矿山法辅助过涌顶管复杂地层施工技术措施研究.pdf

117交通科技与管理工程技术0引言目前我国所应用的顶管机大部分为气压平衡顶管机、泥水平衡顶管机和土压平衡顶管机1-3。这几种顶管机对地质条件要求均比较苛刻。在复杂的地质条件下，施工方要提前考虑顶管的成功率，把各种情况分析透彻，才能使顶管成功率增加。虽然泥水平衡顶管机中有破岩顶管机，但破岩顶管机一般管径较大，尺寸型号与设计管道不相符，且造价较高，因此，该项施工技术借助隧道矿山法施工特点，对顶管管道前面土体进行水泥水玻璃双浆液超前加固，改善开挖土体塑性和流动性，并有效地进行止水，形成矿山法开挖顶管管道做衬砌的施工技术4-5。为此，该文结合广州水环境治理工程，从顶管设计、施工阶段的逐渐摸索，穿越河涌底部碎石带、流沙带等复杂条件下的顶管施工方面，总结了顶管施工的重点和难点。该文的研究成果对同类型工程的设计和施工具有重要的指导意义。1工程背景广州市车陂涌、棠下涌治理工程为城市雨污水管网治理工程。车陂涌片区二期工程龙洞北路位于广汕路以北，龙洞东路以东，全长 534 m，其中顶管施工 443 m。如图 1 所示。该文采用了一种高效的顶管施工方法，即逆作法。该方法是指在所有的工作井、接收井和中间检查井中，先从下游向上游挖掘，再从上游向下游推进顶管。顶管的推进过程中，使用了泥水平衡顶管机，该机能够在土层中形成稳定的泥饼，并保持土层和泥水的压力平衡，从而减少地面沉降和土层变形。其中 QWB4-QWB5为过车陂涌顶管，采用 DN1800 钢筋混凝土管做套管，内设 D820 双排焊接钢管（双排过涌管便于后期维护管理），QWB4 位于车陂涌右岸龙洞北路上，QWB5 位于车陂涌左岸绿化带内。根据广州市车陂涌棠下涌治理工程岩土工程勘察报告显示，该区域内岩土分层为顶管穿越地层，主要为中粗沙层，局部为粉细砂层，上部覆盖层为沙层、淤泥和杂填土层，在穿越河涌挡墙基础及河涌底部处为大量的抛石挤淤块石，普通泥水平衡顶管机无法正常通过。图 1工程示意图2施工技术措施分析由于过涌顶管采用普通泥水平衡顶管机无法正常顶进，且河涌水系发达，河涌底部土质含水量已趋于饱和状态。为了实现顶管工程目标，该段顶管采用了矿山法施工技术。该技术的原理是，在顶管机前方的土层中注入水泥水玻璃双液浆体，通过化学反应和物理作用，将土体中的游离水分排出并迅速固化。这样可以显著提高土层的力学性能，包括黏结力、内摩擦角、抗剪强度和密度等，达到加固效果。同时，注浆后的土层具有较低的渗透性和较高的防水性能，形成了有效的隔水层，再配合人工挖掘和顶管机推进，就可以逐渐完成顶管施工。2.1施工围堰加压与导流通过填筑跨河涌围堰，使围堰能够满足最小覆土厚度要求，保证施工作业面安全。对河涌底底板进行两排全断面封闭，采用两排 D800 管材对河涌水进行导流，如图 2 所示，围堰高度取 2 m，区域内用帆布敷设，且用土袋围堰进行填充，避免对河涌的污染。围堰加压有助于顶管超前注浆及顶管顶进时河涌底板压力满足施工要求。为了保证围堰的稳定性和防渗性能，建议使用黏性土或收稿日期：2023-09-07作者简介：范志超（1985）,男,本科,高级工程师,研究方向：工程管理。矿山法辅助过涌顶管复杂地层施工技术措施研究范志超（中国电建市政建设集团有限公司,天津 300384）摘要文章结合广州水环境治理工程，从顶管设计和施工阶段的逐渐摸索，穿越河涌底部碎石带、流沙带等复杂条件下的顶管施工方面总结了顶管施工的重点和难点。