复杂岩层顶管水磨钻掘进顶管施工技术

复杂岩层 顶管 水磨钻掘进顶管 施工技术

冯松青

湖南省第三工程有限公司 湖南 湘潭 411100

摘要：在复杂岩层顶管施工过程中，一般采用微爆加人工清理，在城市中心区的雨污管网改造过程中，受道路、周边建筑物及地下管线影响，不宜使用爆破技术。本工法介绍了一种复杂岩层水磨钻掘进顶管施工方法，不仅节省材料、提高工效，还符合生态环保要求，美观大方。

关键词：复杂岩层；水磨钻；顶管施工

在城市区雨污管网改建、新建由于受周边建筑物和地下管线的影响，一般采用顶管施工。在顶管施工过程中如遇到岩石，一般采用人工或爆破技术，但必须考虑到爆破对路面沉降、周边建筑物和管线影响。顶管水磨钻掘进施工技术是当遇到坚硬岩石时，顶管掘进由原微爆、原风（电）镐碎石加人工掘进改成由水磨钻碎石的一种施工方法。

1.工程概况

该工艺在湘潭市河东风光带二期项目王家晒顶管工程等工程中施工应用此施工工艺，均取得了很好的效果。王家晒顶管工程位于湘潭市昭山示范区，施工起点为王家晒渠两支流交汇处、终点为王家晒渠与滨江路交汇处。工程顶管工程数量管径DN1000mm钢筋砼管 2000 米；管径DN1500mm钢筋砼管1500米。在WA9沉井施工至标高32.28m及WA12沉井施工至标高36.33m位置处时，底部触及坚石层。

2.工艺特点

（1）水磨钻施工是在人工顶管的基础上进行改进，将人工破石改为人工配合机械带水碎石。相比人工沉井及掘进，效率将大大提高。 

（2）水磨钻施工是带水作业，极大减少了施工过程中管内的粉尘，不会因粉尘原因对工人造成呼吸系统与肺部的伤害，极大改善了井下工人的施工环境条件，对劳动者的健康防护水平提高较大，也大大提高了工作效率。

（3）水磨钻施工是人机配合施工，操作人员只需固定支架移运钻机极大减小了工人的劳动强度，有利于工人高效、持续作业。

（4）适用于复杂岩层如次坚石、坚石、特坚石地段顶管（含沉井）开挖。

3.工艺原理

水磨钻主要由水磨钻机、水磨钻筒和专用水泵三部分组成。一般一个水磨钻机配备3～5个水磨钻筒，一个水磨钻筒上有7个刀头。水磨钻筒外径为16cm，内径为14cm，壁厚度为1cm，高度为60cm，一个循环可钻50～60cm。专用水泵外径为12cm，高度为40cm。水磨钻法主要是通过水磨钻机沿顶管外径钻若干个孔，孔孔相连，钻孔后取芯，待所有水磨钻钻孔连成一个环后，孔芯就和孔外壁分离了，形成了孔芯的临空面，然后对剩余的岩芯部分进行分块，沿圆半径取芯分块形成内部临空面。在分块的岩石上钻上一排小孔，然后在小孔内锥入钢楔子，捶击钢楔挤压岩石，使岩石同时受到水平面上的拉力和水平面上的剪切力作用，当挤压力大于极限抗拉力和极限抗剪切力之和时，岩石沿水平面被拉裂并从根部发生剪切破裂，分解成若干小块，利用自制小车装土外运并利用桁吊运至地面，取出分裂的岩块。依次按照分层取芯、破裂、取岩块的循环工序作用，最终达到成孔的目的。随后对孔洞用风镐进行修整，最后管道顶进。

4.工艺流程及操作要点

4.1工艺流程

水磨钻掘进顶管施工流程如图1所示。

图1水磨钻掘进顶管施工流程

4.2操作要点

4.2.1施工准备

正式施工前，水源、电源接通，将施工所用的材料、机具运输到位，技人员熟悉图纸，了解地质情况、管径、深度、长度等相关参数，并对操作人员进行技术交底和安全交底，达到开工的条件。

