提高手掘式顶管管前坚硬岩体凿挖施工效率的一种方法

王瑞杰, 马晨祥, 方 程, 周忠伟

((湖北省地质局 地球物理勘探大队,湖北 武汉 430056)

提高手掘式顶管管前坚硬岩体凿挖施工效率的一种方法

王瑞杰, 马晨祥, 方 程, 周忠伟

((湖北省地质局 地球物理勘探大队,湖北 武汉 430056)

在分析坚硬岩层特点的基础上,通过降低管前岩体综合抵抗强度,使手掘式顶管施工由传统的操作模式“开挖—顶进”改为新的操作模式“劈裂—凿挖—顶进”,提高岩体凿挖施工效率,使得手掘式顶管在坚硬岩地层中施工取得了较好的效益。

手掘式顶管;坚硬岩;施工效率;工艺

普通的手掘式顶管主要是采用锹、镐和冲击锤等非机械的人工破碎掘进面的方法实施顶进施工的[1]。一般情况下,顶管地层稳定性的增强,普遍是由地层岩性变化引起的,随之岩体的强度、硬度和刚度也会变大,从而造成岩体凿挖施工效率降低,由此而影响顶管施工效率,甚至影响到成本、工期等目标管理控制。因此,如何提高手掘式顶管管前坚硬岩体凿挖施工效率显得尤为重要。本文通过工程实例,探索了劈裂式凿岩方法,提高了施工效率。

1 工程概况

1.1 工程简述

本工程为松滋市临港工业园排污管道工程项目的子工程,位于湖北省松滋市临港工业园园区内,属于临港工业园主排污工程的干管项目,管径为DN1200 mm,全长502 m,井位编号为W28、W29、W56、W57、W58、W59、W60和长江排放口。由于W56至长江排放口区间段管道埋设较深,途径居民区、红东公路(S254省道)及小山,且轴线大部在石英岩、强风化砂岩中穿越,部分在中风化砂岩与泥岩互层中穿越,不便于开槽法埋管施工,经相关部门多次专题研究讨论,决定采用普通手掘式顶管工法施工,采用F型DRCPⅢ1 200×2 000管道[2]。

1.2 场地工程地质条件

地层根据岩性及物理力学指标与特性划分,可细分为三大层、四小层。各土层分布特性描述如下:

① 层杂填土,人工堆积土(Qml),杂色,湿,松散,成分主要以建筑垃圾、砾卵石、粉质粘土为主,局部表面为水泥地坪。成分不均,均匀性差,堆填时间不一致。全场分布,厚0.60～4.80 m,平均2.76 m。

③-1强风化砂岩,白垩系沉积岩(K2),棕红色,岩芯成块状,易碎,强风化,干钻不易钻进,岩石质量差。主要分布于W57#、W58#、W59#和W60#四个井位区域和W57#-W58#-W59#区间段,厚度不均匀,厚2.20～3.90 m,平均2.79 m。

③-2中等风化砂岩与泥岩互层,白垩系沉积岩(K2),棕红色,W59#-W60#江边排放口区段该层主要以泥岩为主,岩芯较完整,成柱状,易碎,结构部分破坏,风化裂隙弱发育,泥、钙质胶结,中等风化,岩石质量较差,全场分布,本次勘察未揭穿此层,最大揭露厚度为8.20 m。

由现场勘察得知,顶管场区内地下水丰富。

2 普通手掘式顶管的不足

2.1 地层界定

当W58#工作井于2011年8月份施工至顶管轴线标高层位处,岩性发生变化,岩石强度高、硬度大,竖硐施工难度大。为掌握岩层强度数据,项目总承包单位于2011年9月5日见证取样委托某试验检测公司对岩石进行强度检测,6个试件单轴饱和抗压强度最高92.6 MPa、最低55.2 MPa,检测结果平均抗压强度为66.2 MPa。依据岩石分类表(GB 50021—2001)对岩石进行类别界定,确定地层岩石为坚硬岩[3]。

2.2 存在的问题

工作井制作完毕后,顶管施工班组于2011年11月20日开始进行W58#-W59#的顶进工作,主要采用设备有锹、镐和冲击锤等。通过现场踏勘进一步得知,勘察资料与实际顶管施工地层不符,现场通过对顶管掘进面及出渣岩石情况分析得出,顶管掘进面岩性与工作井施工时一致,岩石为石英岩,属于坚硬岩地层,呈全断面分布(图1)。

图1 W58#-W59#顶管掘进面石英岩地层Fig.1 The quartzite layer on pipe heading face at W58# to W59#

