手掘式顶管下穿软弱地层施工技术总结

吴林松 蒲仕勇

（中交二航局成都城市建设工程有限公司，四川 成都 610213 ）

1 概述

该市政工程顶管项目位于成都市以南地区，项目拟建污水干管总长1083m，共20个井段，使用管径为1.0m、1.4m的DRCPⅢ级钢筋混凝土承插管，管道埋深7～21m，采用顶管法施工。管道顶进所在的地层主要为强风化、中风化砂质泥岩，地勘报告显示地下水位线位于地面以下0.4m～12.1m，施工场地内有1条既有水沟。

2 施工难点

详勘报告JWG-04、JWG-05、JWG-06三个孔位的柱状图显示，污水干管里程桩号JWK0+098～JWK0+177段（共79米）存在1.5m厚的＜2-1-1＞软塑粉质黏土层，顶管管道将从软塑黏土层下方强风化泥岩层穿过，管道开挖顶面距软塑黏土层底面之间强风化岩层最小厚度仅有0.1m左右。由于软塑状粉质黏土自稳能力较差且上部存在富水卵石土层，如不对该软塑黏土层提前进行处理，开挖过程中极易发生因岩层被打穿或岩层太薄无法支撑上部软塑黏土层而导致塌方及涌泥，危及作业人员安全。

图2 JWK0+098～JWK0+177段地质剖面图

同时，软塑粉质黏土层容易造成地面沉降，且此项目周边有一处景观湿地项目正在同步进行打造和蓄水作业。蓄水后地表水系改变，由此可能导致周边地层地下水渗流和补给情况发生不确定性地变化，对顶管下穿软弱地层施工带来一定的安全风险。

3 软弱地层加固方式确定

经参建各方现场踏勘，决定对该段软弱地层采取注浆方式进行地层加固，以确保手掘式顶管过程中的施工安全。对此，设计单位初步提出了水平注浆和垂直注浆两种方案，背景项目通过从操作便捷性、成本和工期三个方面进行了对比和选取。

3.1 水平注浆

水平注浆需是在开挖轮廓线240°范围设置15根3m长的注浆小导管，每间隔1m布置15根，共需布置1185根小导管，通过直接顶入法将注浆小导管沿外插角15°插入土层（小导管布置如图2、3），注浆后待土层固结完成后再进行顶管施工，如此循环，在整个顶管施工周期内都需要保持注浆。

图3 水平注浆横断面布置图

图4 水平注浆纵断面布置图

3.2 垂直注浆

先从地面上将φ108×4mm的钢花管置入土层，再对软弱地层进行注浆加固。钢花管底部1.5～3.0m范围内梅花形布置注浆孔，孔径10～16mm，间距150～200mm。注浆管沿管道中线梅花型布置，纵向间距1.0m，横向间距0.8m，注浆管横向布置4排，注浆宽度3.4m（注浆管布置如图5、6），共布设358根注浆管。另在W16工作井（即JWG-05位置）两侧顶管线路周边加密布置注浆管（如图7所示），防止顶管施工时开挖面垮塌及提高工作井后背土体承载力。

图5 垂直注浆平面布置图

图6 工作井后背注浆平面布置图

图7 1-1剖面图

3.3 方案对比

表1 水平注浆与垂直注浆方案对比

背景项目通过对两种方案从操作便捷性、成本和工期三个方面进行了对比（对比情况如下），可以看出虽然垂直注浆的造价较水平注浆偏高，但其操作较为便捷、工期明显较快，因此最终决定采用垂直注浆方案进行地层加固。

4 主要施工工艺

4.1 注浆工艺

垂直注浆是通过压力注浆机在地面把水泥浆或其混合浆液由钻孔（Φ 108×4mm钢花管）注入地层内部（空隙、间隙、裂痕或空洞等），浆液注入土体一般都是先渗透，当通道被阻，浆液渗透困难，即对周围地层进行压密，当压力继续升高，在土体中会产生劈裂现象，浆液顺裂缝进一步扩散形成固结工作断面，达到密实、改良岩土层、止水、防沉降、防坍等效果。渗透、压密、劈裂互相影响、互相补充，共同起到了提高土体完整性和强度及降低地层渗透系数和含水率的作用。

