突遇灰巖層大口徑頂管靜爆施工關鍵技術研究*

吳銀寶,陳 丹,易 帥

(中交第二航務工程局有限公司第六工程分公司,湖北 武漢 430000)

0 引言

近年來,隨著城市基礎設施建設的高速發展,新管道的開挖鋪設、老管道的修復更換工程日趨增多,頂管施工技術的應用越來越廣泛,施工所處地層環境復雜,施工過程中遇到的地質問題尤為突出[1-3]。

新建下善湖至柱木湖頂管工程施工期間,原設計穿越軟巖、土層頂管進入灰巖層后,施工面臨進尺困難、管節劣化問題,由于頂管內作業空間受限,現場無法采用鉆爆、人工風鎬等輔助破巖措施,開槽、更換頂管機作業成本大且不滿足工期要求,現場鉆孔取巖處治收效甚微。為解決項目頂管穿越灰巖層施工難題,研究采用數值模擬、現場試驗及工程實測的研究手段,對既有條件下破巖困難、管節劣化問題進行分析,探究破碎劑靜態爆破工藝輔助破巖技術參數,總結大口徑頂管快速安全穿越上侵灰巖層施工關鍵技術,以保障頂管穿越巖層施工質量和安全,滿足工期要求。

1 工程概況

本項目下善湖至柱木湖頂管段起始樁號為0+439.59—0+814.59,總長375 m,采用PCCP管雙線頂管,直徑3 000 mm(內徑),壁厚300 mm,設計縱坡1/2 000,管底高程17.260～17.220 m,地面高程24.500～34.960 m,最大埋深17.7m。依據前期地勘資料顯示,頂管穿越含角礫黏土、粉砂質泥巖(飽和抗壓強度5.24～6.62 MPa),下伏圍巖為灰巖(飽和抗壓強度38.7～49.2 MPa),無地下水發育。

依據前期地勘資料和施工設計圖,項目頂管施工采用泥水平衡法,配置NPD3000泥水平衡頂管機出土,連續管節頂進,合理的泥水管理系統保證開挖面平衡,管節外壁利用減摩泥漿減小系統頂力,根據設計計算合理設置中繼間,通過監控量測保證隧道軸線和高程。

2 施工常見問題分析

施工過程中,頂管鉆進至0+560斷面后破巖頂進施工工效明顯降低,現場進尺、出渣逐漸困難;同時,頂進過程中已安裝管節出現明顯環向裂縫發育,且存在進一步劣化趨勢,如圖1,2所示。在確保現場安全的前提下,現場開倉后觀測斷面發現出露有大面積巖層,取樣后初步判定為原地勘揭示的頂管下伏灰巖(飽和抗壓強度39.1 MPa),經補勘后確定下伏灰巖層受構造作用上侵頂管作業區約38 m,既有施工條件難以繼續完成頂管施工任務,如圖3所示。

圖1 現場斷面及取樣檢測示意Fig.1 Field section and sampling detection

圖2 現場管節環向裂縫發育示意Fig.2 Development of circumferential cracks in field pipe joints

圖3 工程地質剖面示意(補勘)Fig.3 Engineering geological section diagram (supplementary survey)

由于前期地勘誤差,選型頂管機突遇上侵灰巖層后破巖困難,繼續施工存在設備損壞風險,現場考察頂管內不具備刀盤優化、人工或機械破巖條件,更換頂管機成本較大,經研究分析提出地表鉆孔取巖回填碎石土工藝,調用旋挖鉆機采用80 cm筒鉆沿地表頂管中線間隔2.0 m鉆孔取巖,取巖深度依據地表標高、頂管標高確定為10～13 m,施工過程嚴格控制超深。

但施工后發現頂管推進一段后繼續進尺成效較低,頂進管節裂縫依舊存在進一步劣化趨勢,處治措施未取得較好的應用效果,需進一步分析研究。

3 技術難點分析

3.1 掘進破巖困難

為探究破巖困難的問題,研究在確保安全的前提下,在鉆孔破巖期間利用頂管機人倉進入作業面觀測斷面情況。觀測顯示,斷面內未見滲水,巖面節理發育不明顯,破碎巖塊向鉆孔位置集中且塊體較大呈堆積態,頂管邊線處巖塊成鋸齒狀且光圓度極差。

