礦山法輔助過涌頂管復(fù)雜地層施工技術(shù)措施研究

范志超

（中國電建市政建設(shè)集團有限公司,天津 300384）

0 引言

目前我國所應(yīng)用的頂管機大部分為氣壓平衡頂管機、泥水平衡頂管機和土壓平衡頂管機[1-3]。這幾種頂管機對地質(zhì)條件要求均比較苛刻。在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，施工方要提前考慮頂管的成功率，把各種情況分析透徹，才能使頂管成功率增加。雖然泥水平衡頂管機中有破巖頂管機，但破巖頂管機一般管徑較大，尺寸型號與設(shè)計管道不相符，且造價較高，因此，該項施工技術(shù)借助隧道礦山法施工特點，對頂管管道前面土體進行水泥水玻璃雙漿液超前加固，改善開挖土體塑性和流動性，并有效地進行止水，形成礦山法開挖頂管管道做襯砌的施工技術(shù)[4-5]。為此，該文結(jié)合廣州水環(huán)境治理工程，從頂管設(shè)計、施工階段的逐漸摸索，穿越河涌底部碎石帶、流沙帶等復(fù)雜條件下的頂管施工方面，總結(jié)了頂管施工的重點和難點。該文的研究成果對同類型工程的設(shè)計和施工具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程背景

廣州市車陂涌、棠下涌治理工程為城市雨污水管網(wǎng)治理工程。車陂涌片區(qū)二期工程龍洞北路位于廣汕路以北，龍洞東路以東，全長534 m，其中頂管施工443 m。如圖1所示。該文采用了一種高效的頂管施工方法，即逆作法。該方法是指在所有的工作井、接收井和中間檢查井中，先從下游向上游挖掘，再從上游向下游推進頂管。頂管的推進過程中，使用了泥水平衡頂管機，該機能夠在土層中形成穩(wěn)定的泥餅，并保持土層和泥水的壓力平衡，從而減少地面沉降和土層變形。其中QWB4-QWB5為過車陂涌頂管，采用DN1800鋼筋混凝土管做套管，內(nèi)設(shè)D820雙排焊接鋼管（雙排過涌管便于后期維護管理），QWB4位于車陂涌右岸龍洞北路上，QWB5位于車陂涌左岸綠化帶內(nèi)。根據(jù)廣州市車陂涌棠下涌治理工程巖土工程勘察報告顯示，該區(qū)域內(nèi)巖土分層為頂管穿越地層，主要為中粗沙層，局部為粉細砂層，上部覆蓋層為沙層、淤泥和雜填土層，在穿越河涌擋墻基礎(chǔ)及河涌底部處為大量的拋石擠淤塊石，普通泥水平衡頂管機無法正常通過。

圖1 工程示意圖

2 施工技術(shù)措施分析

由于過涌頂管采用普通泥水平衡頂管機無法正常頂進，且河涌水系發(fā)達，河涌底部土質(zhì)含水量已趨于飽和狀態(tài)。為了實現(xiàn)頂管工程目標，該段頂管采用了礦山法施工技術(shù)。該技術(shù)的原理是，在頂管機前方的土層中注入水泥水玻璃雙液漿體，通過化學(xué)反應(yīng)和物理作用，將土體中的游離水分排出并迅速固化。這樣可以顯著提高土層的力學(xué)性能，包括黏結(jié)力、內(nèi)摩擦角、抗剪強度和密度等，達到加固效果。同時，注漿后的土層具有較低的滲透性和較高的防水性能，形成了有效的隔水層，再配合人工挖掘和頂管機推進，就可以逐漸完成頂管施工。

2.1 施工圍堰加壓與導(dǎo)流

通過填筑跨河涌圍堰，使圍堰能夠滿足最小覆土厚度要求，保證施工作業(yè)面安全。對河涌底底板進行兩排全斷面封閉，采用兩排D800管材對河涌水進行導(dǎo)流，如圖2所示，圍堰高度取2 m，區(qū)域內(nèi)用帆布敷設(shè)，且用土袋圍堰進行填充，避免對河涌的污染。圍堰加壓有助于頂管超前注漿及頂管頂進時河涌底板壓力滿足施工要求。為了保證圍堰的穩(wěn)定性和防滲性能，建議使用黏性土或砂夾黏土作為填充材料。在進行圍堰的填筑時，應(yīng)按照從上游到下游的順序進行，并在下游處實現(xiàn)閉合，如圖3所示。