垂直注浆通过钢花管柱面扩散、劈裂将顶管段上方及侧面填充密实，注浆浆液为水灰比1:1的纯水泥浆液，注浆压力控制在0.3～0.6MPa，扩散半径为0.5～0.6，足以将需注浆顶管段土层固结为一个整体，平均注浆厚度为2.5米。

注浆流程：测量布孔→钢花管施工→清孔→压浆→封孔。

（1）测量布孔

采用挖机平整场地，测量人员根据注浆孔平面布置图放样布孔。

（2）钢花管施工

钢花管底部做成锥形，长度应和注浆深度吻合，采用钻机振动法将钢花管打入土层，管底全部穿过软弱层，成孔过程中连续作业，且保持成孔的垂直度。

（3）浆液制作

按照设计和试注试验确定的配合比拌制好浆液，浆液的比重应符合要求，制作好的浆液要有良好的可泵性、和易性、保水性。配制好的浆液应在规定时间内注完，随配随用。

（4）清孔

先检查注浆头的状况，钢花管不能有堵塞现象，并保证各节管路的连接质量，注浆前先采用吹孔法吹出管内沉积物。

（5）压浆

压浆管采用高压缠丝橡胶管，抗压强度大于3MPa，压浆管接头保持密闭、不漏浆，在准备工作全部完成后方可开注浆机进行注浆。

注浆采用一次升压法施工，即从注浆一开始应在短时间内将压力升高至设计规定值，并一直保持到注浆结束。在规定的压力下，根据进浆量情况分级调整浆液浓度，直到裂隙逐渐被填实，单位吸浆量逐渐减少，达到结束标准时结束注浆，做好注浆记录，并保证记录的真实性。压浆时注意高压管前不能站人，防止喷浆伤人。

（6）封孔

压浆结束应立即拔出灌浆栓塞、插上木塞，以便有足够的时间使浆液充分凝固。

4.2 顶管施工工艺

手掘式顶管施工是采用人工挖土掘进的方法，借助于主顶油缸的推力，把管节从工作井内穿过土层一直推到接收井内，以实现非开挖敷设地下管道的施工方法。手掘式顶管管道顶进的主要施工流程为：测量放样→人工开挖洞口→首节管进洞→管前挖土、出土→混凝土管道顶进→循环开挖及管道顶进→管节出洞→管背填充注浆。

5 施工技术控制要点

（1）顶管时必须严格按照“先挖后顶，随挖随顶”的原则进行，以防止开挖面坍塌。严格控制循环开挖进尺，确保每次顶进长度不大于0.5m，作业人员需尽量保持在管道内进行开挖作业，以降低安全风险；

（2）严禁超挖，尤其是进洞段顶管上方岩层较薄，避免将岩层打穿引起坍塌事故，管道下方135°范围内也不得超挖，尽量保持管壁与土基表面吻合；

（3）按照设计和试注试验确定的配比严格控制注浆浆液质量，注浆完成需要保证浆液足够的凝结时间，必要时可以对注浆质量进行检测，以保证被加固的土体在平面和深度连成一体，满足土体渗透性、地基土强度和变形的设计要求；

（4）顶管施工期间应加强工作井周边、顶管沿线的地表沉降观测，发现异常沉降情况应立即停止施工，并及时通知参建各方研究查明原因、制定应对措施后方可继续施工；

（5）钢花管置入地层时需要严格控制钢花管底部标高，不能置入地层过深，防止钢花管侵入开挖面，增加开挖施工难度；也不能置入地层过浅，防止地层有效注浆加固范围不够。

6 结语

通过顶管工作井开挖时现场察看注浆加固范围，注浆的有效扩散半径均达0.5m以上，土体整体性和强度得到了明显改善。施工期间，工作井周边、顶管沿线地面均未产生明显沉降（实测累计最大沉降3mm），也侧面说明了注浆对地层起到了较好的加固效果。顶管施工过程中，开挖面未发生钢花管侵入及坍塌现象，该段顶管按计划顺利完成软弱地层下穿施工任务。

背景项目手掘式顶管下穿软弱地层施工的顺利实施，说明通过对软弱地层进行注浆加固后再进行软弱地层下穿施工的方法是可行的，该方法可为后续类似项目手掘式顶管下穿或直接穿越软弱地层施工提供借鉴，但在应用过程应重点加强注浆效果的控制和沉降观测，以确保顶管施工的绝对安全。