CN102337732A - 顶管穿越块石海堤施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种顶管穿越块石海堤施工方法，包括以下步骤：1.块石海堤处理：海堤段加固，海堤注浆；2.顶管穿越大堤：开挖仓气压设定，大块石清除，全气压施工防塌方。本发明的施工方法能使顶管顺利穿越块灰堤填石结构松散，孔隙充填物为中粗砂和碎石。同时，顶管在推进至该区域时，能解决由于气压不能平衡振填的块石层，清理遇到的块石时，引起上部块石塌陷，形成塌陷“漏斗”，危及海堤安全，甚至导致海堤报废的技术问题，降低工程风险。

Description

顶管穿越块石海堤施工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种顶管穿越海提的施工方法，尤其是一种顶管穿越主要成份为坚硬中风化花岗岩块、碎石，孔隙充填物为中粗砂和碎石海提的施工方法。

背景技术

[0002] 根据设计图纸，华能电厂灰池海提石块底标高约为-19. 5m不等，顶管的轴线中心标高为-23. 25m,管顶外壁面顶标高为-22. 23m,管顶与石块底标高相距为2. 7m左右。根据勘测单位在顶管轴线上对灰池海提进行补勘情况，位于顶管轴线西侧一点块石最深，于 0. 00-27. 50米为填石，层底埋深为-23. 47米，其主要成份为坚硬中风化花岗岩块、碎石，孔隙充填物为中粗砂和碎石，岩块块径一般为20〜40cm，最大达1. 20m ；其它；四点位于顶管轴线上，情况如下：第一点块石层底埋深为-21. 17m、第二点块石层底埋深为-22. 63m、第三点块石层底埋深为-22. 93m、第四点块石层底埋深为-22. 21m。由于地质条件出现重大变化，此类地基对于顶管工艺来说是不适应的。灰提填石结构松散，孔隙充填物为中粗砂和碎石，顶管在推进至该区域时，气压不能平衡振填的块石层，清理遇到的块石时，将引起上部块石塌陷，形成塌陷“漏斗”，危及海提安全，甚至导致海提报废，作业人员无法清理顶管轴线上的块石，风险系数极大；同时施工过程中可能存在许多不可预见的不利因素，若不采取针对性措施，施工时可能会给工程带来灾难性后果；因而顶管施工前必须采取针对性措施， 降低工程风险。

发明内容

[0003] 本发明是要提供一种顶管穿越块石海提施工方法，该方法能使顶管顺利穿越灰提填石结构松散，孔隙充填物为中粗砂和碎石。

[0004] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种顶管穿越块石海提施工方法，包括：

[0005] 1.块石海提处理

[0006] (1)海提段加固

[0007] ①沿顶管轴线方向加固长度为：与顶管管顶相距在Im范围内的块石区；同时确保顶管与块石相遇段前后各有4m的预加固区域；

[0008] ②顶管两侧大提加固宽度为：顶管轴线两侧各5m ；

[0009] ③顶管上下大提加固深度为：根据沉井下沉的地质情况，本区域淤泥层较软，为防止顶管内清理固结块石时管底土体涌入工具管，拟对顶管底部an范围内土体也进行加固； 对顶管管顶以上8m范围内块石区进行注浆固结，以上块石层则采取灌浆方法对钻孔固结；

[0010] ⑵海提注浆

[0011] 利用钻孔设备，在海提地面上及附近地段直接进行钻孔施工，并采用钻管法毛石注浆加固工艺在填石层中需加固高程范围内挤压充填双液水泥·水玻璃混合浆液，浆液凝固后形成的水泥浆固结体，降低填石层等的透水性能，提高土体中填石间胶结强度及密实度，使填石层加固形成整体密闭复合土层，从而为顶管施工创造安全有利条件。[0012] 2.顶管穿越大提

[0013] (1)开挖仓气压设定

[0014] 气压平衡工具管开挖仓压缩空气的压力值按顶管底部上面三分之一直径处的地下水压力，理论上，IOm水头必须用lkg/cm2的附加空气压力来平衡，但实际上平衡压力的大小还与顶管四周土层的性质以及开挖面土层的干湿程度有关，由于一部分水头压力消耗在土体孔隙的阻力上，所以附加气压所需的压力值仅为理论值的70%〜90%，其计算公式如下：

[0015] P = (H+2/3D) y w

[0016] 式中：P-压缩空气压力值（kg/cm2)；

[0017] H-顶管顶部地下水水头（m)，地下水按士 0. OOm考虑；

[0018] D-顶管外径（m);

