顶管隧道岩层预处理施工探索

顶管隧道岩层预处理施工探索

洪天丰

广州轨道交通建设监理有限公司 广东广州 510010

摘要：结合顶管隧道中风化岩层预处理施工的实例，阐述两种处理方法、过程，对比分析造价、工期等要素，为后续类似顶管隧道岩层处理施工提供一定的借鉴。

关键词：顶管；中风化；预处理；对比

1、概况

1.1工程概况

项目位于广州市番禺区，隧道沿线现状位农田鱼塘，隧道全长1456.494米，采用顶管法施工，分四段隧道、四个工作井进行组织施工。

本文所述案例区间顶管隧道长437m，共173节管，平均覆土厚度6~8m，地质情况主要为淤泥、粉质粘土、局部有强风化泥质粉砂岩，2处中风化（20米长隧道断面范围泥质粉砂岩、12米长隧道断面范围砂砾岩）处理，顶管管节均采用C50等级的钢筋混凝土构件，每节长为2.5m、内径为3.5m、管壁厚为0.32m。根据地质勘察资料显示，隧道全线以淤泥、粘土为主，未见明显类似中风化硬岩，故顶管机刀盘设计为平面刀盘，未配置滚刀等破岩刀具，具体参数如下：顶管机设备型号为NPD3500泥水平衡,顶管机结构形式为铰接式，前(后)管体尺寸4180*2500*30mm,开挖直径4200mm,刀盘开口率11.8%,中心鱼尾刀一把,切刀数量132把,撕裂刀数量10把,保径刀16把,贝壳刀28把，刀盘驱动采用电机驱动,刀盘驱动功率37Kw*7,刀盘转速0~1.24r/min,刀盘扭矩1750kN.m,主泵站推力200t每根,共10根,液压站系统压力31.5MPa,泵站流量80ml/r,泵站功率22*2Kw。

1.2案例概述

①340m～360m区段20米隧道长断面中风化泥质粉砂岩，采用MXL-150D型多功能钻机处理。

勘察资料显示隧道350米位置存在中风化泥质粉砂岩，但未明确具体范围，现场鱼塘回填后由承包商自行组织勘察单位进行补勘，补勘后岩石物理力学报告显示强度在12.4MPa~34.7MPa之间，确定在340～360米处共20米隧道范围存在中风化泥质粉砂岩，经过多次会议商讨决定采用MXL-150D型多功能钻机进行提前处理，历时90天完成第①段中风化处理。

②285m～297m区段12米长隧道断面中风化砂砾岩旋挖钻处理。

因MXL-150D型多功能钻机处理方法未能完全保证后续顶进顺利，根据处理方案专家意见及类似工程经验，参建单位一致决定在第②段处理时采用旋挖置换施工的方法。。

顶管进行第111节管顶进施工时，顶管机的增压长杆泵蜗壳出现频繁炸裂和排泥管反复堵塞的情况，导致顶管机无法顺利顶进，在采取反复清理疏通管道、增加密封式采石箱、更换大功率排浆泵、更换更大直径进排泥管等多种施工措施，历时44天仅顶进约1米，因此承包商暂停顶管机顶进，并由承包商、设计单位先后对机头前方进行补充勘察。

由于本段原为鱼塘，设计勘探无法进行勘探施工（详见图），现鱼塘已经回填，设计单位对机头前8m补勘了4孔，施工单位对机头前23m补勘了9孔，补勘后岩石物理力学报告显示强度在21.1MPa~38.8MPa之间，并且确定在285m～297m处共12米隧道范围存在中风化砂砾岩，2019年5月28日经专家评审后确定采用旋挖钻机置换砂浆施工方法对该段硬岩进行处理，历时25天完成第②段中风化处理。

1.3地质情况

（1）第①段隧道340m～360m范围中风化地质情况：

1-4中风化泥质粉砂岩：红褐色；层状构造，泥质充填，岩石裂隙发育，岩芯多呈短柱状，少量呈碎块状，碎块表面粗糙，敲击声哑，无回弹。经测算岩面最高处覆盖整个隧道断面，长度约20米。

图1 340m~360m中风化泥质粉砂岩勘察情况

（2）第②段隧道285m～297m范围中风化地质情况：

砂砾岩：中风化砂砾岩：灰黄色，岩石裂隙发育强烈，结构部分破坏，层装构造，岩芯主要呈短柱状及碎块状，柱长约5~30cm不等，敲击声脆，有回弹。经测算岩面最高处覆盖整个隧道断面，长度约12米。

图2 285m~297m中风化砂砾岩勘察情况

2、中风化处理方法及过程

2.1第①段隧道340m～360m范围中风化泥质粉砂岩处理方法及过程

由于顶管机刀盘未配置破岩刀具，顶管机无法顺利通过该段岩层，为了不影响顶管隧道顶进施工，需要在顶管机顶进前对岩层进行破除。由于该段岩层位于鱼塘回填下方，回填土松散，如果采用基坑土方开挖方案，受多种因素限制只能采取放坡开挖，基坑开挖深度为15m，属于超过一定规模的危险性较大工程，存在高风险。该施工方案施工工期较长（预计约90天），鉴于该地区处于雨季，受天气影响较大，对后续顶管施工工期造成较大影响，因此经承包商内部专家建议、参建单位同意，在顶管始发前采用钻机进行预处理。