結合現場條件分析認為,地表鉆孔常用于突遇孤石情況,在本項目應用雖有效增加了破巖自由面、減少了破巖面積,但由于機頭刀盤破巖能力弱、巖面完整性較好,無法達到較好的破碎效果,更難以對邊線巖塊進行有效處理,在泥漿帶走部分巖渣后,遺留的較大巖塊堆積擠壓邊線鋸齒形巖塊,造成施工困難。另一方面,大口徑頂管條件下,現場含角礫黏土自穩性不足,繼續增大孔徑既不利于鉆孔、回填質量和安全控制,也加大了銜接泥水平衡頂管機作業的難度。

3.2 頂進管節劣化

3.2.1理論分析

查閱過往文獻[4-6]發現,頂進荷載下管節內外層混凝土受力后均會出現偏心情況,受偏心荷載的影響,斷面內應力向局部轉移,導致管節混凝土局部應力集中,而位于管節內壁側端部的混凝土較為薄弱,極易受偏心荷載作用發育環向裂縫。

結合破巖現狀研究認為,管節在頂管遇到灰巖層后出現劣化情況,邊線鋸齒狀巖塊致使前端管節迎頭阻力、沿程阻力提升,應力偏移集中至管節保護層混凝土一側后沿薄弱面開裂,如圖4所示。

圖4 管節保護層混凝土薄弱處示意Fig.4 The weak part of protective layer concrete of pipe section

3.2.2模擬論證

為進一步論證管節的破壞規律,采用MIDAS-GTS數值模擬軟件模擬頂管頂進工況,分析探明管壁開裂原因。依據現場施工條件、管節裂縫發育情況,選取首先出現管節裂縫的管節段進行模擬分析,前后共選取3段管節建模計算。

PCCP為預應力鋼筒混凝土結構,外層混凝土保護層附有直徑6 mm預應力鋼絲,管節按照設計同尺寸簡化為Q235B與C50混凝土結構模型,管節所在地層為黏土及粉砂質泥巖,相關參數如表1所示。

表1 管節所在地層參數Table 1 Stratum parameters of pipe section

荷載組合形式如下:標準組合=恒荷載+活荷載;基本組合=1.27∑恒荷載+1.4∑活荷載。

以上組合中,標準組合用來評價剛度及穩定性指標,基本組合用來評價結構強度指標。依據現場條件,不考慮地下水荷載作用,計算荷載參數如表2所示。

表2 計算荷載參數Table 2 Calculated load parameters

依據現場施工情況,模型分別對穿越上侵灰巖層前、后的頂進工況進行分析,建立3節頂管管節模型,1～2節頂管中部底部水平x和y方向約束,進洞內管節周身與土壤彈性連接,管節之間進行接觸設置,如圖5所示。

圖5 頂管3節段整體模型Fig.5 Three-segment overall model of pipe jacking

按照進入灰巖層前頂力進行穿越土層作業模擬計算,構件(管芯鋼筒結構Q235B)最大組合應力為σmax=12.9 MPa<205 MPa;構件(管芯混凝土結構C50)拉應力σmax=1.62 MPa<1.89 MPa(C50),壓應力σmax=2.0 MPa<23.1 MPa(C50),此時管節各構件荷載滿足材料允許荷載,管節頂進施工質量良好,應力集中主要出現在管節底部。

按照進入灰巖層后頂力進行穿越土層作業模擬計算,構件(管芯鋼筒結構Q235B)最大組合應力為σmax=14.0 MPa<205 MPa;構件(管芯混凝土結構C50)拉應力σmax=1.989 MPa>1.89 MPa(C50),壓應力σmax=5.14 MPa<23.1 MPa(C50),此時管節管芯混凝土拉應力不滿足材料允許值,頂管管節內壁下方保護層混凝土出現局部裂紋,模型模擬結果與現場實際情況相符。研究表明,穿越不良地質條件所需頂力的提升,是導致管節環向裂縫發育的主要因素。

過往研究認為[5],管節非貫穿環向裂縫會嚴重影響管材的抗腐蝕性、耐久性,不會明顯降低PCCP管道的承載力,但若持續劣化形成貫穿裂縫后,將會明顯降低PCCP管道的承載力,引發嚴重的工程事故。

4 靜爆破巖技術研究

上述分析顯示,為保障施工安全、質量,控制成本,亟需采取高效安全的破巖工藝輔助施工,以提高破巖級配與邊線光圓度。通過查閱文獻[7-10],依據過往施工經驗及現場條件,研究提出采用由地表鉆孔至頂管巖層作業區,裝藥破碎劑輔助破巖作業,在利用其操作便捷、擾動小優勢的同時,進一步優化技術參數以達到較好破巖效果。

