软硬交互复杂地质矩形顶管长距离顶进施工方案研究

尹大伟 王嘉 罗苗

摘要：以新津县红岩污水处理厂配套污水主干管工程为背景，结合工程实际，首次提出了在上软下硬特殊地层中矩形顶管长距离顶进作业的专项施工方案。研究结果表明，采用“潜孔钻破碎硬岩+袖阀管注浆加固地层”的施工方案， 克服了矩形顶管在软硬交互地层顶进施工中顶管易偏移、易失稳变形等工程难题，实现了顶管在软硬交互地层的长距离安全快速顶进作业，研究结果可为同类市政工程的实施提供借鉴。

关键词：尹大伟 王嘉 罗苗矩形顶管； 软硬交互地层； 长距离顶进； 施工方案

中图分类号：U455.47文献标志码：B

0引言

目前在非开挖管道施工过程中，管道常需要穿越国道、高速公路、地铁房屋群、河道、鱼塘等，为尽量减少对地面开挖的影响，降低管线迁改和埋深较大时开挖难度，常使用顶管法施工，此法高效、对地表构筑物基本无影响，广泛应用于地下防排水工程中［1-3］。现如今顶管技术越发成熟，但由于顶管施工的隐蔽性，其安全问题尤为突出，在复杂地质条件下，顶管作业易引发塌方、漏水、脱节、偏差过大等各类事故［4-7］。相较之下，矩形顶管法因施工安全风险低、对地表及周边环境影响小而被广泛应用。但矩形顶管在穿越软硬交互地层时极易出现刀具磨损严重、顶管偏移等问题，导致顶管机被迫停机，严重影响施工进度，如何实现矩形顶管机在软硬交互地层中长距离安全快速顶进，是目前矩形顶管法施工所面临的主要技术难题之一。

目前，国内外大量学者对复杂环境下的顶管施工展开了大量研究。陶永隆［8］研究了长距离顶管施工在市政工程中的应用，解决了城市给长距离排水工程施工质量的难题；Deng等［9］通过大量现场监测顶管施工工程中顶管与围岩的接触压力、顶进荷载等，通过监测数据分析了顶管施工过程的围岩力学特性，研究结果表明，当顶力增大时，拱顶和边墙处顶力大小不变，仰拱处顶力增大；许有俊等［10］结合数值计算和现场实测，研究分析了顶管曲线施工过程中的地表沉降变化规律，严格控制注浆是控制地表沉降的关键措施；付晓畅等［11-12］提出了顶管施工过程对周围土体扰动的控制措施；刘顺青等［13］采用三维数值计算模型研究了顶管施工对上跨桥梁的影响，分析了顶管施工过程中地面沉降的变化规律。

综上，国内外学者对复杂环境下顶管施工的研究取得了显著性成果，而目前对软硬交互复杂地质条件下顶管作业的研究还相对较少，为了实现矩形頂管机在软硬交互地层中长距离安全快速顶进，本文以新津县红岩污水处理厂配套污水主干管工程为背景，结合工程实际，首次提出了在上软下硬特殊地层中顶管长距离顶进作业的专项施工方案，克服了顶管在软硬交互地层顶进施工中顶管易偏移、易失稳变形等工程难题，消除了施工安全隐患，实现了顶管在软硬交互地层的长距离安全快速顶进作业，能为同类市政工程的实施提供借鉴。

1工程概况

新津县红岩污水处理厂配套污水主干管项目工程位于四川省境内，该项目拟对新津县旧城片区、民航飞行西片区、主城区北部片区、南河组团、纯阳片区、花桥镇镇区、新津天府新区配套区、工业园区 A 区、新材料及物流园区的污水进行收集并输送至红岩污水处理厂进行处理，项目包括总长约 24.06 km 的污水干管工程以及4 座中途提升泵站工程（图1）。

如图1所示，根据污水收集区域及管线走向，污水主干管工程共分为 A、B、C、D 四段，综合据地勘资料及相关工程经验，对长度约4 km的暗挖部分采用顶管作业。在A1K0 +156至A1K0+211里程段，管道埋深3.60～8.21 m，顶管作业需穿越软硬差异性极大的复杂土层，顶管施工过程中极易发生管道失稳变形、顶管偏移等现象，阻碍施工进度，严重影响施工安全。

2上软下硬地层顶管施工关键技术

2.1硬岩破碎技术

顶管在软硬交互地层中顶进易出现管道失稳变形、顶管偏移现象的原因主要是由于地层对顶管的作用反力差异较大，由此可通过击碎硬质岩层，使岩层达到松散状态，满足顶管机顶进要求。可采用潜孔钻施工破碎下方硬质岩层，具体工艺为：

（1）测量放线。由测量组放线定位出探槽开挖位置，人工开挖探槽沿顶管机掘进方向，在顶管隧道两侧开挖两条宽1 m、深2 m探槽管沟，探明顶管范围内的管线情况，并在现场做好标识。

