水鉆掘進法在巖石層頂管中的應用

馮文東

（中鐵十四局集團有限公司市政工程分公司， 山東 青島 266000）

1 工程概況

榮海四路改造提升工程位于青島市城陽區， 主要施工內容為新建雨污水管線、 道路提升， 其中K0＋562 -K0 ＋587 段污水管道下穿引黃濟青暗渠， 下穿長度25m。 引黃濟青暗渠為框架式結構， 結構尺寸為3.5 ×3.0m， 建成于上世紀 80 年代。 根據要求， 需先頂進φ1000mm鋼筋混凝土套管， 再敷設DN500 球磨鑄鐵污水管。 套管頂距離暗渠底高度為1.1m， 套管底距離原地面高度6.2m。

根據地勘報告得知， 本段土層厚度2.0m， 強風化巖厚度1.5m， 以下均為安山巖中風化巖， 巖石強度50 ～70MPa。 由于周邊要預留行車通道， 工作面較小， 且引黃濟青暗渠為20 世紀80 年代， 存在的不穩定性較大， 所以必須選擇安全可行的施工方法。通過方案對比， 傳統的人工采用風鎬掘進施工， 將面臨巖石強度高、 施工難度大、 工期長等困難， 對強度很硬的巖石將會束手無策； 拖拉管施工在巖石區段難以保障管線的順直度， 但本段污水管坡率為0.3%， 且孔洞長時間暴露， 容易對引黃濟青暗渠造成擾動； 本項目工程量較小， 僅為25m， 采用小型盾構機施工成本太高， 遠超出工程造價； 因此經過安全、 質量、 工期及成本等多方面的考慮， 采取了對巖石地段具有針對性的特殊施工工藝進行石方開挖施工——水鉆掘進法[1]。

2 水鉆掘進頂管施工

2.1 施工工序及工藝流程

施工準備→測量頂進軸線及高程→開挖頂進工作坑、 墊層施工→鋪設頂管導軌→施工頂進后背墻→安裝頂管設備→吊放頂進套管→水鉆開挖巖石→頂進套管→測量及糾偏→再次開挖巖石 （水鉆施工） →頂進套管頂進→循環作業→敷設污水管→套管外側水泥壓漿→套管內吹砂回填、 管內水泥砂漿→直至完成。

2.2 各工序施工方法

2.2.1 測量

施工前， 進行水準點、 坐標點的復測， 采用全站儀、 水準儀等儀器測量高程及軸線。 在頂進施工過程中需要對鉆進孔洞的每次測量結果進行記錄、復核。 要求水鉆每完成鉆孔取芯一循環后即測量一次平面位置及高程， 在頂進過程中要求每頂進500 mm復測一次， 及時準確計算頂管的偏位， 以便在發現偏差后及時采取糾偏措施。 在頂管糾偏時， 需增加軸線、 高程測量的頻率。 同時為保證引黃濟青暗渠的穩定， 在引黃濟青暗渠頂部設置3 個觀測點，在頂進過程中， 要求每天進行不少2 次的觀測。 同時在頂進工作坑四周設置沉降觀測點， 按照方案要求進行觀測。

2.2.2 頂進工作坑

頂進工作坑凈尺寸長×寬=6.0m×4.5m， 開挖深度6.2m， 頂進接收坑凈尺寸長 ×寬 =3.0m×3.0m； 開挖基坑采用放坡＋掛網噴錨進行支護， 放坡坡度為1∶1， 采用4 ～6m長φ22mm的注漿錨桿，垂直間距1.5m， 梅花布置。 網片采用 φ6.5＠200 ×200mm鋼筋網片， 坡面噴射12cm厚C20 速凝混凝土。 基坑上部設置截水臺＋1.2m高臨時護欄， 截水臺尺寸b×h=24cm×32cm， 基坑底部設置排水溝和集水井: 排水溝尺寸為30 ×30cm， 集水井尺寸0.8×0.8 ×0.8m， 間距5.0m。 坡頂2m范圍內采用C20速凝混凝土進行硬化， 硬化厚度12cm。 開挖坡面埋設φ50mm的泄水管， 泄水管間距2 ×2m。

在深基坑開挖之前， 首先采用挖掘機將工作井基坑四周4m范圍內素填土全部挖除， 挖除厚度不少于1m， 基坑開挖分兩次進行， 其中第一次開挖粉質粘土部分， 開挖完成后進行邊坡支護， 待速凝混凝土噴射完成48h 之后， 再進行巖石層的破除及開挖，巖石層開挖清表完成后再進行二次噴錨支護。

2.2.3 管節吊裝

先把頂進工具管采用25T吊車吊放入工作坑中做好定位， 再將頂進混凝土套管吊放在工作坑的導軌上就位。 頂管施工前應在套管與頂鐵之間安設3mm厚的木板， 在頂進過程中能夠起到緩沖作用，以保護套管在頂進過程中不發生破損， 尤其是對接口處的密封圈不產生破壞。

