顶管遇岩石处理技术

顶管遇岩石处理技术

陈会振 1 戴海洋 2

（ 1. 南京市公共工程建设中心，江苏 南京 210019 2. 南京康飞建筑工程有限公司， 江苏 南京 21 1806 ）

摘要:顶管顶进过程中遇到不明障碍物，经钻孔取芯与地质雷达物探后，确认顶管前方存在20m左右岩石地质。由于受到顶管下方地铁线路的影响，无法采用开挖破除障碍的常规措施进行处理，综合多方因素，采取反向顶进，回拉已顶进管道及机头后，采用岩石顶管机按原设计标高重新顶进的方案对此工况进行处理。对回拉管道的施工工艺、受力计算以及岩石顶管的重点进行了详细介绍，通过此方案成功处置了此次顶管遇障碍状况，可为其他类似工程状况提供借鉴经验。

关键词：顶管 障碍 岩石 反向顶进 回拉

中图分类号: TU99 文献标识码: B

0 引言

工程实施过程中可能遭遇各种无法预料的突发状况，面对各种突发状况，依据工程技术原理、结构力学知识、国家及地方技术标准规范以及以往成功的施工经验，采取科学合理的方案，并细化为具体的可实施的施工工艺，是工程技术人员解决实际问题的一项必备技能，也体现了一定的工程技术水平。顶管技术作为一种暗埋非开挖技术，广泛应用于市政管道、油气运输、电力输送等各个领域，具有不破坏地面、不影响交通、环境污染小等多方面的优势。但是由于地下构筑物、管线、地质情况不可视、深地层地质勘探技术受限等现状，顶管施工过程中经常会遇到各种无法预料的突发状况，如顶管路径上遇障碍物、遇地质空洞或流沙导致机头陷落等状况。

1 工程概况

本工程顶管区间长108米，管径为D1000，坡度为3%。现状地面标高为+11.65m，设计管内底标高+5.276-5.600m。顶管区间管道位于地铁上方，管外底距地铁洞顶5m，此段地表上方有一道立交匝道桥。

根据原勘察设计提供的地勘报告，顶管段处于粉砂粉土层。顶管正常顶进时，机头顶进30m处遭遇不明障碍物，顶管机工作电流出现异常，电流值波动幅度超出正常状态，无法顶进。

为防止管道抱死，暂停顶进期间，保持触变泥浆的注入。每三天注一次触变泥浆，每次膨润土用量约1吨。

对障碍进行开挖排除为顶管施工中最常用的一种措施。常规采用钢板桩支护，机械开挖后破除障碍，回填压实后继续顶进。考虑到地铁的运营安全，地铁保护单位不同意开挖施工，所以只能作保护性施工方案。

对障碍物位置及前方进行钻孔取芯，由于受到顶管上方立交匝道净空影响，采用旋喷桩机钻孔，受制于旋喷桩机转速较低，遇一般障碍即无法钻进，钻孔效果不理想。后对顶管段轴线下地层采用地质雷达进行物探，分析基岩面高度。

根据钻孔取芯的取芯显示，顶管机头处不明障碍物为岩石。地质雷达物探成果显示，除机头处外，沿顶管管道轴线方向另有约20m的范围内存在岩面抬高的局部小地质现象，将影响顶管的正常施工。钻孔取芯与地质雷达物探成果得到了互相验证。

2 施工技术方案

2.1 总体方案

顶管区间管道位于地铁上方，管外底距地铁洞顶5m，由于地铁保护单位不同意开挖施工，结合取芯、物探成果，考虑到顶管机头前方约有20米长存在岩石影响，采取反向顶进，回拉已顶进管道及机头后，采用岩石顶管机按原设计高度重新顶进方案。即利用工作井管道侧面井壁加固后作为拉管的后靠背，工作井井底设置轨道，轨道上方设置钢横梁、横梁中间设置牵引索，牵引索的另一端固定在顶管机的尾部，利用双侧千斤顶顶升横梁，逐步顶推后取出退回的管节、机头，然后更换岩石顶管机按原设计高度重新顶进。

2.2 回拉管道施工

回拉管道施工工艺流程：制作后背墙→反向导轨安装→油缸支架安装→工具管作力点制作→管前注浆→拔管

（1）后背墙制作

由于W100工作井为圆形井，内壁带有弧度，不能满足油缸使用时对平面所作要求，因此在管道两侧必须做两个后背墙，要求后背墙的立面必须垂直于管道轴线，最大厚度 500mm,立面采用2块600mm*1200mm*50mm铁板，后背墙内设置两层Ф20号钢筋网片，采用C35混凝土浇筑填充。

