓄水作業。蓄水后地表水系改變，由此可能導致周邊地層地下水滲流和補給情況發生不確定性地變化，對頂管下穿軟弱地層施工帶來一定的安全風險。

3 軟弱地層加固方式確定

經參建各方現場踏勘，決定對該段軟弱地層采取注漿方式進行地層加固，以確保手掘式頂管過程中的施工安全。對此，設計單位初步提出了水平注漿和垂直注漿兩種方案，背景項目通過從操作便捷性、成本和工期三個方面進行了對比和選取。

3.1 水平注漿

水平注漿需是在開挖輪廓線240°范圍設置15根3m長的注漿小導管，每間隔1m布置15根，共需布置1185根小導管，通過直接頂入法將注漿小導管沿外插角15°插入土層（小導管布置如圖2、3），注漿后待土層固結完成后再進行頂管施工，如此循環，在整個頂管施工周期內都需要保持注漿。

圖3 水平注漿橫斷面布置圖

圖4 水平注漿縱斷面布置圖

3.2 垂直注漿

先從地面上將φ108×4mm的鋼花管置入土層，再對軟弱地層進行注漿加固。鋼花管底部1.5～3.0m范圍內梅花形布置注漿孔，孔徑10～16mm，間距150～200mm。注漿管沿管道中線梅花型布置，縱向間距1.0m，橫向間距0.8m，注漿管橫向布置4排，注漿寬度3.4m（注漿管布置如圖5、6），共布設358根注漿管。另在W16工作井（即JWG-05位置）兩側頂管線路周邊加密布置注漿管（如圖7所示），防止頂管施工時開挖面垮塌及提高工作井后背土體承載力。

圖5 垂直注漿平面布置圖

圖6 工作井后背注漿平面布置圖

圖7 1-1剖面圖

3.3 方案對比

表1 水平注漿與垂直注漿方案對比

背景項目通過對兩種方案從操作便捷性、成本和工期三個方面進行了對比（對比情況如下），可以看出雖然垂直注漿的造價較水平注漿偏高，但其操作較為便捷、工期明顯較快，因此最終決定采用垂直注漿方案進行地層加固。

4 主要施工工藝

4.1 注漿工藝

垂直注漿是通過壓力注漿機在地面把水泥漿或其混合漿液由鉆孔（Φ 108×4mm鋼花管）注入地層內部（空隙、間隙、裂痕或空洞等），漿液注入土體一般都是先滲透，當通道被阻，漿液滲透困難，即對周圍地層進行壓密，當壓力繼續升高，在土體中會產生劈裂現象，漿液順裂縫進一步擴散形成固結工作斷面，達到密實、改良巖土層、止水、防沉降、防坍等效果。滲透、壓密、劈裂互相影響、互相補充，共同起到了提高土體完整性和強度及降低地層滲透系數和含水率的作用。

垂直注漿通過鋼花管柱面擴散、劈裂將頂管段上方及側面填充密實，注漿漿液為水灰比1:1的純水泥漿液，注漿壓力控制在0.3～0.6MPa，擴散半徑為0.5～0.6，足以將需注漿頂管段土層固結為一個整體，平均注漿厚度為2.5米。

注漿流程：測量布孔→鋼花管施工→清孔→壓漿→封孔。

（1）測量布孔

采用挖機平整場地，測量人員根據注漿孔平面布置圖放樣布孔。

（2）鋼花管施工

鋼花管底部做成錐形，長度應和注漿深度吻合，采用鉆機振動法將鋼花管打入土層，管底全部穿過軟弱層，成孔過程中連續作業，且保持成孔的垂直度。

（3）漿液制作

按照設計和試注試驗確定的配合比拌制好漿液，漿液的比重應符合要求，制作好的漿液要有良好的可泵性、和易性、保水性。配制好的漿液應在規定時間內注完，隨配隨用。

（4）清孔

先檢查注漿頭的狀況，鋼花管不能有堵塞現象，并保證各節管路的連接質量，注漿前先采用吹孔法吹出管內沉積物。

（5）壓漿

壓漿管采用高壓纏絲橡膠管，抗壓強度大于3MPa，壓漿管接頭保持密閉、不漏漿，在準備工作全部完成后方可開注漿機進行注漿。

注漿采用一次升壓法施工，即從注漿一開始應在短時間內將壓力升高至設計規定值，并一直保持到注漿結束。在規定的壓力下，根據進漿量情況分級調整漿液濃度，直到裂隙逐漸被填實，單位吸漿量逐漸減少，達到結束標準時結束注漿，做好注漿記錄，并保證記錄的真實性。壓漿時注意高壓管前不能站人，防止噴漿傷人。

（6）封孔

壓漿結束應立即拔出灌漿栓塞、插上木塞，以便有足夠的時間使漿液充分凝固。

4.2 頂管施工工藝

手掘式頂管施工是采用人工挖土掘進的方法，借助于主頂油缸的推力，把管節從工作井內穿過土層一直推到接收井內，以實現非開挖敷設地下管道的施工方法。手掘式頂管管道頂進的主要施工流程為：測量放樣→人工開挖洞口→首節管進洞→管前挖土、出土→混凝土管道頂進→循環開挖及管道頂進→管節出洞→管背填充注漿。

5 施工技術控制要點

（1）頂管時必須嚴格按照“先挖后頂，隨挖隨頂”的原則進行，以防止開挖面坍塌。嚴格控制循環開挖進尺，確保每次頂進長度不大于0.5m，作業人員需盡量保持在管道內進行開挖作業，以降低安全風險；

（2）嚴禁超挖，尤其是進洞段頂管上方巖層較薄，避免將巖層打穿引起坍塌事故，管道下方135°范圍內也不得超挖，盡量保持管壁與土基表面吻合；

（3）按照設計和試注試驗確定的配比嚴格控制注漿漿液質量，注漿完成需要保證漿液足夠的凝結時間，必要時可以對注漿質量進行檢測，以保證被加固的土體在平面和深度連成一體，滿足土體滲透性、地基土強度和變形的設計要求；

（4）頂管施工期間應加強工作井周邊、頂管沿線的地表沉降觀測，發現異常沉降情況應立即停止施工，并及時通知參建各方研究查明原因、制定應對措施后方可繼續施工；

（5）鋼花管置入地層時需要嚴格控制鋼花管底部標高，不能置入地層過深，防止鋼花管侵入開挖面，增加開挖施工難度；也不能置入地層過淺，防止地層有效注漿加固范圍不夠。

6 結語

通過頂管工作井開挖時現場察看注漿加固范圍，注漿的有效擴散半徑均達0.5m以上，土體整體性和強度得到了明顯改善。施工期間，工作井周邊、頂管沿線地面均未產生明顯沉降（實測累計最大沉降3mm），也側面說明了注漿對地層起到了較好的加固效果。頂管施工過程中，開挖面未發生鋼花管侵入及坍塌現象，該段頂管按計劃順利完成軟弱地層下穿施工任務。

背景項目手掘式頂管下穿軟弱地層施工的順利實施，說明通過對軟弱地層進行注漿加固后再進行軟弱地層下穿施工的方法是可行的，該方法可為后續類似項目手掘式頂管下穿或直接穿越軟弱地層施工提供借鑒，但在應用過程應重點加強注漿效果的控制和沉降觀測，以確保頂管施工的絕對安全。