针对石英岩地层,普通的手掘式顶管使用风镐直接破碎岩石。由于岩层较硬,风镐施工中岩体破裂难度很大,岩石锤击声音很脆,有回弹且震手,冲击锤凿击偶有火花现象出现,岩石浸水后,无吸水反应,施工难度很大。自2011年11月20日开始至2012年1月13日,共计55 d,采用普通手掘式顶管施工(24 h不间断施工),累计掘进25 m,平均顶速为0.45 m/d,施工效率极其低下,故施工停止,必须研究寻找科学有利的施工方法。经综合分析确认,造成施工效率低下问题的主要原因是普通手掘式顶管施工法在坚硬岩地层条件下顶管施工的适用性不强、凿岩效果不明显,施工难度很大,最终导致施工效率低下、成本无形增加,严重时会影响包括成本目标和工期目标在内的其它合同目标地有效控制和顺利完成,故必须对施工方法进行探索式改进或改良。

2.3 原因分析

石英岩是一种变质岩(石英岩含量>85%),主要是由石英砂岩及硅质岩经变质作用形成的,具有独特的晶体结构,其颗粒细腻、结构紧密,密实度高;同时,其具有大的强度、硬度和刚度,但质地较脆,容易断裂。

当风镐镐钎在锤体往复冲击作用于石英岩体时,岩体受到的是一个点力,作用点的压强很大。但由于岩体的强度高、硬度大、刚度强、密实度高,且掘进面呈全断面分布,岩体周围无裂隙,没有岩体开裂运动所需的空间。因此,岩体的综合抵抗强度很高。

鉴于以上设备及对岩性的理论分析可以得出,在镐钎作用下,即使在岩体上的镐钎作用点能产生很大的压强,但由于岩体的综合抵抗强度很高,岩体也不可能被大范围的裂隙松动甚至凿除,相反被破坏的只是短裂或呈小型碎屑状的石渣,甚至是呈粉末状的石粉,这就是造成普通手掘式顶管管前坚硬岩体凿挖施工效率低的根本性原因。

3 岩体凿挖方法的完善及改进

3.1 思路及对策

由以上分析得知,造成普通手掘式顶管管前坚硬岩体凿挖施工效率低的根本性原因是岩体的综合抵抗强度高。因此,解决此问题的首要关键点就是降低岩体的综合抵抗强度。

经分析得知,坚硬岩岩体的综合抵抗强度是包括其强度、硬度和刚度在内的一系列内在和外在因素综合影响的结果。实际施工中,岩体的外在环境无法改变,只能从内在因素寻找突破口。岩体的强度和硬度是由岩体本身内在的晶体结构等决定的,无法采用物理的方法进行降低,而刚度是呈全断面分布的岩体的整体属性,只要选择方法得当,是完全可以通过物理的方法进行降低的。

岩石特别是坚硬岩,具有极高的外部抗压强度,而从内部自内向外的抗拉强度相对很小,经验认为,抗压与抗拉强度的比值为100∶2～100∶10,处于脆性状态。实际施工中,笔者利用岩石呈脆性的特点,使用电动岩石分裂机(劈裂器)对岩体进行分裂松动,从而降低其整体刚度。劈裂器是利用楔块原理来设计的,在工作时其分裂枪端部楔块(图2)在狭窄的孔洞中向外能够释放出极大的分裂力,在数秒钟内可完成分裂过程,并且可连续无间断地工作,效率高。经过理论分析和反复论证后,决定利用手持式凿岩机通过在顶管掘进面上钻进一定直径和深度的孔洞来制造岩体开裂运动所需的空间(破裂空隙,图3),同时,利用孔洞将整体大岩体划分成了若干小型岩体后也达到了利于施工的目的。

开孔时应避免沿层理、节理和裂隙穿孔,以避免后续施工时造成劈裂力的分散和局部消散。通过劈裂施工(图4),掘进面岩体的综合抵抗强度得到了显著的降低。

图2 电动岩石分裂机(劈裂器)及分裂枪端部示意图Fig.2 The electric machine of splitting rock(splitting device) and the schemes of the end of splitting gun

图3 顶管掘进面上的孔洞Fig.3 The holes on pipe heading face

图4 顶管掘进面劈裂施工Fig.4 The splitting construction at pipe heading face

3.2 岩体凿挖方法的完善及改进

在问题得到解决后,掘进面岩石体将在不同程度上呈松动状态,此时再使用普通手掘式顶管凿岩方法施工将变得相对容易。但是,为了能进一步提高凿岩施工效率,还必须得在施工方法或顺序的层面上作相应地完善和改进,以便能达到良好的效果。

手掘式顶管在以坚硬岩为代表的稳定地层中施工,由于地层可以自支平衡,故施工方式采取“开挖—顶进”的模式,即先开挖后顶进,在洞内开挖预留有一定深度的空间后,再将管道顶进。普通手掘式顶管施工普遍使用手持风镐类机械进行凿岩,在凿岩时呈全断面无规律性作业。在实际作业中,施工的无规律性将导致工序增加、不能科学掌握岩性而有针对性地施工,因此施工效率会变得不高。

