軟硬交互復雜地質矩形頂管長距離頂進施工方案研究

尹大偉 王嘉 羅苗

摘要：以新津縣紅巖污水處理廠配套污水主干管工程為背景，結合工程實際，首次提出了在上軟下硬特殊地層中矩形頂管長距離頂進作業的專項施工方案。研究結果表明，采用“潛孔鉆破碎硬巖+袖閥管注漿加固地層”的施工方案， 克服了矩形頂管在軟硬交互地層頂進施工中頂管易偏移、易失穩變形等工程難題，實現了頂管在軟硬交互地層的長距離安全快速頂進作業，研究結果可為同類市政工程的實施提供借鑒。

關鍵詞：尹大偉 王嘉 羅苗矩形頂管； 軟硬交互地層； 長距離頂進； 施工方案

中圖分類號：U455.47文獻標志碼：B

0引言

目前在非開挖管道施工過程中，管道常需要穿越國道、高速公路、地鐵房屋群、河道、魚塘等，為盡量減少對地面開挖的影響，降低管線遷改和埋深較大時開挖難度，常使用頂管法施工，此法高效、對地表構筑物基本無影響，廣泛應用于地下防排水工程中［1-3］。現如今頂管技術越發成熟，但由于頂管施工的隱蔽性，其安全問題尤為突出，在復雜地質條件下，頂管作業易引發塌方、漏水、脫節、偏差過大等各類事故［4-7］。相較之下，矩形頂管法因施工安全風險低、對地表及周邊環境影響小而被廣泛應用。但矩形頂管在穿越軟硬交互地層時極易出現刀具磨損嚴重、頂管偏移等問題，導致頂管機被迫停機，嚴重影響施工進度，如何實現矩形頂管機在軟硬交互地層中長距離安全快速頂進，是目前矩形頂管法施工所面臨的主要技術難題之一。

目前，國內外大量學者對復雜環境下的頂管施工展開了大量研究。陶永隆［8］研究了長距離頂管施工在市政工程中的應用，解決了城市給長距離排水工程施工質量的難題；Deng等［9］通過大量現場監測頂管施工工程中頂管與圍巖的接觸壓力、頂進荷載等，通過監測數據分析了頂管施工過程的圍巖力學特性，研究結果表明，當頂力增大時，拱頂和邊墻處頂力大小不變，仰拱處頂力增大；許有俊等［10］結合數值計算和現場實測，研究分析了頂管曲線施工過程中的地表沉降變化規律，嚴格控制注漿是控制地表沉降的關鍵措施；付曉暢等［11-12］提出了頂管施工過程對周圍土體擾動的控制措施；劉順青等［13］采用三維數值計算模型研究了頂管施工對上跨橋梁的影響，分析了頂管施工過程中地面沉降的變化規律。

綜上，國內外學者對復雜環境下頂管施工的研究取得了顯著性成果，而目前對軟硬交互復雜地質條件下頂管作業的研究還相對較少，為了實現矩形頂管機在軟硬交互地層中長距離安全快速頂進，本文以新津縣紅巖污水處理廠配套污水主干管工程為背景，結合工程實際，首次提出了在上軟下硬特殊地層中頂管長距離頂進作業的專項施工方案，克服了頂管在軟硬交互地層頂進施工中頂管易偏移、易失穩變形等工程難題，消除了施工安全隱患，實現了頂管在軟硬交互地層的長距離安全快速頂進作業，能為同類市政工程的實施提供借鑒。

1工程概況

新津縣紅巖污水處理廠配套污水主干管項目工程位于四川省境內，該項目擬對新津縣舊城片區、民航飛行西片區、主城區北部片區、南河組團、純陽片區、花橋鎮鎮區、新津天府新區配套區、工業園區 A 區、新材料及物流園區的污水進行收集并輸送至紅巖污水處理廠進行處理，項目包括總長約 24.06 km 的污水干管工程以及4 座中途提升泵站工程（圖1）。

如圖1所示，根據污水收集區域及管線走向，污水主干管工程共分為 A、B、C、D 四段，綜合據地勘資料及相關工程經驗，對長度約4 km的暗挖部分采用頂管作業。在A1K0 +156至A1K0+211里程段，管道埋深3.60～8.21 m，頂管作業需穿越軟硬差異性極大的復雜土層，頂管施工過程中極易發生管道失穩變形、頂管偏移等現象，阻礙施工進度，嚴重影響施工安全。

