陳軍，曹廣勇，崔立志，周江，周帥

（1.中鐵四局集團有限公司市政工程分公司，安徽 合肥 230022；2.安徽建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601)

1 引言

頂管施工在城市地下空間等發(fā)揮著越來越重要的作用[1]，國內(nèi)外對該方法進行了大量研究，在某些方面甚至達到了世界領(lǐng)先水平[2]，如石敏魁[3]分析了市政污水管道施工中的曲線頂管施工技術(shù)；張玉生、周明藝等[4]介紹了直徑達3.5m、頂進距離為1743 m的大口徑長距離頂管施工關(guān)鍵技術(shù)；魏綱、林金盾[5]分析了廈門高崎北溪引水干渠遷改工程DN3000鋼管頂管施工工程技術(shù)。但針對上土下巖復(fù)合地層頂管施工技術(shù)尚無類似經(jīng)驗和相關(guān)研究文獻報道。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件變化情況，研究并采取不同的施工技術(shù)對上土下巖復(fù)合地層進行支護，以達到防止土層坍塌、保證施工安全的目的，并提高施工效率，取得較好的經(jīng)濟與社會效益。

2 工程概況

本項研究依托于昆明滇池外海北部水體置換通道提升改造工程二標巖土復(fù)合斷裂面暗挖頂管施工，管道直徑2.5m，覆土5m～8m，頂進斷面上部為泥炭質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粘土，厚度0.2m～0.8m；下部為白云巖、中風(fēng)化灰?guī)r，含水量較小。粘土層呈軟塑—可塑狀態(tài)；白云巖層，強風(fēng)化，細砂狀；灰?guī)r層，中風(fēng)化，較完整。該段地層空間分布變化大，力學(xué)性質(zhì)差異大。因此，針對不同的地質(zhì)條件采取如下相應(yīng)的施工技術(shù)。

圖1 施工總平面

3 頂管超前管棚支護技術(shù)

對于掘進斷面上部土層在α角小于120°的情況，采取超前管棚支護技術(shù)。通過對掌子面上方沿一定的間隔和角度打入小導(dǎo)管，具體如圖2所示。上半部弱黏土層α小于120°范圍內(nèi)。

圖2 超前管棚施工圖

3.1 超前管棚法支護及施工方法

超前管棚法主要采用小導(dǎo)管，間距控制在150mm，小導(dǎo)管采用Φ42mm×4mm熱軋無縫鋼管加工而成，每根長度為3m，前端加工成錐形（如圖3所示）。

當每次鋼管頂進至距離掌子面300mm～400mm時停止頂進，將已加工完成的小導(dǎo)管以3°～5°的外插角用風(fēng)鉆打入黏土層，環(huán)向間距為150mm，每次打入深度不小于3m，嚴禁小導(dǎo)管向下傾斜。在超前管棚施工完成后進行掌子面掘進，每次掘進長度為1.2m～1.5m，以保證小導(dǎo)管入土深度最少為1.5m，這樣才能利用鋼管的抗彎剛度防止拱頂上部土層坍塌，從而確保施工進度和施工人員人身安全。

圖3 巖土復(fù)合斷面超前小導(dǎo)管

3.2 特殊地質(zhì)條件下超前管棚支護技術(shù)

圖4 注漿小導(dǎo)管大樣圖

在巖土復(fù)合斷面復(fù)雜地質(zhì)條件下，頂管施工過程中，當遇到拱頂上部為巖溶泥流地段、砂土地段、自穩(wěn)性較差的軟弱破碎地層、斷裂破碎帶以及大面積淋水地段進行頂管施工時，在這種復(fù)雜地質(zhì)條件下，必須對地層進行超前預(yù)加固，超前支護，采取超前管棚注漿施工。注漿采用Φ42mm×4mm熱軋無縫鋼管，如圖4所示。每根長度為4m，布置在拱頂180°范圍內(nèi)，管棚環(huán)向間距為20cm，外插角為3°～5°，小導(dǎo)管上設(shè)梅花形注漿孔，孔徑為10mm，孔間距為30cm，尾部1m范圍內(nèi)不設(shè)主漿孔作為止?jié){段，前段加工成錐形。

①注漿漿液采用水泥—水玻璃雙液注漿，水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃采用Ⅱ型水玻璃，水泥漿液水灰比為 1:1；注 漿壓力為 0.5MPa～1.2MPa。

②注漿前先檢查管路和機械狀況，確認正常后進行注漿試驗，從而確定合理的注漿參數(shù)。

③在注漿過程中注漿壓力達到1MPa，并持續(xù)穩(wěn)定5min以上，可停止注漿，并及時封堵注漿口。

④當單液注水泥漿壓力持續(xù)升高，可能發(fā)生堵管，應(yīng)立即停止注漿進行檢查，雙液注水泥與水玻璃如壓力持續(xù)升高，則應(yīng)停止注水玻璃，進行注清水，待泵正常運行時，再進行雙液注漿。

