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(jié)合工程實(shí)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(jìn)作業(yè)的專項(xiàng)施工方案。研究結(jié)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(jìn)施工中頂管易偏移、易失穩(wěn)變形等工程難題，實(shí)現(xiàn)了頂管在軟硬交互地層的長距離安全快速頂進(jìn)作業(yè)，研究結(jié)果可為同類市政工程的實(shí)施提供借鑒。

關(guān)鍵詞：尹大偉 王嘉 羅苗矩形頂管； 軟硬交互地層； 長距離頂進(jìn)； 施工方案

中圖分類號(hào)：U455.47文獻(xiàn)標(biāo)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(shí)開挖難度，常使用頂管法施工，此法高效、對地表構(gòu)筑物基本無影響，廣泛應(yīng)用于地下防排水工程中［1-3］?，F(xiàn)如今頂管技術(shù)越發(fā)成熟，但由于頂管施工的隱蔽性，其安全問題尤為突出，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，頂管作業(yè)易引發(fā)塌方、漏水、脫節(jié)、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(fēng)險(xiǎn)低、對地表及周邊環(huán)境影響小而被廣泛應(yīng)用。但矩形頂管在穿越軟硬交互地層時(shí)極易出現(xiàn)刀具磨損嚴(yán)重、頂管偏移等問題，導(dǎo)致頂管機(jī)被迫停機(jī)，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，如何實(shí)現(xiàn)矩形頂管機(jī)在軟硬交互地層中長距離安全快速頂進(jìn)，是目前矩形頂管法施工所面臨的主要技術(shù)難題之一。

目前，國內(nèi)外大量學(xué)者對復(fù)雜環(huán)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(yīng)用，解決了城市給長距離排水工程施工質(zhì)量的難題；Deng等［9］通過大量現(xiàn)場監(jiān)測頂管施工工程中頂管與圍巖的接觸壓力、頂進(jìn)荷載等，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了頂管施工過程的圍巖力學(xué)特性，研究結(jié)果表明，當(dāng)頂力增大時(shí)，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(jié)合數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測，研究分析了頂管曲線施工過程中的地表沉降變化規(guī)律，嚴(yán)格控制注漿是控制地表沉降的關(guān)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(dòng)的控制措施；劉順青等［13］采用三維數(shù)值計(jì)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(guī)律。

綜上，國內(nèi)外學(xué)者對復(fù)雜環(huán)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(fù)雜地質(zhì)條件下頂管作業(yè)的研究還相對較少，為了實(shí)現(xiàn)矩形頂管機(jī)在軟硬交互地層中長距離安全快速頂進(jìn)，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(jié)合工程實(shí)際，首次提出了在上軟下硬特殊地層中頂管長距離頂進(jìn)作業(yè)的專項(xiàng)施工方案，克服了頂管在軟硬交互地層頂進(jìn)施工中頂管易偏移、易失穩(wěn)變形等工程難題，消除了施工安全隱患，實(shí)現(xiàn)了頂管在軟硬交互地層的長距離安全快速頂進(jìn)作業(yè)，能為同類市政工程的實(shí)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(xiàng)目工程位于四川省境內(nèi)，該項(xiàng)目擬對新津縣舊城片區(qū)、民航飛行西片區(qū)、主城區(qū)北部片區(qū)、南河組團(tuán)、純陽片區(qū)、花橋鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)、新津天府新區(qū)配套區(qū)、工業(yè)園區(qū) A 區(qū)、新材料及物流園區(qū)的污水進(jìn)行收集并輸送至紅巖污水處理廠進(jìn)行處理，項(xiàng)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(jù)污水收集區(qū)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(jù)地勘資料及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，對長度約4 km的暗挖部分采用頂管作業(yè)。在A1K0 +156至A1K0+211里程段，管道埋深3.60～8.21 m，頂管作業(yè)需穿越軟硬差異性極大的復(fù)雜土層，頂管施工過程中極易發(fā)生管道失穩(wěn)變形、頂管偏移等現(xiàn)象，阻礙施工進(jìn)度，嚴(yán)重影響施工安全。

2上軟下硬地層頂管施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1硬巖破碎技術(shù)

頂管在軟硬交互地層中頂進(jìn)易出現(xiàn)管道失穩(wěn)變形、頂管偏移現(xiàn)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(zhì)巖層，使巖層達(dá)到松散狀態(tài)，滿足頂管機(jī)頂進(jìn)要求?？刹捎脻摽足@施工破碎下方硬質(zhì)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(jī)掘進(jìn)方向，在頂管隧道兩側(cè)開挖兩條寬1 m、深2 m探槽管溝，探明頂管范圍內(nèi)的管線情況，并在現(xiàn)場做好標(biāo)識(shí)。

（2）地質(zhì)補(bǔ)勘。沿頂管掘進(jìn)方向布孔進(jìn)行地勘調(diào)查，孔位距離隧道外邊線 20 cm，間距2 m一個(gè)，根據(jù)補(bǔ)勘報(bào)告，確定硬巖層破碎范圍。

