大粒徑砂卵石地層人工頂管施工關鍵技術研究與應用

（中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，四川溫江 611130）

0.引言

本文以成都市新都區新繁鎮南一支五斗等45段黑臭水體治理（二期）為實例，在工程實踐中不斷開展科技創新，通過在施工中反復研究、改進，最終形成了《大粒徑砂卵石地層人工頂管施工關鍵技術》。人工頂管施工地表鉆孔預固結施工技術是針對頂管施工過程遇大粒徑砂卵石地層、軟弱破碎帶等，掌子面穩定性差，易塌方地段，提前在地表進行鉆孔注漿加固的方法與技術，此預加固技術可做到最大限度地發揮了穩固地層的作用，可以解決松散地層塌方問題，在類似地層中使用該工藝，具有安全可靠、經濟性好、操作性強、施工效率高等特點。同時加快了施工進度，確保了整體質量，節約了工程投資，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

1.工程概況

1.1 工程簡介

本工程為南一支五斗等45段重度黑臭水體綜合治理（二期），在尾段24#—47#薛清路區域，頂管累計工程量783m。頂管施工井最大間距56m，埋深6.03m～6.96m，最小覆土3.24m，采用合格的頂管專用鋼承口承插管，管徑d800，Ⅲ級管。工作井及接收井采用逆作法做混凝土結構井，管道及工作井均位于砂卵石層上，基礎承載力滿足要求。

1.2 場地工程地質及水文地質

勘察揭示場地地表為第四系全新統填土層(Q4ml)、耕土層(Q4pd)，以下為第四系全新統沖積層(Q4al)，基底為白堊系上統灌口組（K2g）砂泥巖。自上而下分述如下：素填土、粉質黏土、粉土、砂卵石層。線路段內的地表水主要源于雨水和溝渠水，現場調查頂管施工線路右側是南一支六斗溝渠，渠底寬3.0m，深約2.0m，全段為漿砌塊石結構，目前處于過流運行狀態，對頂管施工降水有一定影響。緊靠溝渠右側為民印村居住區范圍、名貴苗木種植園，左側為密集房屋居住區。因場地環境受限，為了不影響交通，降水井布置在薛清路上靠溝渠側，施工期間24h不間斷降水，保證頂管施工安全問題?？辈鞎r為地下水平水期，初見水位在砂、卵石層中及上部，實測地下水靜止水位埋深為3.0m～3.5m，絕對標高在528.30m～528.80m。本區地下水位年變幅2.0m～3.0m左右。根據區域水文地質資料，該區豐水期為6～9月份，枯水期為1～3月，其余月份為平水期。含水層的滲透性，據我公司在新都地區施工和收集的供水、降水井抽水試驗資料，含水層滲透系數（K）取20m/d～25m/d。

2.現狀調查

在人工頂管施工過程中發現掌子面塌方情況嚴重，其中在24#—25#頂進至23m上部塌方高度1.5m～1.8m，縱向塌方部分近4.0m，26#—25#頂進至28m上部塌方1.2m～1.4m，縱向塌方部分將近3.0m。脫空分布范圍在靠近降水井處最明顯平均達1.2m以上，一般地質情況掌子面脫空仍然有0.6m左右，實際施工揭示該地段掌子面地層砂層厚且卵石粒徑較大，最大粒徑近0.6m(如圖1所示)，自穩定性差，在人工掘進掏土過程中極容易引起塌方，嚴重塌方直接影響掌子面人工掏土工人安全以及自來水管道安全[1]。

圖1 大粒徑砂卵石地層

3.原因分析

（1）砂卵石粒徑較大，級配不良，含砂量少，相互粘聚力減小，極不穩定，人工頂管施工使下部懸空，自然大面積塌落。

（2）臨近現狀溝渠，地下水豐富，大粒徑砂卵石地層透水性強，施工階段位于汛期，大大增加了施工難度。

（3）場地環境特殊，一側緊靠溝渠，另一側是大棚范圍，降水作業靠近工作面，會攜帶大量的砂礫層，影響砂卵石地層級配，導致不穩定。

4.施工技術應用

4.1 原理

（1）“地表預固結加固”。在軸線掌子面地表鉆孔進行固結灌漿加固地層，采用縱向間距為1m，固結灌漿孔沿頂管軸線兩側各0.3m梅花形布置，孔距縱向間距1.0m，深度為頂管段地面高程至管頂上高程0.2m處。