4.2.2测量放线

使用全站仪进行测量定位，放出井室中心点及管道中心线并标注在工作坑壁上位置，用水准仪及钢尺记录管道标高并标注在工作坑上。根据图纸，利用五线投线仪放出管道外径孔的圆周线，经监理单位复核后可以开始施工。考虑到施工过程的误差以及开孔之间的残余岩石，一般钻孔桩径大于设计管道外径10cm左右。

4.2.3水磨钻沉井施工

（1）水磨钻开孔取芯完成环形切割。测量放样后钻机就位，固定钻机位置，保证套筒向孔侧壁外倾一定角度，这样在下循环才可以保证钻机就位后套筒起钻点能置于设计孔边线面不造成缩孔，保证成孔截面尺寸。准备工作全部完成后，开始水磨钻钻孔取芯。水磨钻开孔拟成洞的圆形四周进行，钻孔直径16cm，孔深50～60cm。钻孔时向井孔外侧倾斜3度左右，预留出钻具的尺寸，按照直径8.7m的成洞尺寸，沿圆周钻孔，保证形成一个完整的环形切割。保证循环施工时孔径不变，沿管道孔壁布置取芯点。依次钻取外周的岩芯，取出的岩芯高约500mm，将外周岩芯取完后桩芯体岩外围便形成一个环形临空面。

（2）水磨钻打孔取芯把岩芯分割为16等分便于岩体破裂。全部钻孔及取芯施工完成后，对需要清除的剩余岩芯进行破碎。水磨钻在岩芯上沿圆心钻8排直径为16cm的钻孔，将岩芯岩体等分成16等份的楔形体，每份占岩芯体积的1/16，以便于岩体破裂。完成（1）（2）两个步骤后，每个循环可以向下挖掘0.5m。

4.2.4水磨钻顶管施工

因顶管内径为1.5m，故成洞尺寸按2.0m执行即可。水磨钻打孔取芯后把管内岩芯分割为8等分便于岩体破裂。其余施工方法同上述水磨钻沉井施工，每个循环可以向前掘进0.5m。

（1）孔芯外运。水磨钻施工一边进行，一边对取出的钻芯组织外运。钻芯外运采用吊斗，卷扬机吊装吊斗运出。

（2）插入钢楔、击打钢楔分裂岩石。在沿孔外径向手电钻钻出的孔内打入钢楔，用大锤锤击钢楔使岩体获得一个水平的冲击力，在水平冲击力作用下岩石沿铅锤面被拉裂，底部会发生水平剪切破裂。依次分裂岩体，直至该层桩芯岩体全部被破裂。

（3）石块外运。破碎的石块用电锤或风镐进行破碎，保证直径在25cm以下，使用斗车或自制小车外运至工作坑内再桁吊至地面。石块清运干净后继续下一轮的钻孔取芯，破碎外运施工。

为保证井孔内人员的安全，石块外运过程中在操作面上方搭设防砸棚，防砸棚面积小于桩孔面积的一半，既能够使石块顺利外运，又要保证操作人员安全。

钻孔过程中如果有水渗漏，使用水泵排水，确保人员能够正常作业。夜间停工时，操作工具吊起至水面以上，防止工具泡水。如出现破碎岩层或裂隙，按照设计方案施工顶管护壁即可。

（4）管孔修正及下一循环的施工。由于水磨钻钻芯后桩基孔壁成锯齿状，为保证有效管外径与设计管道外径一致及减少管道顶进时对管道不必要的阻力，需要用风镐进行修整孔洞四周的岩石锯齿。通过已顶管道在孔洞内标出设计管中心，检查孔根部偏位情况并及时纠偏，最后管道顶进。同时标出下一个循环外周水磨钻钻孔取芯位置，进入下一循环的钻孔施工。

（5）水磨钻供水及排水。水磨钻供水采用Φ32软胶管将自来水送入管内供水磨钻机施工。水磨钻排水采用一台DN50污水泵将污水从管内排出抽至工作井内，再采用一台DN50污水泵将污水排出工作井。