在特殊地质情况下，为提高顶管施工可操作性及成功率，对顶管工艺进行了合理优化，该项技术措施使顶管在各类复杂条件下的施工成为可能，为以后类似工程提供经验。关键词富水砂层；矿山法顶管施工；水泥水玻璃双浆液；超前注浆中图分类号TU990.3文献标识码A文章编号2096-8949（2023）18-0117-032023 年第 4 卷第 18 期118交通科技与管理工程技术砂夹黏土作为填充材料。在进行围堰的填筑时，应按照从上游到下游的顺序进行，并在下游处实现闭合，如图 3所示。图 2掌子面注浆孔布置图图 3施工围堰加压与导流现场平面布置图2.2注浆加固该施工工艺最主要工序为水泥水玻璃双液浆注浆工序，注浆效果直接影响技术实施的可行性。一是隔水效果要好，二是必须形成固结面，缺一不可。注浆材料选用水泥浆液和水玻璃溶液，按照设计配合比配置注浆溶液，该工程所需的主要材料有以下要求：水泥材料应选用 42.5 级普通硅酸盐水泥，并且进场材料应满足相关规范的规定；双液注浆原材料中的水玻璃，其模数应控制在2.43.2的范围内，其浓度应不低于40 Be（波美度）；水泥水玻璃双浆液作为快凝浆液进行注浆时，其注浆压力应不超过 1 MPa，并且在不影响注浆效果的情况下，尽可能降低注浆压力，同时控制浆液流量在 1020 L/min的水平上。现场该次注浆孔位按照 50 cm50 cm 梅花形布置，一次注浆孔深为 6 m，掌子面注浆布置如图 3 所示。注浆孔采用手持钻机进行钻孔。注浆采用小导管注浆法，小导管为带孔的塑料管，然后向钻孔孔内灌入封闭泥浆（或封孔器封孔），通过在管道前方土体钻进的孔中插入注浆管，通过一定的注浆压力将双浆液压入土体内。为了避免注浆孔发生塌孔现象，可在注浆孔的开口处设置适当长度的孔口管。该孔口管不仅可以在钻孔过程中起到导向作用，还可以在注浆过程中安装孔口封闭装置，防止浆液外溢。注浆孔的平面布置图见图 4。注浆施工的顺序是从下部向上部逐层进行，同时采用对称和跳距的注浆方式，以防止浆液窜流或压力不均，从而提高浆液的力学性能和约束效果。现场注浆效果如图 5 所示。图 4注浆孔平面布置图图 5现场注浆效果图2.3矿山法辅助顶管施工该工程采用矿山法顶管施工技术，所需的主要设备有工具管、油缸支架、主顶油缸、主顶泵站、导轨、穿墙止水等。图 6 为工作井内主顶设备的安装示意图。在进行顶管管道的推进之前，必须先推进工具管，以便控制管道的方向和高程。在开挖土层时，应避免超挖的情况发生。设备安装好后，要检查管道轴线是否与工作井轴线、导轨轴线和主顶油缸轴线对齐，如有偏差要及时调整。确认无误后，再安装调试电路、油路和注浆系统。该工程使用矿山法顶管施工技术，开挖方式为人工手持风镐破土开挖。因此，在工具管内挖土时要控制管腔挖土量在 300 mm 以下，按照由上而下的顺序逐层开挖。由于管道内有地下渗水，因此，开挖时要随时注意渗水量的变化，水量增多时要及时采取堵漏措施。管内出土拟采用轨道矿车进行运输，经卷扬机将装满弃土的斗车扯水平牵引出管外，顶管施工流程详见图 7。119交通科技与管理工程技术图 6工作井内主顶设备安装示意图图 7顶管施工流程图3管道失稳与涌水涌沙处理技术措施分析3.1管道失稳原因分析该文针对矿山法顶管施工中可能出现的管道失稳现象进行了分析和改写。工具管后方的管道轴线如果出现不受控制的弯曲，并且弯曲程度不断加大，就称为管道失稳。