（3）鉆孔設(shè)備就位。綜合考慮選取150 mm帶調(diào)平支腿的潛孔鉆機(jī)鉆孔，鉆機(jī)就位后穩(wěn)定設(shè)備，確保鉆孔過程中鉆孔角度不傾斜。

（4）鉆孔擊碎硬質(zhì)巖層。對隧道洞身范圍內(nèi)的硬巖層進(jìn)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(shè)，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(jù)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(jìn)行補(bǔ)鉆（圖2）。

2.2袖閥管注漿加固技術(shù)

潛孔鉆施工破碎下方硬質(zhì)巖層過程中也會(huì)對上方弱巖地層造成較大影響，為了保證頂進(jìn)過程中圍巖的穩(wěn)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(huán)縱間距設(shè)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(shí)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(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及實(shí)際情況，選擇最優(yōu)配比套殼料，套殼料用量Q可采用式（1）計(jì)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?jié){。在袖閥管外花管與孔壁之間的環(huán)狀間隙處下入注漿管，在孔口上部 2 m孔段壓入止?jié){固管料，直至孔口返濃漿為止。

（4）注漿。如圖3所示，開環(huán)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(gè)注漿段，長度為 50 cm。注漿時(shí)按先注入稀漿再注入濃漿的原則逐漸調(diào)整水灰比，注漿壓力為0.4～0.8 MPa，結(jié)合實(shí)際情況由下向上逐漸減小。

2.3頂管推進(jìn)工藝

對硬巖地層破碎、軟巖地層注漿加固后方可進(jìn)行頂管頂進(jìn)施工。如圖4所示，頂管施工關(guān)鍵步驟為：工程測量、放樣—開挖施工工作井—安裝起吊設(shè)備—安裝頂進(jìn)設(shè)備—安裝導(dǎo)軌—頂管進(jìn)洞、糾偏—排土—注漿加固—檢查井施工—水壓試驗(yàn)—井周回填。

頂管正常掘進(jìn)前應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)性掘進(jìn)，掘進(jìn)時(shí)應(yīng)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(shù)等頂管施工參數(shù)詳細(xì)收集，正常掘進(jìn)參照試驗(yàn)段取得的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整施工。施工現(xiàn)場矩形頂管掘進(jìn)施工如圖5所示。

3工藝原理及特點(diǎn)

3.1工藝原理

頂管機(jī)在穿越軟硬交互地層時(shí)，在地表利用潛孔鉆對隧道范圍內(nèi)的下層硬巖層進(jìn)行破碎，使巖層達(dá)到松散狀態(tài)，滿足頂管機(jī)頂進(jìn)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(jìn)行袖閥管注漿加固，保證隧道上方地層的穩(wěn)定性，使頂管機(jī)在上軟下硬地層中穩(wěn)定頂進(jìn)。

3.2工藝特點(diǎn)

（1）施工進(jìn)度快。本工法可有效降低頂管機(jī)由于復(fù)雜地層原因被迫停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，加快施工進(jìn)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(shí)施簡單，投入設(shè)備少，占用場地較小，便于施工組織，現(xiàn)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(jī)被埋（棄殼）處理方案相比，本工法操作簡單，施工安全系數(shù)高，總體資源投入小，處理費(fèi)用少。

3.3適用范圍

本施工方案成功應(yīng)用于紅巖污水處理廠配套污水主干管工程、秦巴物流園區(qū)“一縱三橫”道路工程，工程質(zhì)量滿足規(guī)范要求，工法關(guān)鍵技術(shù)成熟可靠，以施工安全快捷、節(jié)約成本、質(zhì)量可靠、節(jié)能環(huán)保、突出綠色施工理念等突出的工法特點(diǎn)，優(yōu)勢明顯，適用于軟硬交互復(fù)雜地質(zhì)條件下的矩形頂管工程施工，應(yīng)用前景廣闊，具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)應(yīng)用價(jià)值。

就本項(xiàng)目工程實(shí)例中，從方案制定到頂管順利通過軟硬交互復(fù)雜地層段，共歷時(shí)1個(gè)月，較傳統(tǒng)處理方法開槽明挖法節(jié)約工期4個(gè)月，節(jié)約投資250萬元；較頂管機(jī)被埋（棄殼）法節(jié)約工期1個(gè)月，節(jié)約投資200萬元。

4結(jié)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(jié)合工程實(shí)際，首次提出了在上軟下硬特殊地層中頂管長距離頂進(jìn)作業(yè)的專項(xiàng)施工方案。研究結(jié)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(jìn)施工中頂管易偏移、易失穩(wěn)變形等工程難題，實(shí)現(xiàn)了頂管在軟硬交互地層的長距離安全快速頂進(jìn)作業(yè)。

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［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(shù)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(shù)管理。