4 地面超前注漿對拱頂軟弱土體的支護技術(shù)

在頂管施工中拱頂上部為軟弱土層，在施工中會引起各種工程事故。雙液注漿能夠在短時間內(nèi)起到加固和強化作用，這樣在頂管施工掌子面掘進過程中不會出現(xiàn)大量土體坍塌現(xiàn)象，有利于降低施工難度和安全風(fēng)險。因此，針對拱頂上部為軟弱土層采用支護技術(shù)如下：

①雙液注漿采用的水泥和水玻璃作為灌漿材料，水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃采用Ⅱ型水玻璃，水灰比0.8:1～2:1，水泥漿與水玻璃比例為0.5～1:1，攪拌時間不得少于3min。

②水泥—水玻璃雙液注漿采用SYB50/50—1注漿泵。

③注漿孔沿軸線方向共布置5列，孔間距1m，列間距1m，呈梅花形布置，如圖5所示。

圖5 雙液注漿注漿孔布置圖

④在鉆孔完成后，應(yīng)立即安裝注漿管，注漿管應(yīng)露出地面20cm～40cm，開始注漿時發(fā)動注漿泵，檢查注漿管，從孔口注入水泥—水玻璃漿液，注入孔底擴散填充到被加固的土體，并將壓力控制在 0.1MPa～0.2MPa。

⑤為了得到良好的注漿效果，在注漿時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況分段進行注漿，每段注漿先注中間一列孔，再注兩側(cè)兩列孔，兩側(cè)孔可鉆注交替推進，待孔口管固定后再向下注漿，注漿結(jié)束后，7天后才能進行頂管施工，以保證水泥漿有足夠的凝固時間。

5 拱頂軟弱土體簡易格柵拱架支護技術(shù)

在巖土復(fù)合斷面復(fù)雜地質(zhì)條件下，頂管施工過程中，在人工掘進或者爆破掘進施工時，容易造成拱頂上部軟弱、松散土層易坍塌，對安全造成威脅。因此，針對進出洞口或上部軟弱土層α大于120°的地質(zhì)條件，頂管施工時采取格柵拱架支護拱頂軟弱土層技術(shù)，如圖6、7所示。

圖6 巖土斷面圖

圖7 洞口格柵拱架支護施工圖

5.1 簡易格柵拱架對軟弱土體支護施工

①超前小導(dǎo)管采用Φ42mm×4mm熱軋無縫鋼管加工而成，每根長度為3m，前端加工成錐形。將已加工完成的小導(dǎo)管以3°～5°的外插角用風(fēng)鉆打入土層，環(huán)向間距為20cm，每次打入深度為3m，在施打過程中嚴禁小導(dǎo)管向下傾斜，在超前管棚施工完成后進行掌子面掘進，每次掘進不得超過1.5m，每掘進0.5m應(yīng)及時安裝格柵拱架，以確定小導(dǎo)管入土深度最少為1.5m。

②小導(dǎo)管施工完成后進行巖土破除，每掘進0.5m時，應(yīng)及時安裝格柵拱架，掘進1.5m后立即進行噴錨支護、鋼管頂進施工，爆破施工每次爆破進尺不應(yīng)超過1m。

③錨桿支護采用Φ25帶排氣裝置的中空注漿錨桿。初噴混凝土后進行錨桿施工，錨桿插入長度不得小于設(shè)計長度的95%，錨桿安裝后不得隨意敲動。

④將注漿塞通過錨桿打入孔口30cm左右，連接錨桿、注漿管、注漿泵，注漿，直至壓力到達漿液從孔口周圍溢出后，注漿完成，卸下注漿管和錨桿接頭，轉(zhuǎn)入下一孔注漿。注漿漿液水灰比為0.5:1。

5.2 格柵拱架施工及安裝

開挖斷面上部土層采用格柵拱架加固，拱架斷面尺寸為150mm×150mm，拱架主筋采用直徑22螺紋鋼筋，每節(jié)拱架之間采用M20螺栓連接，具體制作、拼裝圖見圖8、9、10。安裝技術(shù)如下：

圖8 拱架型鋼連接圖

圖9 格柵拱架斷面圖

圖10 格柵拱架、錨桿縱斷面圖

圖11 簡易格柵拱架施工

①格柵拱架事先預(yù)制加工，現(xiàn)場拼裝安裝設(shè)置，拱架之間用φ22縱向連接鋼筋焊接牢固；

②在施工時，除使用縱向連接鋼筋將各榀格柵拱架連成一體外，同時將拱腳焊在鎖腳錨桿上，架立格柵拱架時，要使其與混凝土噴面密貼，形成承載結(jié)構(gòu)，在拱腳底部增加12mm厚連接板（鋼板尺寸：200mm×200mm），與鋼架焊接成型，以增大其支撐能力，控制拱架下沉量；