（2）因為砂卵石地層降水井施工容易造成砂層被抽出，導致降水井周圍地層級配發生變化，造成地層不穩定，本工法在降水井周邊預加固處理在周圍布置5個注漿孔進行預固結灌漿，排距0.3m，孔距1.0m（如圖2所示）[2-3]。

圖2 降水井預固結孔位平面圖

4.2 施工工藝

施工準備→測量放線→鉆孔（掌子面固結鉆孔、降水井固結鉆孔）→注漿管安裝→孔口封堵→注漿加固→人工頂管。

4.3 注意事項

4.3.1 鉆孔機械及機具

灌漿鉆孔主要采用阿特拉斯D7地質鉆機。

4.3.2 鉆孔孔位、孔向和深度

（1）鉆孔大小φ90mm，孔位與規定位置的偏差不得大于10cm。

（2）鉆孔深度。從地表鉆孔至距頂管管頂0.2m，鉆孔過程安排專人進行控制，防止破壞管道。

（3）鉆孔順序。灌漿孔的施工應按灌漿程序，分序進行。進行鉆孔作業時，所有鉆孔應統一編號，并注明各孔的施工次序。先鉆I序孔，待灌漿6h后后再鉆II序孔。

（4）鉆機安裝應平整穩固，鉆孔方向應按要求確定，鉆孔時必須保證孔向準確。

4.3.3 注漿管下設

成孔后進行孔口吹掃，測量孔深，滿足要求后下設口徑φ50mmPVC注漿管。

4.3.4 孔口封堵

PVC管下設完成后，及時進行孔口封堵，選用水泥漿進行密封，深度0.5m，填充密實。

4.3.5 注漿加固

（1）預固結采用控制性灌漿1:1開灌，灌漿采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，出廠時間不得超過3個月，用NB-1型泥漿比重計控制漿液濃度。

（2）外加劑。在灌漿過程中，遇用特殊情況，可在水泥漿液中摻入早強劑、速凝劑、減水劑、穩定劑等批準的其它外加劑，各種外加劑的質量符合DL/T5148和DL/T5100的規定。

（3）灌漿分序。灌漿應按分序加密的原則進行。每排孔分序進行施工，先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔。

（4）灌漿壓力。壓力0.1MPa，施工時注意觀察壓漿機上的壓力表讀數防止壓力不穩定造成路面開裂或者抬高；當出現灌漿壓力或者耗漿量突然增大時，應立即查明原因，及時采取相應的措施，并報告監理工程師。

（5）灌漿機具配置。灌漿泵、立式雙桶儲漿攪拌機等。

（6）灌漿管路連接。按灌漿孔段選定的灌漿方式進行純壓式灌漿管路連接。

（7）灌漿壓力控制。壓力表安裝在灌漿泵和進漿管（循環式灌漿時安裝在回漿管上）靠近孔口部位，灌漿壓力以孔口回漿管上的表壓力為準，讀取中值。

（8）封孔。每個灌漿孔全孔灌漿結束后，及時報請監理人進行驗收，驗收合格的灌漿孔才能進行封孔。灌漿孔封孔應采用“全孔灌漿封孔法”。

5.效果分析

通過在頂管軸線上地表、降水井附近進行合理布孔，采用水泥漿液進行灌漿加固，有效改善了砂卵石之間的粘聚力，同時有效地改善了砂卵石層的滲透性，施工降排水過程攜帶的砂礫極少，地層塌方得到有效控制，通過現場檢查掌子面最大脫空約0.08m（如表1所示），滿足現場施工[4]。

表1 地表注漿加固效果檢查表

6.結語

（1）成都地區具有典型的砂卵石地層，部分地區卵石粒徑較大、砂層厚，在人工頂管施工前勘察工作很重要，必須全面了解作業面所處的地理環境、水文、地質條件，必要時施工前做試驗段掌握施工參數，制定對策，對后期施工有重大意義。

（2）在成都市新都區新繁鎮南一支五斗等45段黑臭水體治理（二期）尾段WB24-WB47井段783m頂管施工過程中，對于大粒徑砂卵石地層的人工頂管施工，在采用“地面軸線注漿+降水井附近加固注漿”，通過地表預固結起到很好的加固穩定作用，大大減少了泥掌子面坍塌的可能性，不僅保證了人身安全，同時控制了地面沉降，節約成本，提高效率。