这种情况主要发生在顶管施工的长距离和超长距离情况下，所以要严格控制管道的轴线。导致管道失稳的直接原因是侧向力。矿山法顶管施工理论上只有在直线推进时才没有侧向分力，但实际上顶管施工过程中难免会有一些偏差。一旦有了偏差，就会产生侧向力。当侧向力达到一定程度时，就会导致管道的轴线失稳。一旦失稳，就会使得管道的轴线弯曲更加严重，并且增加侧向力，从而形成一个恶性循环，最终导致顶管施工失败。因此，在矿山法顶管施工中必须采取有效的措施来防止或减少管道失稳的可能性。根据分析，造成管道失稳的主要原因有以下几种：（1）不稳定的土体：如果在不稳定的土体中进行顶管施工，那么土体对于管道的支撑作用就会很弱，从而使得管道的轴线容易发生位移。（2）土体承载力过低：如果土体的承载力过低，那么土体对于顶管施工中产生的侧向力就无法形成有效的平衡力，从而使得管道的轴线容易发生位移。（3）施工轴线偏差过大：如果施工轴线与设计轴线有较大的偏差，就会造成管道的轴线弯曲，并且随着偏差的增大，弯曲率和侧向力也会增大，从而引发管道轴线失稳。尤其是当管道轴线向上弯曲时，顶力的侧向分力也会向上作用，使得管顶土层的压力不够。覆盖层的厚度越小，管道轴线失稳的风险越高。（4）在软黏土中施工时，如果覆盖层过薄，过量注入触变泥浆可能导致洞穴扩大，覆盖层上升，洞穴向上发展。洞穴扩大部分被触变泥浆填充，管道上浮，造成管道轴线弯曲，侧向力增加，引发管道失稳。3.2顶管施工流沙处理措施流沙处理方法是一种综合性的施工技术，结合了换土垫层法和排水固结法的各自优势，既能改善流沙的物理性质，又能加速流沙的固结过程，施工现场防止流沙情况采用超前注浆的工艺对顶管前端进行水泥水玻璃超前注浆加固处理，保证工作面的稳定。首先是施工现场准备好 DN1800 折叠式止水面板（含混凝土浇筑预留口）和折叠式后靠支架，由于此段地质条件较差，开挖过程中若出现流沙现象，用双浆液注浆处理，如果流沙较大，立即用折叠式止水面板进行封堵，后靠支架支设牢固，在预留口位置注射混凝土，以确定断面结构的稳定，待混凝土终凝后，拆除支架和面板，对结构断面进行再次注浆加固，以提高其稳定性和耐久性，确保作业人员安全。4结语富水砂层一直是非开挖管网施工的重难点地段，一直未有很好的处理措施。为此，该文结合广州水环境治理工程，从顶管设计、施工阶段的逐渐摸索，穿越河涌底部碎石带、流沙带等复杂条件下的顶管施工，总结了顶管施工的重点和难点，提出了一种矿山法辅助过涌顶管复杂地层施工技术措施。该施工技术措施将矿山法开挖的技术思路进行延伸，形成矿山法开挖顶管管道做衬砌的技术措施，解决了城市管网通过复杂地带的一大难题。在富水砂层进行管网施工是一项具有高难度的工程任务，需要根据现场的具体条件，制定出科学合理的技术方案，并进行有效的动态控制，以保证工程质量和效率。参考文献1 魏兰.泥水平衡顶管掘进机施工技术 J.建筑技术开发,2022(24):43-45.2 洪松,孙宝升.岩顶管掘进机超长距离施工主要设计参数探讨 J.港工技术,2020(3):44-47.3 郭勇.超浅埋大直径管幕下穿特级火车站顶管掘进机选型研究 J.施工技术,2020(1):57-60.4 顾杨.顶管掘进机纠偏控制系统的设计与研究 J.建筑施工,2014(4):438-440.5 龚叶锋,朱伟林,张振.泥水平衡顶管掘进机对地下障碍物的适应性研究 J.特种结构,2009(6):90-93.