[0019] Y W-水的容重，一般按1计算。

[0020] 根据上式计算，本工程开挖仓气压控制在1. 6〜2. 3kg/cm2 ；

[0021] 在穿越大提顶进前，先在大提及前面一定范围沿顶进轴线上设若干变形监测点， 通过监测区的地表变形量来调节和修正平衡气压的大小；

[0022] (2)大块石清除

[0023] 顶管推进至块石区域时，应注意工具管纠偏油缸反力，若反力上升急剧，应将格栅外土体破坏，减小工具管正面阻力；同时在气压条件下，清理正面块石；若顶管推进至块石段遇到人工无法清理的大块石时，拟在全气压条件下采用气脚式凿岩机按孔网参数钻孔， 然后利用液压分裂机及气动破碎机相结合的机械方法对块石分层进行破碎清理；

[0024] (3)全气压施工防塌方

[0025] 全气压施工前，必须先向开挖仓内加气压，观察工具管正面土体在气压条件下是否保持稳定，若压缩气体外泄较慢，正面土体能保持稳定时间在10分钟以上，方可进行全气压施工；若气压出现冒顶现象，应停止向开挖仓加气，采取从工具管向外注浆措施，也可从地面进行注浆措施，堵塞气体通道，待浆液初凝后，再加气压；

[0026] 工作人员进入操作仓，关闭大密水门，然后逐步向操作仓内加气压，当气压加至开挖仓能保持土体稳定的气压时，再打开小密水门；

[0027] 全气压施工时，气压控制在1. Wcg/cm2，其最高气压不得超过2. 3kg/cm2,以防气压冒顶；

[0028] 整个施工过程中，必须保持工具管内气压稳定，以维持正面土体的稳定，若出现塌方现象，工作人员应立即进入操作仓内，迅速关闭小密水门，并向开挖仓内注触变泥浆，防止塌方进一步扩展；

[0029] 全气压作业人员或监护人员发现气压迅速下降时，及时增大供气量，必要时启动第二台空压机，增大供气速度，确保作业人员安全撤离；

[0030] 当淤泥从小密水门大量涌入操作仓时，停止向开挖仓供气，增大操作仓供气量，若小密水门被淤泥堵塞，应用高压水枪冲洗，同时打开工具管尾部6寸排水阀门，将工具管内泥水排入钢管内。同时监护人员应根据工具管内水位情况，及时切断工具管内电源，改用应急灯照明。

[0031] 注浆钻孔开孔直径45〜50mm，垂直精度小于1 % ；注浆采用双液进行，A液为水灰比1 ： 1左右的水泥浆液，B液为具有一定波美度的水玻璃浆液，水泥采用R. 0.32. 5普通硅酸盐水泥，按照不同土层调整注浆量，块石层每米注浆长度水泥用量为300Kg。

[0032] 上述两种浆液采用体积比为1 ： 0. 75〜1的混合方式，由注浆泵通过钻管注入到所需加固体间隙中，使加固体提高强度及密实性和止水性能。

[0033] 本发明的有益效果：本发明的施工方法能使顶管顺利越块灰提填石结构松散，孔隙充填物为中粗砂和碎石。同时，顶管在推进至该区域时，能解决由于气压不能平衡振填的块石层，清理遇到的块石时，引起上部块石塌陷，形成塌陷“漏斗”，危及海提安全，甚至导致海提报废的技术问题，降低工程风险。

附图说明

[0034] 图1是灰池块石海提处理示意图。 具体实施方式

[0035] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

[0036] 本发明的顶管穿越块石海提施工方法，包括：

[0037] 1.块石海提处理

[0038] 根据原地质资料及补勘的地质资料，灰池海提块石最深层底埋深为-23. 47m。目前补勘点间距4m，还不能全面、准确的反映顶管沿线块石情况。考虑到顶管受海提块石影响长度、深度的不确定性，加固施工时，从目前勘测最深处向两侧加固；根据加固钻探情况，进一步摸清顶管沿线块石影响长度、深度。

[0039] (1)海提段加固范围：

[0040] ①沿顶管轴线方向加固长度为：与顶管管顶相距在Im范围内的块石区；同时确保顶管与块石相遇段前后各有細的预加固区域。

[0041] ②顶管两侧大提加固宽度为：顶管轴线两侧各5m ；

[0042] ③顶管上下大提加固深度为：根据沉井下沉的地质情况，本区域淤泥层较软，为防止顶管内清理固结块石时管底土体涌入工具管，拟对顶管底部an范围内土体也进行加固； 对顶管管顶以上8m范围内块石区进行注浆固结，以上块石层则采取灌浆方法对钻孔固结。