2.2.4 水鉆掘進施工

采用水鉆法頂進施工主要包含以下主要工序:人工搭設水鉆機具支架、 水鉆環周取芯、 巖芯打孔破碎、 巖塊碎石外運。

1） 搭設水鉆支架， 在開挖掌子面前80 ～90cm處搭設支架， 支架采用型鋼、 角鋼等焊制， 與水鉆連成一個整體， 保證水鉆能夠自由活動， 水鉆支架需要安全穩定， 滿足結構性及穩定性要求。 水鉆取芯機應固定在支架橫向主軸的調節器上， 調節范圍要滿足水鉆設計鉆進長度的要求， 并要求能夠沿豎向支撐軸起降， 可以到達設計指定的鉆孔位置， 具體如圖1 所示。

圖1 孔內水鉆支架搭設

2） 水鉆取芯， 采用鉆筒直徑為15cm的鉆孔取芯機在巖面外圈鉆孔， 鉆孔位置要求提前進行計算確定， 由技術人員確認后進行標記。 取芯孔之間應有2cm的搭接， 取芯孔中心之間的凈距為13cm， 并保障孔道外徑不小于124cm， 鉆孔時向孔洞外傾斜角度應不少于3°， 預留出鉆筒的尺寸。 待鉆至設計深度為70cm時， 采用手動調位器將鉆筒緩慢退出鉆孔， 在鉆縫中打人鋼釬， 折斷鉆芯， 采用工具將鉆取芯樣取出。

鉆孔順序必須間隔進行， 所有鉆孔必須平行鉆進， 并留有2cm的搭接， 以保證完全鉆取芯體， 避免影響破碎中間巖巖芯。 水鉆施工過程中， 及時采用小型運輸工具將取出的鉆芯外運， 正下方鉆芯不取出， 以便起到支撐作用。 根據統計， 水鉆每鉆取一次用時為20 ～30min， 完成一圈用時約為8 ～10h，一圈完成后， 巖芯與外側巖壁之間便形成環形臨空面， 具體如圖2 所示。

圖2 水鉆取芯

3） 樁芯打孔破碎， 在水鉆取芯工作完成一圈后， 需要對中間巖芯進行打孔破碎、 外運。 首先采用風鉆打一排小孔， 孔徑為 2.5cm， 孔間距為40cm， 在鉆孔完成后將鏟釬打入孔中， 采用鐵錘或電錘擊打鏟釬使巖體在內部沖擊力的作用下開始分裂， 依次擊打鏟釬進行巖體破碎， 直到本段巖芯完全破碎， 待巖芯全部取出后形成孔道隧洞， 具體如圖3 所示。

圖3 樁芯破碎

4） 碎塊外運， 破碎的巖石碎塊依次使用自制運輸小車運送至頂進工作坑中， 由工作坑上方的汽車吊將石塊調運至指定位置， 孔內破碎石塊全部清運干凈后即開始鉆洞修整。

5） 鉆洞整修， 由于水鉆取芯完成后其孔壁呈鋸齒狀， 為保證管道頂進空間， 需要對鉆孔孔洞周圍進行修整， 使孔徑、 標高及軸線等滿足頂管要求，需采用風鎬、 電鎬等器具鑿除欠挖部分的巖石， 完成之后在鉆洞底部墊鋪1 ～2cm厚粗砂， 用于鉆洞底部的填隙、 平整， 以減少管道頂進過程中的摩擦阻力。

6） 泥漿水排放及循環利用， 水鉆鉆孔施工中需要用水對鉆具進行冷卻， 根據施工經驗并經施工現場統計測算， 利用水鉆法每鉆進1.0m （鉆孔孔徑1.2m）， 約需要3m3水對鉆具進行冷卻降溫， 以保證在鉆進過程中不發生卡鉆的問題。 為避免卡鉆等問題， 在鉆進施工過程中必須保證水的持續供應。經過測算， 在鉆進過程中產生的廢水、 泥漿約是清水用量的1.3 倍， 意味著每掘進1m約有4m3的泥漿需要外排。 泥漿利用頂進管道的坡度流至頂管工作坑的廢水坑內， 通過泥漿泵排至地面的沉淀池、 循環池中。 經沉淀后， 循環池上清水重復循環利用，沉淀后的泥漿集中外運至指定地點。

2.2.5 管道頂進

為保證安全， 水鉆每一循環施工完成后便立即進行管道頂進， 預留水鉆施工工作面。 首先采用千斤頂將工具管頂入， 采用汽車吊將頂進管節吊放入頂進工作坑， 接于工具管尾部， 再將第一節套管頂入。 水鉆施工每一輪結束后頂入 50 ～70cm， 3 ～4 個循環即可頂進一節套管。 第一節套管頂進完成后，吊入第二節管道， 與第一節套管進行連接， 循環工作， 直至頂管工作全部完成， 采用汽車吊將工具管從接收工作坑吊出。