圖2 掌子面注漿孔布置圖

圖3 施工圍堰加壓與導(dǎo)流現(xiàn)場平面布置圖

2.2 注漿加固

該施工工藝最主要工序為水泥水玻璃雙液漿注漿工序，注漿效果直接影響技術(shù)實施的可行性。一是隔水效果要好，二是必須形成固結(jié)面，缺一不可。注漿材料選用水泥漿液和水玻璃溶液，按照設(shè)計配合比配置注漿溶液，該工程所需的主要材料有以下要求：①水泥材料應(yīng)選用42.5級普通硅酸鹽水泥，并且進場材料應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的規(guī)定；②雙液注漿原材料中的水玻璃，其模數(shù)應(yīng)控制在2.4~3.2的范圍內(nèi)，其濃度應(yīng)不低于40 Be（波美度）；水泥水玻璃雙漿液作為快凝漿液進行注漿時，其注漿壓力應(yīng)不超過1 MPa，并且在不影響注漿效果的情況下，盡可能降低注漿壓力，同時控制漿液流量在10~20 L/min的水平上。

現(xiàn)場該次注漿孔位按照50 cm×50 cm梅花形布置，一次注漿孔深為6 m，掌子面注漿布置如圖3所示。注漿孔采用手持鉆機進行鉆孔。注漿采用小導(dǎo)管注漿法，小導(dǎo)管為帶孔的塑料管，然后向鉆孔孔內(nèi)灌入封閉泥漿（或封孔器封孔），通過在管道前方土體鉆進的孔中插入注漿管，通過一定的注漿壓力將雙漿液壓入土體內(nèi)。為了避免注漿孔發(fā)生塌孔現(xiàn)象，可在注漿孔的開口處設(shè)置適當(dāng)長度的孔口管。該孔口管不僅可以在鉆孔過程中起到導(dǎo)向作用，還可以在注漿過程中安裝孔口封閉裝置，防止?jié){液外溢。注漿孔的平面布置圖見圖4。注漿施工的順序是從下部向上部逐層進行，同時采用對稱和跳距的注漿方式，以防止?jié){液竄流或壓力不均，從而提高漿液的力學(xué)性能和約束效果。現(xiàn)場注漿效果如圖5所示。

圖4 注漿孔平面布置圖

圖5 現(xiàn)場注漿效果圖

2.3 礦山法輔助頂管施工

該工程采用礦山法頂管施工技術(shù)，所需的主要設(shè)備有工具管、油缸支架、主頂油缸、主頂泵站、導(dǎo)軌、穿墻止水等。圖6為工作井內(nèi)主頂設(shè)備的安裝示意圖。

在進行頂管管道的推進之前，必須先推進工具管，以便控制管道的方向和高程。在開挖土層時，應(yīng)避免超挖的情況發(fā)生。設(shè)備安裝好后，要檢查管道軸線是否與工作井軸線、導(dǎo)軌軸線和主頂油缸軸線對齊，如有偏差要及時調(diào)整。確認無誤后，再安裝調(diào)試電路、油路和注漿系統(tǒng)。該工程使用礦山法頂管施工技術(shù)，開挖方式為人工手持風(fēng)鎬破土開挖。因此，在工具管內(nèi)挖土?xí)r要控制管腔挖土量在300 mm以下，按照由上而下的順序逐層開挖。由于管道內(nèi)有地下滲水，因此，開挖時要隨時注意滲水量的變化，水量增多時要及時采取堵漏措施。管內(nèi)出土擬采用軌道礦車進行運輸，經(jīng)卷揚機將裝滿棄土的斗車扯水平牽引出管外，頂管施工流程詳見圖7。