2上軟下硬地層頂管施工關鍵技術

2.1硬巖破碎技術

頂管在軟硬交互地層中頂進易出現管道失穩變形、頂管偏移現象的原因主要是由于地層對頂管的作用反力差異較大，由此可通過擊碎硬質巖層，使巖層達到松散狀態，滿足頂管機頂進要求。可采用潛孔鉆施工破碎下方硬質巖層，具體工藝為：

（1）測量放線。由測量組放線定位出探槽開挖位置，人工開挖探槽沿頂管機掘進方向，在頂管隧道兩側開挖兩條寬1 m、深2 m探槽管溝，探明頂管范圍內的管線情況，并在現場做好標識。

（2）地質補勘。沿頂管掘進方向布孔進行地勘調查，孔位距離隧道外邊線 20 cm，間距2 m一個，根據補勘報告，確定硬巖層破碎范圍。

（3）鉆孔設備就位。綜合考慮選取150 mm帶調平支腿的潛孔鉆機鉆孔，鉆機就位后穩定設備，確保鉆孔過程中鉆孔角度不傾斜。

（4）鉆孔擊碎硬質巖層。對隧道洞身范圍內的硬巖層進行密排引孔破碎，引孔方向垂直地面90°，深入頂管底部以下0.3～0.5 m范圍，孔距為 0.3 m×0.3 m，鉆孔需成排按順序搭設，不能跳孔，防止硬巖層破碎不到位。

（5）地層破碎效果檢測。鉆孔完后才能根據孔深、孔角、孔間距綜合判定潛孔鉆地層破碎效果，若鉆孔不合格，則返回潛孔鉆密排鉆孔破碎工序，對不合格鉆孔進行補鉆（圖2）。

2.2袖閥管注漿加固技術

潛孔鉆施工破碎下方硬質巖層過程中也會對上方弱巖地層造成較大影響，為了保證頂進過程中圍巖的穩定性，需要對上方軟巖地層采取加固措施，可通過袖閥管注漿加固軟巖地層［14-15］。注漿采用42 mm 的袖閥管，環縱間距設為0.6 m×0.6 m，呈梅花形分布，注漿深度為地表至矩形頂管隧道拱部。注漿步驟：

（1）安裝袖閥管。鉆孔清空后下入袖閥花管和芯管，在裝袖閥花管和芯管過程中及時加水，防止因浮力過大而不能精確下入孔底。

（2）灌入套殼料。施工過程中，結合室內試驗及實際情況，選擇最優配比套殼料，套殼料用量Q可采用式（1）計算。

Q=1.3×π×（R－r）×H（1）

式中：Q為套殼料用量，（m3）；R為鉆孔半徑，（m）；r為袖閥管半徑，（m）；H為注漿段高度，（m）。

（3）固管止漿。在袖閥管外花管與孔壁之間的環狀間隙處下入注漿管，在孔口上部 2 m孔段壓入止漿固管料，直至孔口返濃漿為止。

（4）注漿。如圖3所示，開環后自下而上注入P.04.2.5普通硅酸鹽水泥漿，并采用分段跳孔的注漿方式，防止竄漿，以每排孔眼作為一個注漿段，長度為 50 cm。注漿時按先注入稀漿再注入濃漿的原則逐漸調整水灰比，注漿壓力為0.4～0.8 MPa，結合實際情況由下向上逐漸減小。

2.3頂管推進工藝

對硬巖地層破碎、軟巖地層注漿加固后方可進行頂管頂進施工。如圖4所示，頂管施工關鍵步驟為：工程測量、放樣—開挖施工工作井—安裝起吊設備—安裝頂進設備—安裝導軌—頂管進洞、糾偏—排土—注漿加固—檢查井施工—水壓試驗—井周回填。

頂管正常掘進前應進行試驗性掘進，掘進時應對掌子面土壓力、出土量、減阻泥漿注入量、土體改良劑的配制參數等頂管施工參數詳細收集，正常掘進參照試驗段取得的參數進行調整施工。施工現場矩形頂管掘進施工如圖5所示。

3工藝原理及特點

3.1工藝原理

頂管機在穿越軟硬交互地層時，在地表利用潛孔鉆對隧道范圍內的下層硬巖層進行破碎，使巖層達到松散狀態，滿足頂管機頂進要求，然后對地表至隧道拱頂之間因潛孔鉆施工造成的破碎地層進行袖閥管注漿加固，保證隧道上方地層的穩定性，使頂管機在上軟下硬地層中穩定頂進。

