城市软弱塌陷地质条件下人工敞口式钢顶管施工控制探讨

摘要：在城市基础设施项目建设中，非开挖技术，特别是顶管技术因其施工作业占地少、工程综合成本低、对周边环境影响小、不阻断地上交通通行、施工工期短、作业安全等传统开槽施工工艺无法比拟的技术优点，被广泛应用在城市雨（污）水排水工程、地下电力管线工程、地下燃气管道工程中主管道（管沟）的新建、改扩建及管道更新等方面。然该技术在软弱地层中易发生“抱管”、掌子面坍塌、管节偏转下沉、管道渗漏现象等造成顶进停滞，引发地表下沉，影响近接建（构）筑物结构安全。本文针对城市软弱塌陷地质条件，结合具体工程实例，探讨钢顶管的适用性、施工工序优化控制及工作端移动式安全防护等，供类似项目参考。

1.工程简介

宜昌市西陵二路沿江大道至东山大道段雨污合流管道采用敞口式顶管施工，起止桩号为K0-010～K1+456.551，顶管竖井共18座，顶管总长度1562.4米，设计埋深6—10米，管径分别为D1800、D2000、D2200。采用预制C50钢筋砼顶管专用管材，承载能力不低于3级管，钢承口接口（F型接头）。

根据地勘资料显示，顶进掌子面为砂砾层、中风化砂岩、强风化砂岩层为主。但是，在D6-D14段顶进作业过程中发现，地勘资料与实际地质情况有出入，与地勘揭露情况相差甚远，且局部位置（D7-D6段）易塌空。经研究优化，D7-D6段采用钢顶管[1]，D2000×20mm螺旋钢管，Q235B材质螺旋管，每节钢管长度为3米。内外焊缝符合II级焊缝要求，采用超声波无损伤检测。顶管工程概况说明具体如表1、图1、图2。

表1  西陵二路顶管工程D6-D14段工程概述说明表

图1  西陵二路顶管工程D6-D14段平面示意图

图2  西陵二路顶管工程D6-D14段剩余工程量示意图

2.钢顶管在软弱塌陷地层中的应用

2.1钢顶管内插“抱管”混凝土管节综合分析

西陵二路顶管工程D7-D6段全长115.8m，主要为砂卵层，顶进过程中遇散落大体积漂石、片石，局部有脱空发生。约有14m长钢筋混凝土管节顶进因暴雨天气停滞施工后地层固结“抱死”管壁，形成“抱管”，无法继续顶进。

图3  实际阻力过大造成顶进停滞示意图

图4  “时空效应”下管周土体固结形成“抱管”示意图

图5  顶进排出、管内坍塌的富水砂砾淤泥照片

钢顶管因其管壁厚度约为混凝土管管壁厚度的1/10左右，容易克服管端阻力；同时，管壁光滑，可以很好地克服管周摩阻力[1]。故采用D2000×20mm钢管从已经施工完成的混凝土管内穿过，并按设计纵断面继续往前顶进。该段顶进轴线左上方有电缆沟，右上方约1.6m处有浆砌毛石挡墙。在D7往D6方向顶进72m后，砂卵层间有水外渗，且右上方遇零星散落的大体积片石影响，导致掌子面局部塌陷，顶进受阻，进行优化施工。

2.2内套钢顶管顶进施工流程

钢管顶进工艺与原钢筋混凝土管敞口式人工挖掘顶进施工类似[2]，该段顶管挖土进尺不超过30cm。具体步骤如下：

焊槽施工→原管内清淤、高度调整→原混凝土管内穿钢管→钢轨调整校正→钢管吊装→测量→接头焊接、焊缝防腐→顶进作业、出土清淤→循环施工下一管节[3]。

图6  钢顶管管节图

2.3塌陷条件下内套钢顶管顶进优化工序配合措施

2.3.1原混凝土管内穿钢管

原有钢筋混凝土管径2.2m，壁厚220mm。现有钢管径选用ф2000×20mm，从已经施工完成的混凝土管内穿过，并按设计纵断面继续往前顶进。钢管在混凝土管内穿过时，需将混凝土管内的杂物、泥土清扫干净。混凝土管内底部用3cm橡胶垫垫实并与之固定后，才可以穿钢管，防止钢管与混凝土内壁摩擦发生防腐涂料损坏等情况。

2.3.2塌陷段地面超前注浆加固处理

（1）工艺流程

图7  塌陷段地面超前导管注浆处理施工流程

（2）钻机钻孔及下管

为保证在顶进过程中右侧浆砌毛石挡墙的稳定，D7-D6段剩余39m分段采用超前导管注浆的方法加固土体。地面钻孔下管的方式分为以下两种情况：

1）前20m剩余顶进长度内顶管位置在道路挡墙基础垂直范围外，在挡墙右侧小区道路地面钻孔，如下所示。纵向设置两排竖直钻孔，横距50cm，纵向间距1m，钻孔距离挡墙边缘0.5m。注浆加固挡墙基础底部土体，增强稳定性。