頂進糾偏措施: 1） 在頂進過程中， 要勤測量，嚴格控制鉆孔直徑、 位移及高程偏差， 發現偏差后立即采用二次鑿除、 鋪設砂墊層等方式進行調整；2） 發生偏差后， 及時調整千斤頂位置， 使頂管兩側頂力不均衡， 從而起到管道糾偏的作用， 在頂進過程中應逐漸調整， 不得一次調整到位， 防治糾偏過大； 3） 采用不同的頂進控制系統， 通過控制液壓的方式產生力矩來進行糾偏； 4） 軸線， 高程控制， 導軌必須按照規范及方案進行安裝， 必須安裝牢固，不得發生水平位移和沉降， 兩側采用鋼筋進行固定；每次頂進前要作觀測記錄， 詳細記錄位移、 高程，發生偏差后立即進行調整， 一旦發現有偏差， 及時進行處理或在下一循環鉆進過程中進行調整， 糾偏作業可根據現場實際情況確定方案， 結果必須符合規范要求； 5） 坡度控制， 管道頂進坡度需在導軌安裝時做好調整， 導軌坡率應與頂進管道設計坡率保持一致， 在頂進工作坑內固定兩個觀測點， 隨時進行校正， 正負高差不得大于1.0cm。

2.2.6 管道接口防水

由于本工程頂進套管內側為污水管道， 外側為引黃濟青暗渠， 根據產權單位意見， 必須保證套管的防水質量， 頂進套管接口處設有預埋鋼板， 在施工過程中需要進行有效連接。

管道接口需在管道對接前采用強力膠將遇水膨脹止水條粘貼在待頂進混凝土管管口上， 止水圈應放置于管壁厚中間偏外位置， 利用千斤頂頂力將其壓實， 在頂進完成后管口接縫再用環氧樹脂砂漿勾縫填充密實， 防止滲水。 為防止管道在頂進過程中發生錯口， 需要在管道兩側接口處設置鋼內脹圈。同時為防止頂管施工完成后引黃濟青暗渠發生沉降，在頂管靠近管口位置預留直徑3.0cm的壓漿口， 每圈4 個， 均勻布置。 以便在在管道頂進完成后對管道外側空隙進行壓漿， 使頂進套管與周圍巖體之間密實無空隙， 減少滲水同時防止管頂沉降。

2.2.7 管周注漿

管道頂進完成后立即進行水泥壓漿， 通過管口處的預留壓漿孔壓注水泥漿， 要求水泥漿注滿套管與外側巖壁之間的空隙， 起到防止滲漏、 固定管道和預防頂部沉降的作用。 壓漿材料選用32.5 級普通硅酸鹽水泥， 水泥漿配合比根據試驗確定， 要保障水泥漿的流動性， 減少初凝時間， 以便起到及時固結的作用， 可適當選擇摻合料。 水泥漿液采用攪拌機現場拌制， 每次拌和的水泥漿液及時使用， 壓漿從中間向兩端進行， 壓漿孔縱向間隔2m， 橫向間隔約1m。 壓漿壓力不小于0.5MPa， 過程中要多次重復壓漿， 施工中隨時注意觀察注漿壓力、 相鄰壓漿孔及端頭出漿情況， 以管壁周邊縫隙注滿為準， 水泥漿液從兩端流出時， 及時進行端頭封堵。

3 水鉆掘進的優勢

經過現場統計， 采用水鉆掘進平均每天可進尺2m， 13d 完成全部頂進施工， 在施工過程中未發生任何安全、 質量問題。 某單位在榮海四路南側施工，距離本項目約560m， 地質條件基本一致， 由于污水管道橫穿城市主干道， 為不中斷交通， 采用非開挖人工掘進施工， 由于巖石硬度抬高， 在施工后進度緩慢， 平均每天不足1m， 嚴重影響工期， 后同樣改為水鉆施工， 通過綜合對比后發現， 水鉆掘進比人工掘進在中風化巖層中減少成本30%以上。

通過對比發現， 水鉆施工與其他巖石頂管施工工藝相比， 其主要優點就是技術成熟、 頂進速度較快、 簡便易于操作、 成洞質量好、 安全環保、 對管材的損壞較小。 由于受制約因素較少， 可以縮短施工工期； 工藝相對成熟、 設備簡單、 單位時間效率高， 降低了成本， 提高了經濟效益。

4 結語

通過對比發現， 在頂管施工過程中， 人工掘進遇到中風化及以上硬度較高的巖層時， 施工難度會明顯增加， 對于工期要求比較緊的項目會很難滿足要求。 采用水鉆法頂進施工工藝， 能較好得解決人工掘進巖石過程中遇到的風險， 提高施工效率。 對施工沿線房屋、 路面、 既有管線等均不造成影響，在確保施工安全質量的同時能夠更好得創造經濟效益。