3.2工藝特點

（1）施工進度快。本工法可有效降低頂管機由于復雜地層原因被迫停機的風險，加快施工進度。

（2）簡單、高效。本工法主要工藝為通過潛孔鉆破碎下層硬巖，通過袖閥管注漿加固上層地層，方案實施簡單，投入設備少，占用場地較小，便于施工組織，現場處理速度快。

（3）安全性高，施工成本低。較明挖施工或頂管機被埋（棄殼）處理方案相比，本工法操作簡單，施工安全系數高，總體資源投入小，處理費用少。

3.3適用范圍

本施工方案成功應用于紅巖污水處理廠配套污水主干管工程、秦巴物流園區“一縱三橫”道路工程，工程質量滿足規范要求，工法關鍵技術成熟可靠，以施工安全快捷、節約成本、質量可靠、節能環保、突出綠色施工理念等突出的工法特點，優勢明顯，適用于軟硬交互復雜地質條件下的矩形頂管工程施工，應用前景廣闊，具有較高的經濟和社會應用價值。

就本項目工程實例中，從方案制定到頂管順利通過軟硬交互復雜地層段，共歷時1個月，較傳統處理方法開槽明挖法節約工期4個月，節約投資250萬元；較頂管機被埋（棄殼）法節約工期1個月，節約投資200萬元。

4結束語

本文依托新津縣紅巖污水處理廠配套污水主干管工程為工程背景，結合工程實際，首次提出了在上軟下硬特殊地層中頂管長距離頂進作業的專項施工方案。研究結果表明，采用“潛孔鉆破碎硬巖+袖閥管注漿加固地層”的施工方案， 克服了矩形頂管在軟硬交互地層頂進施工中頂管易偏移、易失穩變形等工程難題，實現了頂管在軟硬交互地層的長距離安全快速頂進作業。

參考文獻

［1］吳偉，周晨，吳昊，等.淮河流域取水工程設計優化分析［J］.中國給水排水，2022，38（4）：82-87.

［2］陳秀成.全地下污水處理廠防淹設計要點及工程案例［J］.給水排水，2022，58（5）：50-54+59.

［3］Meng F Q， Chen B Q， Liu L， et al. Introduction to Singapore DN2 200 Water Supply Pipe Jacking Project［J］. China Water & Wastewater， 2014， 35（3）：733-739.

［4］陳雪華，周麗紅，吳起星，等.并行矩形頂管施工引起地層變形影響研究［J］.土工基礎，2022，36（4）：551-558.

［5］黃海.景德鎮城市供水源頂管工程對防洪堤影響分析［J］.陜西水利，2022（10）：58-59.

［6］王再斌，李彪.市政頂管工程常見施工技術問題研究［J］.云南水力發電，2022，38（7）：11-15.

［7］尹亞虎.頂管施工中的難點問題及技術處理措施［J］.江蘇科技信息，2017（31）：54-55.

［8］陶永隆.長距離頂管施工技術在市政給排水施工中的應用［J］.中國建筑裝飾裝修，2022（11）：71-73.

［9］Deng Z， Liu X， Zhou X， et al. Field monitoring of mechanical parameters of deep-buried jacketed-pipes in rock： Guanjingkou water control project［J］. Tunnelling and underground space technology， 2022， 125（7）：104531.1-104531.16.

［10］許有俊，孟毅欣，張朝，等.S形空間曲線頂管開挖引起的地表沉降計算——以寧波市潘橋變電站遷建工程為例［J］.隧道建設（中英文）：1-11.

［11］付曉暢.頂管施工技術及其對土體擾動的分析［J］.安徽建筑，2022，29（10）：42-43.

［12］韓華定，舒兆亞，吳宇寒，等.曲線頂管施工質量控制［J］.江蘇水利，2022（10）：54-57+62.

［13］劉順青，王旭暢，王文博，等.頂管施工對既有橋梁影響的三維數值分析［J］.科學技術與工程，2022，22（26）：11559-11566.

［14］董迎娟.淺析洞內袖閥管注漿法在富水軟巖隧道下穿高層建筑物中的應用技術［J］.科技視界，2015（15）：86-87.

［15］劉世杰，劉澤，吳建和，等.鐵路隧道全風化花崗巖地層地表注漿技術［J］.現代隧道技術，2019，56（6）：181-186.

［作者簡介］尹大偉（1975—），男，本科，高級工程師，主要從事建筑施工技術及工程管理工作。

［通信作者］羅苗（1992—），女，本科，工程師，主要從事建筑施工技術管理。