图8  D7-D6段挡墙基础垂直范围外超前导管注浆处理图

2）最后19m剩余顶进长度内顶管位置在道路挡墙基础垂直范围内，由于该段顶管轴线与挡墙轴线贴近，为保证挡墙的稳定性，孔位设置在挡墙左侧辅道地面，垂直成孔，注浆加固挡墙底部左侧土体，增强挡墙稳定性，防止挡墙倾覆。孔位横向间距1m，纵向间距1m，贴近挡墙纵向设置两排钻孔。孔底距离挡墙底部垂直距离为50cm，距离挡墙边缘水平距离50cm。

图9  D7-D6段挡墙基础垂直范围内超前导管注浆处理图

将孔位沿挡墙外侧测量放样并做好标记，采用锚固钻机开钻成孔，成孔后卸掉钻头，安装套管设备，将注浆花管内套装入，沿孔位下管。

（3）花管制作

花管选用φ48.3×3.6普通钢管。用气动点焊机在钢管上钻出φ8mm出浆孔，纵距0.5m，横向环形四等分。

图10 花管构造图

（4）注浆施工[4]

为保证顶管工期，注浆液采用P.O42.5R早强水泥、水，并掺入5%~10%水玻璃（如未遇水，可不掺入）配置，注浆顺序为先两侧后中间，对称注浆。初始注浆压力一般在0.3~0.5MPa之间，终浆压力在1.0~1.2MPa之间。浆液水灰比按照1.5:1、1:1、0.8:1三个梯度配置，并掺入5%~10%水玻璃作外加剂，浆液由稀到浓逐级变换。当钻孔处出现溢浆且浓度均匀一致时，注浆停止，转入下一孔处理。

2.4塌陷条件下钢顶管移动式超前防护

钢顶管掌子面采用I型防护，构造如下图11所示：

图11  钢顶管I型防护横、纵断面图

1、主体架

沿钢顶管上半圆180度均匀分布，共计16根，采用18#槽钢满焊于钢顶管内壁上，悬臂长度为50cm，焊接固定长度不小于1.2m。槽钢空隙间采用木方填充。

2、加强肋筋

沿横向点焊于槽钢上，其中，固定端间距30cm。将之前悬臂部分进行切除，撤出所有的悬挑构件。

3、管口防护格栅

在管口采用22mm钢筋制作成钢筋网片，端头与钢管内壁或接触的槽钢焊接，钢筋横向、纵向各设三道，每道间距不大于45cm。管口下方留出50cm高度便于破除石块后取出。

2.5塌陷条件下顶管后注浆处理

1、顶管完成后，在塌陷脱空处电缆沟与挡墙间地面钻直径20cm孔，内套DN200PVC管作为灌注导管，注入C25水下商砼（自密实性好）填充密实。为保证脱空处完全填充密实，在灌注完砼后，沿灌注孔位置进行压力注浆。灌注完后，地质雷达探测灌注区域填充饱满度。

图12 塌陷脱空区处理图

2、内套钢管空隙注浆处理

全部钢管顶进施工完成后，在混凝土管与钢管之间用浆液注入密实不留缝隙。注浆管选用Φ50PVC管，长度14m，端头封住。注浆断面设置4个注浆导管进行注浆，浆液采用水泥-水玻璃双液浆。

图13  内套钢管空隙注浆横断面示意图

3.结论

通过本章案例研究分析，得出以下结论：

1.对于软弱富水土层、易塌空地质条件，钢顶管因其管壁厚度约为混凝土管管壁厚度的1/10左右，容易克服管端阻力；同时，管壁光滑，可以很好地降低管周摩阻力。因此，在此类地质条件下，钢顶管较混凝土顶管更易顶进，宜优先选用。

2.复杂地质条件下，顶管作业应根据掌子面性状，严格控制进尺长度，控制超挖量，落实专项掌子面安全防护，不得冒进冒顶作业。具体来说，在富水软弱土层、易坍塌位置，必须控制进尺长度在30公分左右。

3.城市软弱坍塌地质条件下，顶管施工应加强施工过程中地质勘查描述与参数的复核工作，重视顶管顶进方向超前易坍塌段顶进前、后的处理，保证安全顶进，不发生“栽头”、下沉等。

参考文献

[1] 张龙.大口径钢管顶管注浆减阻技术的改进[J].市政技术, 2006,24(2): 110-112.

[2]中华人民共和国建设部.给水排水管道工程施工及验收规范(GB50268-2008)[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[3]上海市政工程设计院等编.给水排水工程顶管技术规程(CECS246-2008)[S].上海:上海市政工程设计研究总院,2008.

[4]刘学琳.浅谈顶管施工引起地面沉降的原因及控制[J].南京市政, 2002(l):20-21.

[5] 余彬泉,陈传灿著.顶管施工技术[M].北京:人民交通出版社, 1998.