4.1 試驗研究

4.1.1試驗原則

為保障破巖工效,研究選取70 mm孔徑破碎劑材料,由專業廠家特制后采用現場試驗的方式確定藥劑可行性及裝藥布孔參數。試驗主要以研究裝藥時間、藥孔間距、最小抵抗線參數為主,同時收集現場操作細部數據用于施工組織設計。

4.1.2現場試驗

設計采用近似巖層強度的C30混凝土樁頭作為破裂主體,樁頭直徑約1.2～2.0 m、長度1.0～2.0 m、新鮮斷面強度約32～40 MPa。設計進行4組試驗,采用空孔、臨空面作為自由面,其中A組試驗為操作可行性試驗,旨在確定裝藥操作時間可行性;B,C組采用常規布孔形式,藥孔間距、最小抵抗線參考廠家經驗參數呈梯度變化。為確保試驗成效,A,B組設計進行兩次以上試驗,C,D組設計進行兩次以上試驗,如表3所示。

表3 試驗設計參數Table 3 Test design parameters

4.1.3試驗分析

通過總結對比各組破巖效果,得到試驗結論如下。

1)裝藥時間緊,裝藥工藝需優化

現場采用兩人一組進行拌合裝藥,拌合、倒入工序總用時6min,平均單個孔用時3.0min,藥劑要求裝藥時間不超過30min,后期單次作業裝藥時間僅滿足10孔,不足以進行單次大面積施工。后期施工時,應采用多分組、分區段組織施工。相關統計數據如表4所示。

表4 相關統計數據Table 4 Relevant statistics

2)最小抵抗線50 cm、孔間距50 cm,破巖時長約12 h

通過破巖效果的對比,試驗布孔參數均在設計范圍內,均可以達到裂開巖石的效果,抵抗線為40 cm時的混凝土較先起裂,但破碎劑有明顯部分膨脹力未得到釋放,在破巖后體積有進一步增大的趨勢。現場試驗于上午8:27完成裝藥,16:27分觀察現場裂巖作業面均已出現裂巖,18:27觀測部分現場裂巖工作面進一步裂巖變化,21:27觀測現場裂巖工作面未進一步裂巖變化,第2天上午8:27觀測現場巖面裂巖完成,破巖作業時間取12 h。

4.2 方案設計

4.2.1破碎劑破巖

依據藥劑指導說明、試驗情況、現場施工條件及過往研究基礎,提出由地表鉆孔至頂管前部灰巖區,藥孔距離旋挖鉆孔邊線45～50 cm,孔徑70 mm,采用螺桿鉆機施工。旋挖鉆設雙排鉆孔,孔徑80 cm,間距2.0 m,孔深以深入頂管頂標高以下3 m為準,沿頂管中線對稱分布。

依據前期施工情況及現場條件,灰巖層傾斜上侵至作業區,破碎劑破巖主要針對斷面全巖層情況布孔,設計地表布孔范圍為3 640 mm×17 077 mm、孔數為37×3,最小抵抗線控制在450～500 mm,裝藥長度1 100～3 640 mm,孔深以頂管頂標高為基準深入2 415～3 640 mm,裝藥后現場采用黏土直接填塞。進入斷面局部灰巖后,依據前期處治施工情況,考慮到斷面存在逐步增大的軟弱黏土層,雙排鉆孔取巖后遺留巖層面積相對較小,可直接由頂管機繼續頂進施工,但需加強糾偏管理。破碎劑輔助區段斷面布孔如圖6所示。

圖6 破碎劑輔助區段斷面布孔示意Fig.6 The hole arrangement in the auxiliary section of crushing agent

4.2.2注漿優化

考慮到破巖作業超挖情況,現場需加強機頭注漿壓力、注漿濃度抵抗孔隙卸荷壓力,利用成型厚層泥皮進一步弱化巖壁摩阻力。同時,設計施工后在地表對破巖區段采用分層填筑壓實60 cm黏土的方式,加固施工區段松散地表,并在施工期間做好周圍建(構)筑物沉降監測。