（1）针对本段中风化，采用MXL-150D型多功能钻机对本段中风化进行预处理，钻头采用直径180mm三翼合金钻头，钻孔间距300mm，钻孔形式为梅花型，钻孔范围为隧道底和隧道左右各加宽1米。钻孔完成后采用粘土回填，从地面向下挖1m，在按照30cm一层重新回填，每层用压路机压实。

（2）主要工程量及造价

表1 340m~360m多功能钻机处理中风化主要工程量

市场单价70元/米，共计约130万元。

（3）现场平均每日两班施工共计约16孔，工期为90天。

（4）为确保顶管顶进顺利，承包商及厂家对顶管机刀盘刀具在顶进前进行全面检查，并对刀盘部分存在损坏情况的刀头合金进行对应更换。本次更换数量为38具。在原有刀具的基础上增加28具贝壳刀，增加刀头的磨岩能力。根据贝壳刀厂家提供信息，贝壳刀抗磨能力达到40MPa。同时在中心刀上增加耐磨焊。安装时将合金刀头与刀座倾斜一定角度安装，增加刀头与刀座的接触面积，延长刀头的使用寿命。

2.2第②段隧道285m～297m范围中风化处理方法及过程

旋挖机挖除岩层后，整排桩孔隧道范围灌注M5砂浆，硬岩段处理完成后施工场地用20cm厚C20混凝土硬化。

（1）旋挖机选型

ZR360C-3型旋挖机，履带长度为5.492m，宽3.6m，钻头直径1.2m。

表2 ZR360C-3型旋挖机参数

（2）机械施工平台处理

硬岩处理范围四周各加宽6m、原地面以下60cm碎石回填，并压实。满足旋挖机施工要求。

（3）施工区域包含钻机位置、废泥土堆放区、泥浆池。

（4）处理范围

采用旋挖机处理宽度5.4（轴线两边各加宽60cm）米，长度12米，隧道底加深0.5米，每孔孔深约12m。第一排桩边距机头0.5m，避免机头刀盘受损，每桩施工前需用全站仪进行桩孔定位和水准仪测量标高，钻进过程中应复核孔位和钻杆的垂直度，成孔后对孔深进行复核，确保桩位和桩深满足方案要求，确保顶管隧道范围内岩石处理干净。

（5）布桩方法

按照相邻桩咬合0.36m布桩。横向6根，纵向14排，共84孔。

（6）施工步骤

①施工准备、场地平整→②施工放样、测量定位→③旋挖施工→④灌注M5砂浆→⑤回填表层土→⑥旋挖机移位→⑦重复③-⑤施工循环→⑧场地恢复→⑨顶管顶进

排和排之间、桩和桩之间均为错开施工。泥浆护壁，每钻完一孔后，用M5砂浆灌注，由285m往297m处理，处理完成一排，顶管往前顶进一个桩位，避免顶管长时间停机，缩短顶管停机时间。

（7）主要工程量及造价

表3 285m~297m旋挖桩机处理中风化主要工程量

市场单价2400元/米，方案造价约233万。

（8）工期：2019年6月8日~2019年7月3日历时25天。

3、中风化处理前后对比

（1）285m～297m硬岩段处理后顶管顶进情况

2019年6月24日恢复顶进后未进入硬岩段预处理区前（尚有50cm），排泥管堵塞次数有所减少，机头球阀堵管依然频繁，顶进缓慢，在机头进入硬岩段预处理区后顶进速度变快，顶进参数正常。7月5日，顶管机刀盘完全通过硬岩段预处理区，时间为11天，平均每日顶进1.09m。

（2）340m～360m硬岩段处理后顶管顶进情况

在通过第一段硬岩处理段后，顶管机恢复正常顶进，于7月16日进入340m～360m硬岩处理区域，在通过该段硬岩处理段时，未出现堵管情况，顶进参数正常。经统计，顶管机通过该段时间为11天，于7月26日顶管机刀盘完全穿越硬岩处理区域，平均每日顶进1.82m。

（3）MXL-150D型多功能钻机与旋挖桩机处理中风化成效数据对比：

表4 中风化处理对比

4、经验总结

“地质是基础”作为顶管施工管理中是重中之中，结合本案例总结以下几点：

（1）广州地质情况较为复杂，尤其复合地质条件顶管施工难以应对，应在顶管设备选型或改造时考虑适用复合地层，配置具备破岩能力的刀具（如滚刀），以增强顶管机适应性。

（2）由于前期地质勘察资料不全（20米中风化泥质粉砂岩），以及对已发现的不良地质情况未进一步确定其范围（12米中风化砂砾岩），导致顶管顶进受阻，故项目开工前应保证有详尽的地勘资料并复核其准确性，针对地质情况在选型、适应性评估阶段作充分考虑。

（3）当顶管顶进第110节受阻时，参建单位对该顶管机应对复杂地质的局限性考虑不充分，未能当机立断组织预处理，导致停工44天，增加了地面塌陷、顶管机下沉等施工风险。

（4）顶管恢复顶进过程中排泥（主要为砂）不畅， M5砂浆强度过高导致顶进缓慢，后续工程中应充分考虑回填材料选择，如选择M2.5砂浆。

参考文献

[1] 北京市政建设集团有限责任公司.GB50268-2008 给水排水管道工程施工及验收规范．北京：中国建筑工业出版社，2009

[2] 广东省基础工程集团有限公司.DBJ/T 15-106-2015顶管技术规程.广州：广东省住房与城乡建设厅，2016

[3] 中国地质大学（武汉）.GB50268-2008 顶管施工技术及验收规范，2006