③格柵拱架應(yīng)與噴射混凝土形成一體，鋼架與圍巖間的間隙必須用噴射混凝土充填密實；鋼架應(yīng)全部被噴射混凝土覆蓋,噴射混凝土保護層厚度不小于40mm。施工現(xiàn)場如圖11所示。

5.3 頂管施工

①在簡易格柵拱架支護施工完成后應(yīng)及時進行鋼管頂進，每次頂進距離掌子面30cm～40cm時停止頂進，便于小導(dǎo)管后續(xù)施工。

②在開挖掘進過程中應(yīng)先對上部土層進行開挖，上部土層開挖斷面完成后，進行格柵拱架安裝噴錨支護施工，待支護完后，對下部巖石層進行破除。

6 拱頂軟弱土體工具管支護技術(shù)

當遇到頂管上部環(huán)境或土層可能不滿足注漿的條件時，則無法對頂管斷面上部土層進行改良，人工掘進頂管施工困難。對這種地質(zhì)條件，在巖土復(fù)合斷面頂管施工過程中，采用頂管工具管支護技術(shù)，防止在管道頂進過程中掘進面上部的軟弱土層坍塌。

工具管具有制作方便、操作簡單、可拆卸，減少浪費、降低材料成本，并提高工作效率和頂管施工質(zhì)量的優(yōu)點，同時前端防護檐板可拆卸，當?shù)刭|(zhì)情況發(fā)生變化，如軟弱土層消失時，可拆除前端防護檐板，按正常人工掘進頂管工藝施工，以提高施工效率。

6.1 巖土復(fù)合斷面頂管工具管結(jié)構(gòu)

工具管結(jié)構(gòu)如圖12所示，包括管體1以及位于該管體前端的防護檐板2，該防護檐板采用鋼板或與頂進管道同規(guī)格鋼管制作后同法蘭連接。所述防護檐板2與管體1同軸設(shè)置，其中心角≥135°，增大防護檐板的支承能力，使得工具管在頂管施工時，其上部土層不會發(fā)生坍塌。防護檐板2的長度根據(jù)主管1的直徑設(shè)計，本實施例中防護檐板的軸向長度等于主管直徑的二分之一，承重較為穩(wěn)定。

所述管體1的前端端口處還設(shè)置有連接加固法蘭板3，進一步提高工具管的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖12 巖土復(fù)合斷面施工工具管

6.2 在上土下巖復(fù)合斷面頂管施工中工具管施工

①頂管頂進時將防護檐板2頂進至上部土層內(nèi)，即可進行下部巖石破除開挖。

②開挖至防護檐板0.5倍的進尺后，再次頂進0.5倍防護檐板的長度，繼續(xù)下部巖土的開挖掘進，直至頂進至頂管接收井，整個頂進過程中，操作方便實用。

③當遇到前方掌子面全部為巖層時，可將防護檐板拆卸，按正常人工掘進頂管工藝施工，以提高施工效率。

7 結(jié)論與應(yīng)用

本文基于昆明滇池外海北部水體置換通道提升改造工程二標上土下巖復(fù)合斷裂面暗挖頂管工程，采取常規(guī)人工頂管、機械頂管無法進行施工。因此，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件變化情況，采取不同的技術(shù)措施對拱頂軟弱土層進行支護，得出以下結(jié)論：

①對于掘進斷面上部土層α＜120°的情況下應(yīng)采取超前管棚支護技術(shù)，這樣節(jié)約成本，縮短施工工期；

②對于管道軸線附近有建筑物、砂土段、自穩(wěn)性差的軟弱破碎地段應(yīng)采取超前注漿加固技術(shù)，水泥—水玻璃雙液注漿初凝時間短，且容易控制，早起強度高，能夠在短時間內(nèi)起到加固土體的作用；

③對于掘進斷面上部土層α＞120°的情況下，進出洞口等應(yīng)采取簡易格柵拱架支護技術(shù)，格柵拱架噴錨結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，能夠保證施工過程中安全；

④頂管上部環(huán)境或土層可能不滿足注漿的條件時，則無法對頂管斷面上部土層進行改良，人工掘進頂管施工困難，采取頂管工具管支護上部土體進行頂管施工。

⑤順利完成長320m直徑2.5m巖土復(fù)合斷面頂管施工，節(jié)省工程投資約500萬元。該方法具有安全性高、適應(yīng)地層范圍廣、操作簡單、成本低等優(yōu)點，對于類似地層的施工具有明顯的借鑒作用。