4.3 關鍵工序及施工組織

依據現場施工條件確定施工步驟為:作業區測量放樣→旋挖鉆孔放樣→旋挖鉆鉆孔(干孔)→驗孔后回填碎石土、黏土→藥孔放樣及劃分作業區→螺桿鉆鉆孔→分區分組拌合裝藥、回填黏土→靜置12 h→頂管掘進、管節安裝。其中拌合、裝藥為施工關鍵工序,需在30 min內完成,現場需采用多組配合操作,避免破碎劑失效;裝藥深度較大,藥劑需借助4 m一節的PVC導管入孔裝藥,確保裝藥質量。依據設計及施工要求,確定現場施工組織及裝藥參數如表5所示。

表5 施工組織及裝藥參數Table 5 Construction organization and charge parameters

5 穿越灰巖層頂管施工關鍵技術

5.1 鉆孔施工

旋挖鉆、螺桿鉆均采用常用鉆孔工藝施工,旋挖鉆依據測量放樣樁位點下設2.0 m左右護筒后,按照設計孔深干法鉆孔,進入巖層后利用筒鉆取巖,每次取巖深度不超過50cm,鉆至孔底后采用挖機回填碎石土、黏土至護筒底標高,拔出護筒后繼續回填至原地表;螺桿鉆利用鉆桿標識鉆孔深度,施工過程中加強孔深控制。

5.2 拌合、裝藥

為保障裝藥安全,現場分4個區段逐步向頂管進尺方向推進,每區段分3組操作,分別負責中、邊線藥孔拌合、裝藥、回填作業。施工前依據設計計算,預先裝袋5.1,16.2 kg破碎劑與1.7,5.4 L水,將60 mm PVC串筒事先放置在孔內;施工期間單個作業區30孔分3組分別進行中、邊線孔作業,單組設3人,拌合裝藥2人、抽出串筒并回填黏土1人。操作人員按要求佩戴安全防護用品,為避免溫度影響,施工時段選擇在上午8:00—8:30。

5.3 注漿控制

設計采用機尾同步注漿、沿線壁后補漿的工藝,同步注漿將頂管機與前3段管節建立泥漿套,采用PLC、電動注漿閥控制,頂管機頭后部同步注漿配備自動注漿系統;壁后補漿通過補漿總管壓送接力泥漿箱內泥漿到各補漿斷面支管,補漿斷面間距取3管節布置1環,灰巖段每管節布置1環,如表6所示。

表6 注漿壓力控制Table 6 Grouting pressure control

5.4 頂進糾偏

頂管機機頭掘進速度保持不超過10 mm/min平穩推進,按操作規程控制好掘進偏差,考慮到超挖斷面存在下沉的情況,根據頂管機姿態測量結果,施工可逐漸將頂管機姿態抬高20～30 mm。管節頂進施工時,測量頂管水平軸線、高程等參數,頂管機頭的方向偏差超過10mm,即應采用糾偏千斤頂進行糾偏,保證頂管機姿態準確。

5.5 監控量測

考慮到施工涉及地表鉆孔、地下破巖作業,為避免對周邊建(構)筑物影響,現場對頂管作業區周圍存在的橋墩、始發井區域進行監測,現場采集數據顯示施工未擾動周邊建(構)筑物,破巖區段地表受前期場平及施工影響,山體植被、地層有明顯破壞,采用分層回填60 cm黏土、耕植土恢復原地貌。

6 應用效果

研究成果于2022年9月在現場實施,穿越灰巖層段施工周期約26天,頂管機繼續進行后續穿越泥巖、含角礫黏土層施工,現場采用環氧樹脂修復管節已有環向裂隙后,施工過程中管節未進一步劣化。研究成果相比于開槽、更換頂管機施工大大節省了工程資源,有效解決了頂管施工期間優質高效安全穿越突遇灰巖層施工難題。

7 結語

1)穿越軟巖、土層頂管突遇上侵中硬巖層施工時,已安裝管節受頂力提升、偏心加載影響,頂進端保護層混凝土極易發育環向裂縫,并在進一步劣化后將引發質量、安全事故。

2)地表鉆孔取巖具有一定的破巖效果,但對大口徑頂管斷面邊線光圓度、破巖級配的控制仍顯不足,研究設計沿中線對稱分布雙排直徑80 cm旋挖孔,配合3排等間距50cm、最小抵抗線45～50 cm布設的直徑70 mm破碎劑藥孔,采用鉆孔回填后分區分組拌合裝藥工藝,可有效破碎頂管作業區灰巖層。

3)地質條件不確定一直是巖土工程施工的難題,研究總結形成了大口徑頂管突遇灰巖層靜爆施工關鍵技術,在因地質變化導致的原軟巖、土層頂管機穿越中硬巖施工項目中,具有較高的參考價值。