大口径钢顶管施工工艺
大口径钢顶管施工工艺
本人有幸参与了电厂三期扩建工程中钢顶管工程，而在实际顶进过程中，又出现了地质报告中没有的两种地质：硬质石英岩地质古河道冲沟地层（粉细砂层）。本文主要就穿越这两种地质的施工工艺进行论述。
穿越石英岩地质施工工艺
石英岩很硬，顶管顶进速度慢，使挖掘面上部砂岩出现滑落，上部流砂涌入顶管机内，造成管节上部出现渗漏漏斗，灰浆池地面开裂。
针对以上情况，我部将采取如下几点措施
（1）启用气压平衡顶管法施工，平衡挖掘面水压力。
（2）采用微差预裂爆破挖掘石英岩。
（3）针对出现石英岩分布情况不明问题，需立即在右线顶管机头前方轴线上进行地质补堪，以确定石英岩是否属于孤石以及沿顶管方向分布长度，以便于采取后继的相关措施。
（一）、主要施工工艺
1、气压平衡顶管施工工艺
（1）气压法顶管介绍
气压法顶管是在顶进管道的前方工具仓〔机头〕内设置气压密封门形成气压舱，向舱内充入压缩空气，由于压缩空气向正面土层的孔隙隙中渗透，将工具管前方土层中的地下水从土壤的孔隙中排挤到远方，给工具管作业面提供一个无水稳定的环境，同时，气体的压力也使机头前的土体开挖面维持稳定而不坍落。
（2）气压舱布置
在顶管机头处设置两道钢封门，将顶管机头及第一节管节（1#管）分割成两个舱。同时在第二道封门上安装两个钢管舱口，分别为出土舱口和人员进出舱口。
1#封门主要用于防止塌方、流砂、透水等事故的应急封闭和爆破减震，门上设有观察室，方便掌握工作面情况。
2#封门安装有主封门用于非施工阶段人员、设备进出；1个“人行舱”用于充
气加压后人员进出，1个“出土舱”用于出土，1个进气管用于加压，1个排气管用于减压，1个压力表用于读取和控制舱内压力，1个排水阀用于排除舱内积水。
（3）气压平衡加压系统布置
加压系统主要由空压机组、空气过滤器、减压阀、进气管、阀门等组成，气压仓的气压是通过工作井外的空压机提供，空气需过滤，地下水头大时，应有备用空压机。
（4）气压顶进工作操作步骤
当2#封门关闭且增压后（约0.1MPa），工人自人行舱进入，人行舱和出土舱管道（φ1100mm，L=1800mm）两头分别安装密封门，可交替打开防止人员进出和出土操作时漏气。首先将机头前挖出的土运到一、二道门之间的转运舱内，然后打开出土舱内侧封门，气体继续稳压机头前仓，将土转运至出土舱管道内，再关闭出土舱内侧封门并打开外侧封门，以防止气压泄露，此时可将出土舱管内土运至工作井。管道是边挖边顶，开挖量与顶进长度相匹配。
（5）开挖顶进平衡控制
第一、顶管掘进机在顶进过程中，气仓压力与它所处土层的地下水压力和土压力处于一种平衡状态；第二、它的开挖量与掘进机顶进所占有的土的体积也处于一种平衡状态。
在顶进过程中，其气压仓的压力P如果小于所处土层的地下水压力和主动土压力P1时，地面就会产生沉降：反之，气仓的压力如大于所处土层的地下水压力和被动土压力P2时，地面就会产生隆起，这是一个逐渐演变的过程。我们要将气仓压力控制在Pl至P2之间，才能达到平衡。
（二）、预裂爆破开挖施工工艺
（1）爆破工艺流程
顶管右线顶进至255.6m（不含机头3m）处出现了与地质报告不符的坚硬石英岩，为了保证掘土施工进度，结合隧道爆破技术经验，我部将采用掏心微震爆破法破除岩层，人工装运出土工艺。爆破顶进施工工艺流程：地质调查→放样布眼→掏心爆破→通风排气→顶进挤土→人工出土。
（2）爆破技术设计
根据该工地地质及气压法施工环境情况，爆破方案设计要点如下：
a、布孔：采用水平孔直线桶形掏槽.