5.顶进施工注意事项及质量控制

5.1施工注意事项

在开挖处工作面架设水磨钻，并根据开挖线沿孔壁一圈取芯，中部采用风镐掘进。水磨钻取芯时上下左右先各钻取一次。遇地质情况不良，如土层时，应立即停止水磨钻施工，将管道顶至掌子面，采用人工开挖。顶级掌子面人工开挖时，须在管顶端头焊接一块长0.4m的钢板帽檐，由人工在孔顶开挖出帽檐预留位置，将管道全部顶进至掌子面，人工开挖时帽檐对开挖工人起保护作用，防止顶部土层塌落。土渣用专用土渣斗车装好，采用卷扬机将渣斗车拉出管道至工作井，用龙门架吊至堆渣池堆放，然后用渣车运至附近倒土场。超欠挖管顶以上的超挖量不得超过1.5cm，管下部 135º范围内不得超挖。

此外，在开始顶进时，应缓慢进行，待各部位接触密合后，再按正常顶进速度进行；如在顶进中突然发现油压突然增高，应立即停止顶进，检查原因并经处理后方可继续顶进。顶管要连续进行，不能停滞不前，随挖随运随顶。尽量减少停歇时间，以免造成管上方土质塌方及水位上涨造成顶力增大。当顶管单元段计算顶力较大时，可采取管外壁润滑等措施以减小阻力。

5.2质量控制

（1）施工过程中需勤量测，发现偏差，及时纠偏校正。

（2）水磨钻掘进中先形成的顶管的超挖段土体空洞内径略大于管道外径10-15cm，并有锯齿形。

（3）水磨钻掘进土体所形成的锯齿形在管道顶进之前用风镐进行修整平实，因土体空洞内径略大于管道外径的空隙在顶管完成后根据设计要求进行管内注浆填充。

6.安全措施及环保措施

6.1安全措施

（1）在施工中贯彻执行“安全第一，预防为主”的方针，采取有效措施确保施工安全。

（2）全体施工人员必须服从命令，听从指挥，严格遵守施工操作规范和安全技术规程。

（3）施工所用各种机具和劳动用品应经常检查，及时排除安全隐患，确保安全。

（4）严格执行操作规程，加强设备及施工机械检查，加强作业人员安全教育，做好安全防护。

（5）严格执行地下空间安全施工施工的相关要求，做好有毒气体监测，保证通风，做好岩体变形的相关监测。

6.2环保措施

（1）应严格遵守国家、地方及行业标准、规范：《建筑施工现场环境与卫生标准》(JGJ146-2013)《建筑施工场界噪声限值》(GB12523-2011)。

（2）水磨钻施工是带水作业，极大减少了施工过程中管内的粉尘，不会因粉尘原因对工人造成呼吸系统与肺部的伤害，极大改善了井下工人的施工环境条件，对劳动者的健康防护水平提高较大。

（3）施工过程的垃圾必须清理干净，每次施工后的残料、塑料包装不得随地乱扔、乱倒，污染环境，严格做到工完场清。

7.效益分析

7.1经济效益

与传统复杂岩层顶管人工掘进相比，其经济效益分析如下：

7.2社会效益、环保效益

与传统人工掘进相比，复杂岩层水磨钻施工技术能大幅减少人工和机械材料费用，提高掘进速度，能大幅缩减工期。湿法作业极大减少了施工过程中管内的粉尘，极大改善了井下工人的施工环境条件，对劳动者的健康防护水平提高较大，具有良好的社会效益和环保效益。

8结语

总之，随着城市不断发展，原有城市排水体系不满足现行城市发展需要，城市雨污管网新建、改建实在势在必行。在城市区雨污管网改建、新建由于受周边建筑物和地下管线的影响，一般采用顶管施工。在顶管施工过程中。如遇到岩石，一般采用爆破技术，需考虑到爆破对路面沉降、周边建筑物和管线影响。水磨钻掘进顶管施工技术是当遇到坚硬岩石时，顶管掘进时由原人工掘进采用风镐碎石改成由水磨钻碎石的一种施工方法。

参考文献：

[1]韩廷洪.水磨钻在岩石地质下的成孔工艺[J].公路,2012(7):110-114.

[2]张芃.泥水平衡法顶管施工技术在大口径管道穿越高速公路中的应用[J].石油库与加油站,2011(6):1-6.