手掘式顶管在兰州地区卵砾石地层中的应用

杜　俊，贲　柯，罗小虎，席大成

（甘肃中建市政工程勘察设计研究院，甘肃兰州730000）

手掘式顶管在兰州地区卵砾石地层中的应用

杜俊*，贲柯，罗小虎，席大成

（甘肃中建市政工程勘察设计研究院，甘肃兰州730000）

介绍了在兰州地区手掘式顶管在卵砾石地层中施工的关键技术（卵砾石地层坍落严重难以顶进），重点讨论了在坍落度较大的卵砾石开挖面采用地表钻孔注浆的辅助措施，改善卵砾石地层开挖面的胶接度，使其在卵砾石地层中可以顺利完工。同时，对不同方式布置的注浆孔的效果做了对比分析，为今后兰州地区卵砾石地层的手持式顶管作业的注浆工作有指导性意义。

手掘式顶管；卵砾石地层；钻孔注浆；对比分析

尽管在我国沿海地区顶管施工技术由手掘式发展到较先进的泥水平衡、土压力平衡等新技术，但兰州地区的顶管技术才刚刚起步，受到经济发展和其他因素的限制，才开始试用手掘式顶管施工技术。以下是结合兰州某污水管道工程实例，重点在坍落度较大的卵砾石开挖面采用地表钻孔注浆的辅助措施，改善卵砾石地层开挖面的胶接度，使其在卵砾石地层中可以顺利完工，供以后在兰州地区的类似工程参考指正。

1　工程概况

本工程为兰州某污水管道的一个标段，管道施工地点在城关区黄河旁。其中管道为钢筋混凝土管道D1500。该标段是整个管网工程的关键性控制工程。全线管底标高东高西低，本标段管道长度1.5km，覆土深度3.5～7.8m，基本上本段地下水位均在砂卵石顶进层面以下；如遇地下水位在顶进地层以上首先进行降水工作，以保证顶进工作顺利进行。

2　工程地质情况

顶管施工经过地段主要为黄河古河滩。场地表层为黄土状粉土，地下水位埋深4.2～10.5m，地下水主要为孔隙潜水。卵砾石为主要的含水层，第三系砂岩为主是其下部隔水层。本段管道地下水位均低于卵石层面。

3　顶管工艺的选择

根据管道的埋深，其穿越的主要地层为卵砾石地层，卵砾石地层中的一定的含水量，在施工过程中有可能有漂石出现，同时此施工标段上部为晚第三纪黄土，而且其中一部分为古河堤。综合以上因素考虑，结合兰州市的顶管使用情况和工程经济成本，决定采用手掘式顶管技术进行施工。

4　顶管施工中的主要技术措施

4.1工作坑结构设计

本工程的工作坑使用钢筋混凝土工作坑，结合现场情况，工作坑的结构形式如下：工作井平面尺寸为10.0m×6.0m（底部长×宽），深度以设计管道底面标高为依据。后背墙拟用钢筋骨架和C30混凝土浇筑而成，再结合钢筋混凝土管道的壁厚，调节导轨垫层枕木的厚度及尺寸。工作井的范围内要设置安全生产警示牌等。

4.2顶进力的计算

顶管顶进力主要为顶管正面与顶管的管道四周的阻力的和，其阻力和为F0，其顶进力公式（经验公式）为：

F0=F1+πDLf

式中：F0——总阻力，kN；

F1——初始阻力，400kN；

D——管道外径，m，为1.5m；

L——顶进长度，m，各顶进分段距离最大为100m，取值100m；

f——采用注浆时管壁与地层的摩阻系数，kN/m2，取值经验值6kN/m2。

代入相关数据，求得顶管阻力为3226kN，选用2台额定顶力2000kN的千斤顶。

4.3卵砾石地层塌落的钻孔注浆处理

在顶管顶进到40m处，卵砾石的坍塌严重使顶进工作无法正常进行，所以为了保证工程的顺利完成，本段地层准备运用XY-180型钻机，采用130型号的钻杆，使用钻孔注浆对手掘式顶管施工的上方地层进行注浆加固和土层改良。

4.3.1工艺流程

钻孔孔位放样—钻机就位—下管钻进至设计地层深度—注浆作业—喷射注浆—钻机进入下一个钻孔准备施工。

4.3.2施工方法

（1）钻孔施工前应该确认孔位，钻机到位。然后进行对位校正，钻进时如果遇到障碍物，要选择适当的钻井液和钻头，对障碍物进行处理。不允许擅自改变钻孔位置，遇特殊情况应及时报告甲方和设计方负责人员。

（2）钻孔至设计深度时，开始喷射浆液，冒浆后开始提升钻杆，喷射至地面-0.3m时处提升钻杆，直至钻孔顶部有凸起结束注浆。

（3）浆液水灰比1∶1。

（4）注浆压力应该控制在22MPa左右，对于提钻和注浆速度应根据现场施工情况及时调整。

4.3.3注浆质量指标

注浆岩芯对比：在注浆区域24h后，用全孔取芯法进行取样，由于砂卵砾石和水泥浆包糊，部分芯样完整性较好，整体芯样密实，浆液渗透饱满、充填效果较好。取岩芯后，取出一块较完整的岩样进行抗压试验，浆液固结强度达到0.12MPa以上。

4.4钻孔注浆孔的布置

对于本段卵砾石地层的钻孔注浆加固，钻孔的布置对地层的加固效果有相当大的影响。注浆孔的布置选用了3种布孔方式：环状布孔、梅花式布孔、行列式布孔，3种布孔方式的孔间距和孔数都基本相等。

5　施工成效

在相同注浆面积3种布孔间距和孔数都基本相等情况下，现场记录的卵砾石坍落量数据为依据，绘制了布孔注浆方式与卵砾石坍落量的关系曲线图（见图1），可见环状布孔注浆效果效果较好。实际施工过程中也反映了这一事实。因此在后续施工中，只要保证以后在卵砾石中使用环状布孔方式进行注浆，就可以减少卵砾石坍落量，对手掘式顶管的施工的顺利进行提供了良好的帮助。

图1　布孔注浆方式与卵砾石坍落量的关系曲线图

6　总结和建议

（1）目前手掘式顶管施工，无论是设备还是工艺都有了较大的改进，再配合辅助措施（例如：钻孔注浆处理、注浆润滑处理等），使其能在更多类型的复杂地层条件下使用。

（2）在手掘式顶管施工中，复杂地层的挖掘面很容易发生坍塌。因而需采用超前钻孔注浆处理等措施进行加固处理。

（3）钻孔注浆处理是本次工程中的一个重要环节，不仅注浆岩芯对比环节较为重要，可以检验砂卵砾石注浆效果，而且利用环状布孔钻孔注浆处理，最大程度上减少卵砾石地层的坍塌量，大幅提高顶进速度，节约成本等。

（4）为今后兰州地区手掘式顶管在坍塌度较大的砂卵砾石地层中的使用给出指导性作用。

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TU941

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1004-5716（2016）04-0037-02

2015-03-23

2015-03-25

杜俊（1981-），男（汉族），湖北仙桃人，注册岩土工程师、高级工程师，现从事岩土工程勘察、设计、检测等技术工作。