炮眼数目：
N=3.3×(fS2)1/3+6（光爆孔）
=3.3×(12×9.079)1/3+6=39(个)
炮眼深度：L=1.5-1.8m
光爆孔孔距b=0.4m
单位炸药消耗量：q=1.9kg/m3
b、装药量：掏槽眼1.5-1.8m；辅助眼1.2-1.4m；周边眼0.9-1.1m。
c、装药结构：掏槽孔、辅助孔采用柱状连续装药，周边孔（石英岩部分）采用间接或不耦合装药结构的光面爆破。
d、起爆方法：采用微差爆破技术(△t=25～50ms)，选用毫秒延期导爆管雷管分段簇联起爆。
（3）爆破技术要点
针对上述爆破条件特点，为确保施工效率、施工安全与施工进度，爆破设计与施工中采取了如下技术措施:
a、采用小孔网爆破参数，辅助眼、周边眼单孔最大装药量不得大于0.5kg；
b、微震爆破控制爆破单响药量，掏槽孔单孔最大装药量不大于2.5kg。
c、钻孔底部的最小距离不得小于30cm；
（5）相关计算
掏槽孔单孔装药量
Q=qV/N
式中:ｑ——单位耗药量，这里ｑ值（按七类土）查表取1.9kg/m3；
V——掏槽眼爆破的岩石体积，m3。
N——掏槽炮孔数，N=4个。
V=1.5*3.14*1.12=5.7m3
则Q=1.9*5.7/4=2.7Kg。
（6）堵塞长度
药孔法破碎岩层用2#岩石乳化炸药这种低级炸药，装入时，可将装药整卷直接放入药孔，一筒一筒往里丢；也可揉成粉状倒入。
装药结束后一定要进行填塞。选择合适的填塞长度后，使炸药能量尽可能朝抵抗线方向作用，并控制爆轰气体对空气的冲击，使爆轰气体对岩石进一步破碎。
填塞长度(L2)和孔径(d)有关：L2=(20～30)d，填塞长度在50～70cm为宜。填塞时可用青粘土或砂质粘土加以填塞，边填塞边用炮棍捣实，应先轻后重，切勿将雷管脚线捣断。
2、爆破施工安全措施
爆破危害有爆破震动、空气冲击波、飞石、噪声、有毒气体和灰尘。如果对其认识不足或或没有采取必要的安全措施，就有可能发生爆破事故，造成不良后果，甚至导致整个爆破作业失败。因此对上述危害必须加以控制。
（1）爆破震动校核
质点震动速度计算：
根据对萨道夫斯基公式适当修正后，得到的经验公式，并用国家《爆破安全规程》(GB6722-2003)规定的安全标准校核。
式中：V——质点垂直震动振速，cm/s；
Q——一次最大齐爆药量，kg；
R——爆破中心与被保护建筑物的距离，m；
K——与地形、地质有关的系数，K取135，；
α——地震波衰减系数，α取1.5。
一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物：V取2～3cm/s；钢筋混凝土框架房屋：V≤5cm/s。
以顶管埋深到地面的距离22m计算，计算得V=2.05。小于控制的安全震动
速度标准，爆破引起的地面震动对建筑物来说是安全的。
二、穿越粉细砂层施工工艺
因顶管现阶段所处该地层无法承受机头自重及纠偏反力，且管道顶进中涌水、涌砂导致上部土体沉降塌陷， 厚23m左右的软弱覆土应力拱消失，管周主动土压力非常大，使得顶管各中继间顶力远远超出额定油压（32MPa）,达到45MPa以上，为增加顶力减小油压，我部于12月6日在左线1#、2#中继站增设小千斤顶（由原30个增加至40个），使油压维持在42MPa左右。
因在此软弱地层中无法进行有效的纠偏，机头自320m桩号位置出现了下沉“扣首”现象，期间项目部一直最大限度采取纠偏措施，纠偏千斤顶保持12cm（最大）纠偏幅度，但效果仍不明显，尤其顶至桩号384m-404m这20m段，机头突然快速下沉，达到24mm/m的下沉速率，现机头处累计下沉已达到98cm。
（一）、总体处理方案
1、在2#中继站后方安装气压舱门，采用气压平衡用以防止中继间和机头部位涌水涌砂，从而减小子堤沉降，并平衡机头土体，清理机头处流砂后可探明机头前方情况（有无木桩、孤石等）。
2、在2#中继间增设两个400t千斤顶，用以增加顶力。并在管道较大变形段（2#中继站至1#中继间）增设临时支撑，以防止管道变形扩大。
3、当增设气压和顶力后仍不能顶进时，则对2#站至1#站之间管道外部土体采用高压射水方法，以冲刷破坏管周附着土体，从而减小管壁摩阻力。
（二）、主要施工工艺
（1）气压舱布置
在顶管2#中继站后部管节处设置一道钢封门，同时在封门上安装1个钢管舱口，作为人员进出舱口。
2、增设千斤顶施工工艺
（1）千斤顶布置
2#中继站目前布设有40个50t小千斤顶，总顶力为2000t，现在2#站管节下部左右各增设两个400t千斤顶，增加顶力至2800t。
（2）变形管节加固措施
根据我部对左线整体管线管节失圆量测量，在2#站至1#站之间共9节管节
发生了变形，因此对此部分管节采用槽钢支架进行横向和纵向加固，防止顶进中因管道上部土压力过大而导致管节变形加大甚至破坏。
3、管周高压射水减阻工艺
（1）钢管管周共设有5个注浆孔，每根管节2排，2#中继间至1#中继间共18排注浆孔，可分排依次进行高压射水减阻施工，还可根据需要往返重复射水减阻施工，以达到更好减阻效果。
（2）由于2#中继站至机头段可气压平衡水土压力，注浆管拆除后，可避免注浆孔发生涌水涌砂，根据右线气压顶进经验，气压舱压力保持0.12MPa左右即可。
（3）首先将管节顶部注浆孔与高压水管相连，其余注浆孔阀门打开，高压水自顶部注浆孔射入，冲刷管周土体后泥水自其余4个注浆孔流出，从而达到松动、破坏管周土体目的，这将大大减小管周土体摩阻力，保证顶管顺利顶进。
三、结束语
通过本工程的参与，我深入了解到钢顶管在硬质石英岩地质和古河道冲沟地层（粉细砂层）中的施工工艺和方法，为以后的施工积累了经验，同时也有以下几点体会：
（1）勘察资料的准确，顶进系数控制准确，正确顶进工艺选择，是钢顶管顺利顶进的前提条件。
（2）气压法顶管工艺土层稳定安全，动灵活，在砂性土、粉质粘土、软塑粘土中顶进时，功效好。在岩层中爆破时，装药量和排距要谨慎布置，采取必要的安全措施防止爆破震动、空气冲击波、飞石、噪声、有毒气体和灰尘等爆破危害。
（3）在顶管顶进过程中应成立专门的量测小组，测量小组负责测点埋设、日常测量、数据处理等工作，并及时将量测信息反馈于施工和设计。