（2）地质补勘。沿顶管掘进方向布孔进行地勘调查，孔位距离隧道外边线 20 cm，间距2 m一个，根据补勘报告，确定硬岩层破碎范围。

（3）钻孔设备就位。综合考虑选取150 mm带调平支腿的潜孔钻机钻孔，钻机就位后稳定设备，确保钻孔过程中钻孔角度不倾斜。

（4）钻孔击碎硬质岩层。对隧道洞身范围内的硬岩层进行密排引孔破碎，引孔方向垂直地面90°，深入顶管底部以下0.3～0.5 m范围，孔距为 0.3 m×0.3 m，钻孔需成排按顺序搭设，不能跳孔，防止硬岩层破碎不到位。

（5）地层破碎效果检测。钻孔完后才能根据孔深、孔角、孔间距综合判定潜孔钻地层破碎效果，若钻孔不合格，则返回潜孔钻密排钻孔破碎工序，对不合格钻孔进行补钻（图2）。

2.2袖阀管注浆加固技术

潜孔钻施工破碎下方硬质岩层过程中也会对上方弱岩地层造成较大影响，为了保证顶进过程中围岩的稳定性，需要对上方软岩地层采取加固措施，可通过袖阀管注浆加固软岩地层［14-15］。注浆采用42 mm 的袖阀管，环纵间距设为0.6 m×0.6 m，呈梅花形分布，注浆深度为地表至矩形顶管隧道拱部。注浆步骤：

（1）安装袖阀管。钻孔清空后下入袖阀花管和芯管，在装袖阀花管和芯管过程中及时加水，防止因浮力过大而不能精确下入孔底。

（2）灌入套壳料。施工过程中，结合室内试验及实际情况，选择最优配比套壳料，套壳料用量Q可采用式（1）计算。

Q=1.3×π×（R－r）×H（1）

式中：Q为套壳料用量，（m3）；R为钻孔半径，（m）；r为袖阀管半径，（m）；H为注浆段高度，（m）。

（3）固管止浆。在袖阀管外花管与孔壁之间的环状间隙处下入注浆管，在孔口上部 2 m孔段压入止浆固管料，直至孔口返浓浆为止。

（4）注浆。如图3所示，开环后自下而上注入P.04.2.5普通硅酸盐水泥浆，并采用分段跳孔的注浆方式，防止窜浆，以每排孔眼作为一个注浆段，长度为 50 cm。注浆时按先注入稀浆再注入浓浆的原则逐渐调整水灰比，注浆压力为0.4～0.8 MPa，结合实际情况由下向上逐渐减小。

2.3顶管推进工艺

对硬岩地层破碎、软岩地层注浆加固后方可进行顶管顶进施工。如图4所示，顶管施工关键步骤为：工程测量、放样—开挖施工工作井—安装起吊设备—安装顶进设备—安装导轨—顶管进洞、纠偏—排土—注浆加固—检查井施工—水压试验—井周回填。

顶管正常掘进前应进行试验性掘进，掘进时应对掌子面土压力、出土量、减阻泥浆注入量、土体改良剂的配制参数等顶管施工参数详细收集，正常掘进参照试验段取得的参数进行调整施工。施工现场矩形顶管掘进施工如图5所示。

3工艺原理及特点

3.1工艺原理

顶管机在穿越软硬交互地层时，在地表利用潜孔钻对隧道范围内的下层硬岩层进行破碎，使岩层达到松散状态，满足顶管机顶进要求，然后对地表至隧道拱顶之间因潜孔钻施工造成的破碎地层进行袖阀管注浆加固，保证隧道上方地层的稳定性，使顶管机在上软下硬地层中稳定顶进。

3.2工艺特点

（1）施工进度快。本工法可有效降低顶管机由于复杂地层原因被迫停机的风险，加快施工进度。

（2）简单、高效。本工法主要工艺为通过潜孔钻破碎下层硬岩，通过袖阀管注浆加固上层地层，方案实施简单，投入设备少，占用场地较小，便于施工组织，现场处理速度快。

（3）安全性高，施工成本低。较明挖施工或顶管机被埋（弃壳）处理方案相比，本工法操作简单，施工安全系数高，总体资源投入小，处理费用少。

3.3适用范围

本施工方案成功应用于红岩污水处理厂配套污水主干管工程、秦巴物流园区“一纵三横”道路工程，工程质量满足规范要求，工法关键技术成熟可靠，以施工安全快捷、节约成本、质量可靠、节能环保、突出绿色施工理念等突出的工法特点，优势明显，适用于软硬交互复杂地质条件下的矩形顶管工程施工，应用前景广阔，具有较高的经济和社会应用价值。

就本项目工程实例中，从方案制定到顶管顺利通过软硬交互复杂地层段，共历时1个月，较传统处理方法开槽明挖法节约工期4个月，节约投资250万元；较顶管机被埋（弃壳）法节约工期1个月，节约投资200万元。

4结束语

本文依托新津县红岩污水处理厂配套污水主干管工程为工程背景，结合工程实际，首次提出了在上软下硬特殊地层中顶管长距离顶进作业的专项施工方案。研究结果表明，采用“潜孔钻破碎硬岩+袖阀管注浆加固地层”的施工方案， 克服了矩形顶管在软硬交互地层顶进施工中顶管易偏移、易失稳变形等工程难题，实现了顶管在软硬交互地层的长距离安全快速顶进作业。

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［作者简介］尹大伟（1975—），男，本科，高级工程师，主要从事建筑施工技术及工程管理工作。

［通信作者］罗苗（1992—），女，本科，工程师，主要从事建筑施工技术管理。