针对上述凿岩效率不高的问题,笔者在充分了解和掌握岩性特点的基础上,结合实际施工经验提出了分区凿岩施工方法,以便提高施工效率。在实际施工当中,使用的设备仍是手持风镐,但在凿岩方法上实行掘进面分区凿挖(图5)。凿挖顺序按图5所示1-5分区顺次进行。

图5 掘进面岩体分区凿挖图Fig.5 The schemes of rock division area on pipe heading face

在岩体的综合抵抗强度被降低后,首先进行1区的岩体凿挖。凿挖时需要克服1区围岩的侧限强度,此区域是几个区域中施工难度相对较大的位置,但是由于该区位位于掘进面的下方,施工人员方便作业且可以保持竖向施工,再加上综合抵抗强度已被显著降低,施工起来相对还是比较容易的。其它几个区域的施工按编号顺序的空间方位进行施作,由于前一个编号的区域已经被凿挖完毕,则紧邻后一个编号的区位就意味着已经失去了侧限,拥有了岩石体破坏或胀裂的空间,故岩石很容易被冲击锤凿下,施工起来也就变得容易、效率变得更高一些。

4 劈裂式凿岩方法的形成及实践效果

针对手掘式顶管管前坚硬岩体凿挖施工效率低的问题,笔者做了大量的分析和论证,并在实践中进行了实施和总结,增加并经历了“劈裂”工序这个关键阶段,有效降低了岩体的综合抵抗强度,最终使手掘式顶管由普通的“开挖—顶进”的模式转变为“劈裂—凿岩—顶进”模式,并在凿岩方法或顺序上进行了完善及改进,最终形成了劈裂式凿岩方法的基本思路和框架。

劈裂式凿岩手掘顶法虽然在工序上进行了增加,但在实际施工过程当中,施工难度得到了显著降低,实际变得更有利于施工,且其综合施工效率也相对得到了提高。W58#-W59#顶管段自2012年2月12日复工,至2012年3月20日结束,历时38 d,顶程63 m,平均顶速1.66 m/d。

由于施工人员认真负责,采取方法科学有效、措施落实到位,对各项顶进数据参数尤其是轴线偏差数据控制较好,使得管道顺利贯通,平均顶速从0.45 m/d提高到了1.66 m/d,劈裂式凿岩手掘顶管最终取得了良好的实践效果。

5 结语

(1) 通过本文分析可以得知,岩体的综合抵抗强度是影响手掘式顶管管前坚硬岩体凿挖施工效率的根本原因;在实践中,通过劈裂施工的劈裂力作用,可以促使掘进面岩体的综合抵抗强度得到显著的降低。

(2) 结合本工程实例,充分证明在普通手掘式顶管基础上发展而来的“劈裂—凿岩—顶进”劈裂式凿岩手掘顶管模式,在坚硬岩等类似稳定地质情况下采用取消工具管是可以实现顺利施工的。

(3) 顶管穿越地层资料的准确性对顶管施工工法的选择起到了决定性作用,故必须在施工前期做好勘测工作,包括水工环地质及地下管线的勘测,避免对工法进行二次选择,从而最终避免包括工期和成本在内的各项损失。

(4) 在劈裂凿岩前进行开孔时,应避免沿层理、节理和裂隙穿孔,禁止打残眼,随时观察并全力防止冒顶、片帮危险的发生。

[1] 韩选江.大型地下顶管施工技术原理及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2] 王瑞杰,张贤新.长江港口工业园污水管道工程施工方案[R].武汉:湖北地建集团神龙市政建设工程有限公司,2011.

[3] 中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范:GB50021—2001[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.

(责任编辑：陈文宝)

A Mehod of Improving the Construction Efficiency of the Rock CuttingExcavation by Hand-dug Pipe Jacking

WANG Ruijie, MA Chenxiang, FANG Cheng, ZHOU Zhongwei

(GeophysicalExplorationBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Wuhan,Hubei430056)

Based on the analysis on the characteristics of hard rock,by lowering the tube before the rock resistance strength,the authors change hand-dug pipe jacking by the traditional mode of operation “excavation-jacking” into a new mode of operation of the “split-chisel dig-jacking”. Practice has proved that,by improving the construction efficiency of the rock cutting excavation,hand-dug pipe jacking in hard rock strata in construction has achieved good results.

hand-dug pipe jacking; hard rock; construction efficiency; technology

2016-08-29;改回日期:2016-10-12

王瑞杰(1984-)男,工程师,土木工程专业,一级建造师,从事市政工程施工管理与测绘工作。E-mail:wrjie@126.com

TD231

A

1671-1211(2016)06-0971-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.032

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161109.1112.040.html 数字出版日期:2016-11-09 11:12