圖7 頂管施工流程圖

3 管道失穩(wěn)與涌水涌沙處理技術(shù)措施分析

3.1 管道失穩(wěn)原因分析

該文針對礦山法頂管施工中可能出現(xiàn)的管道失穩(wěn)現(xiàn)象進行了分析和改寫。工具管后方的管道軸線如果出現(xiàn)不受控制的彎曲，并且彎曲程度不斷加大，就稱為管道失穩(wěn)。這種情況主要發(fā)生在頂管施工的長距離和超長距離情況下，所以要嚴格控制管道的軸線。導(dǎo)致管道失穩(wěn)的直接原因是側(cè)向力。礦山法頂管施工理論上只有在直線推進時才沒有側(cè)向分力，但實際上頂管施工過程中難免會有一些偏差。一旦有了偏差，就會產(chǎn)生側(cè)向力。當(dāng)側(cè)向力達到一定程度時，就會導(dǎo)致管道的軸線失穩(wěn)。一旦失穩(wěn)，就會使得管道的軸線彎曲更加嚴重，并且增加側(cè)向力，從而形成一個惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致頂管施工失敗。因此，在礦山法頂管施工中必須采取有效的措施來防止或減少管道失穩(wěn)的可能性。根據(jù)分析，造成管道失穩(wěn)的主要原因有以下幾種：

（1）不穩(wěn)定的土體：如果在不穩(wěn)定的土體中進行頂管施工，那么土體對于管道的支撐作用就會很弱，從而使得管道的軸線容易發(fā)生位移。

（2）土體承載力過低：如果土體的承載力過低，那么土體對于頂管施工中產(chǎn)生的側(cè)向力就無法形成有效的平衡力，從而使得管道的軸線容易發(fā)生位移。

（3）施工軸線偏差過大：如果施工軸線與設(shè)計軸線有較大的偏差，就會造成管道的軸線彎曲，并且隨著偏差的增大，彎曲率和側(cè)向力也會增大，從而引發(fā)管道軸線失穩(wěn)。尤其是當(dāng)管道軸線向上彎曲時，頂力的側(cè)向分力也會向上作用，使得管頂土層的壓力不夠。覆蓋層的厚度越小，管道軸線失穩(wěn)的風(fēng)險越高。

（4）在軟黏土中施工時，如果覆蓋層過薄，過量注入觸變泥漿可能導(dǎo)致洞穴擴大，覆蓋層上升，洞穴向上發(fā)展。洞穴擴大部分被觸變泥漿填充，管道上浮，造成管道軸線彎曲，側(cè)向力增加，引發(fā)管道失穩(wěn)。

3.2 頂管施工流沙處理措施

流沙處理方法是一種綜合性的施工技術(shù)，結(jié)合了換土墊層法和排水固結(jié)法的各自優(yōu)勢，既能改善流沙的物理性質(zhì)，又能加速流沙的固結(jié)過程，施工現(xiàn)場防止流沙情況采用超前注漿的工藝對頂管前端進行水泥水玻璃超前注漿加固處理，保證工作面的穩(wěn)定。首先是施工現(xiàn)場準備好DN1800折疊式止水面板（含混凝土澆筑預(yù)留口）和折疊式后靠支架，由于此段地質(zhì)條件較差，開挖過程中若出現(xiàn)流沙現(xiàn)象，用雙漿液注漿處理，如果流沙較大，立即用折疊式止水面板進行封堵，后靠支架支設(shè)牢固，在預(yù)留口位置注射混凝土，以確定斷面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，待混凝土終凝后，拆除支架和面板，對結(jié)構(gòu)斷面進行再次注漿加固，以提高其穩(wěn)定性和耐久性，確保作業(yè)人員安全。

4 結(jié)語

富水砂層一直是非開挖管網(wǎng)施工的重難點地段，一直未有很好的處理措施。為此，該文結(jié)合廣州水環(huán)境治理工程，從頂管設(shè)計、施工階段的逐漸摸索，穿越河涌底部碎石帶、流沙帶等復(fù)雜條件下的頂管施工，總結(jié)了頂管施工的重點和難點，提出了一種礦山法輔助過涌頂管復(fù)雜地層施工技術(shù)措施。該施工技術(shù)措施將礦山法開挖的技術(shù)思路進行延伸，形成礦山法開挖頂管管道做襯砌的技術(shù)措施，解決了城市管網(wǎng)通過復(fù)雜地帶的一大難題。在富水砂層進行管網(wǎng)施工是一項具有高難度的工程任務(wù)，需要根據(jù)現(xiàn)場的具體條件，制定出科學(xué)合理的技術(shù)方案，并進行有效的動態(tài)控制，以保證工程質(zhì)量和效率。