（2）工具管作力点制作

工具管管内后部有一10cm圆环焊接于工具管内，用一根型号25b工字钢长1.1m横于工具管后部，回拉管主Ф28钢筋焊接在工字钢上。工具管回拉管作力点须对称分布于机头两侧。如下图所示：

（3）反向顶进摩阻力及回拉钢索截面积计算

F=πDLf

式中：D顶管段外径，取1.2m；

L顶进长度，本标段单顶最大顶程按30m考虑；

f管外壁与土体间单位面积摩阻力（Kpa），混凝土管道在注压触变泥浆形成液体摩擦浆套长时间停工情况下按 10KN/ m2 计算（顶管正常取值范围为5~8KN/m2）。

F=πDLf＝3.14*1.2*30*10＝1130.4KN

HRB400钢筋抗拉强度设计值：360N/mm2，

钢筋总截面积＝1130400N÷360N/mm2=3140mm2

Ф28钢筋截面积＝3.14*142＝615.44mm2

615.44mm2*6 根＝3692.64mm2 > 3140mm2

回拉钢索采用Ф28钢筋6根，每侧3根。

（4）回拉管道施工

采用2只200T液压油缸作用于后背墙与横梁上。横梁与工具管内25b工字钢采用6根HRB400φ28钢筋焊接。采用双面焊接，焊缝长度与工字钢顶面同宽。初始拔管时须密切观察拔管压力，由于采用2只200T油缸顶进，则液压泵站压力表压力值为31.5MPa时，顶力值为估算为4000KN。

1MPa代表顶力为 4000KN÷31.5MPa＝126.98KN

顶进压力表控制值为：钢筋总截面积*钢筋抗拉强度设计值÷126.98KN/MPa

＝3692.64mm2*360N/mm2÷126.98KN/MPa

＝10.47MPa

回拉管道时，液压泵站压力表控制值应小于9MPa，否则可能将钢筋拉断。

（5）注浆

管前注浆应与拉管作业同步进行，防止管道在拔出过程中管前土体塌方，造成路面塌陷从而造成安全事故。管前注浆注浆量与拉管速度应匹配，注浆量应略大于管道拔出体积。注浆压力控制在0.5MPa-1MPa之间。注浆前应将工具管位置附近地堪孔用水泥砂浆填实，防止浆液从地堪孔冒出来。注浆液质量配合比：膨润土：粉煤灰：水：水泥＝1：1：2：1。

当工具管拉出至洞口时，为防止注浆液从洞口流出，应暂停拉管作业，改变注浆液配合材料及配合比，新配合比采用水泥：水玻璃：水＝1：0.08：1.2。在地面定好位置钻孔注浆。待水泥浆硬化后，具备一定强度后方可将工具管拔出预留洞内。

2.3 岩石顶管重点

将原顶管机头取出后，更换岩石顶管机头，按照原顶管施工专项方案实施顶进。重点在遇岩石时顶管机姿态的控制。可采取以下措施：

1）控制顶进速度在0.3m/小时；

2）根据情况适时打开工具管上方的向下纠偏油缸；

3）提前对涉岩石段土体按洞口加固设计方案进行D600@400 高压旋喷桩加固，加固范围25m * 5.2m * 4m。

顶进设备主要包括千斤顶、高压油泵、顶铁、顶管机及排浆设备等。此段涉及的顶管管径为D1000，根据地质情况及不同管径的工程量，选用岩石顶管机一套。千斤顶的选用：D1000顶管选用4个200t的千斤顶。选用千斤顶行程为2m，成品管道每节2m，无需加顶铁，管道与千斤顶之间设置分压环，保证管道受力均匀。

3 结语

本工程中，顶管顶进过程中遇到不明障碍物，综合多方因素，采取反向顶进，回拉已顶进管道及机头后，采用岩石顶管机按原设计标高重新顶进的方案对此工况进行处理。本文对回拉管道的施工工艺、受力计算以及岩石顶管的重点进行了详细介绍，可为其他类似工程状况提供借鉴经验。

参考文献：

[1] GB500009-2012 建筑结构荷载规范[S].

[2] CECS246:2008 给水排水工程顶管技术规程[S].

[3] 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,2020,57(03):44-47.