[0043] 块石层采用进口 100型专用设备引孔。

[0044] 块石经浆液固结后，能达到起拱及压缩气体不冒顶的作用。

[0045] (2)海提注浆技术参数

[0046] 利用日本进口 100型专用设备，在海提地面上及附近地段直接进行钻孔施工，采用钻管法毛石注浆加固工艺在填石层中需加固高程范围内挤压充填双液水泥·水玻璃混合浆液，浆液凝固后形成的水泥浆固结体，可以降低填石层等的透水性能，提高土体中填石间胶结强度及密实度，使填石层加固形成整体密闭复合土层，从而为顶管施工尽可能创造安全有利条件。

[0047] 由于填石层厚度较深，空隙率不详，为达到最佳加固效果及结合以往施工经验，注浆孔间距为1. 0m，等边三角形布置（图1)。

[0048] 注浆钻孔开孔直径要求45〜50mm，垂直精度小于1 % ；

[0049] 注浆采用双液进行，A液为水灰比1 ： 1左右的水泥浆液，B液为具有一定波美度的水玻璃浆液，水泥采用R. 0. 32. 5普通硅酸盐水泥，按照不同土层调整注浆量，暂定块块石层每米注浆长度水泥用量约为300Kg。

[0050] 上述两种浆液采用体积比为1 ： 0. 75〜1的混合方式，由注浆泵通过钻管注入到所需加固体间隙中，使加固体提高强度及密实性和止水性能。 [0051 ] 为了增加可灌性，根据现场情况适当调节浆液凝固时间。

[0052] 纯浆液凝固7日后，其单轴无侧限抗压强度应在1. 5MPa以上。

[0053] (3)注浆施工顺序

[0054] ①钻孔至设计深度；

[0055] ②实施淤泥层及交界面的注浆施工；

[0056] ③提升0. 5米钻杆，完成设定注浆量；

[0057] ④重复施工顺序③；

[0058] ⑤至设计注浆顶面；

[0059] (4)注浆施工工艺

[0060] ①钻孔：根据设计要求，钻到一定深度，开孔直径45〜50mm，垂直度偏差小于1 %， 根据现场实际情况，填石层必须用金钢石钻头进行成孔。

[0061] ②钻孔到位之后，先用清水冲洗，然后用注浆泵通过钻杆向孔内进行注浆施工。

[0062] ③由于填石层等土层厚度不均，应准确判断各土层厚度。

[0063] ④应实施跳孔施工，并采用先外侧后内侧的方法进行。相邻孔施工间隔时间应大于12小时。(5) (5)注浆施工控制参数

[0064] 因注浆加固深度较大，主要涉及填石层和淤泥层等，其空隙率不详，实际施工中的注浆参数应根据具体的实际情况进行调整。

[0065] 1)注浆速度：按15〜20升/分控制。

[0066] 2)注浆时间：按分段（0. 5米）5〜10分钟左右控制。

[0067] 3)注浆压力，考虑承压水及流动水，特别是充填挤压注浆时，压力应适当加大，注浆压力控制范围在0. 5〜2. OMPa范围内。

[0068] 4)注入浆量，与土层的空隙率、深度等有关，因而拟在施工现场采取试桩办法，进一步确定具体的施工参数。

[0069] 5)注浆扩散半径：按0. 6m考虑，相邻孔搭接IOcm以上。

[0070] 6)注浆液配合比，如下表所示。

[0071]

类 别 配合比A液 水泥（升） 100(200 升） 水（升） 75-100B液 水玻璃(升） 80-100(200 升） 水（升） 100[0072] A、B液的注入比例为0. 7〜1. 0，在实际操作时，根据地层的情况控制双液混合后凝结时间在30秒〜20分钟左右，由此调节A、B液的注入比例。

[0073] (6)注浆工法特点

[0074] 利用钻管法注浆施工可实现施工时无返浆、并可进行定压、定量灌入施工。因其加固原理是通过注浆液的充填和渗透挤压以增加填石间土体密实度及胶结强度，提高整体止水性能，并具有一定的耐冲刷性，起到帷幕作用；注浆施工完毕后，即可进行顶管施工。

[0075] 施工机械：

[0076]

[0077] (7)钻孔注浆施工海提保护措施

[0078] 由于成孔孔径相对较小（开孔直径要求45〜50mm)，加之每个孔成孔后迅速进行注浆充填，注浆完成后才进行下一个孔施工，并按照跳孔施工，所以不会对既有海提的安全造成影响。

[0079] 注浆施工对海提的变形应控制在一定范围内，所以加固厚度范围不宜过大或过小，加固厚度过大或过小都会造成海提的隆起和沉降，以满足顶管施工安全为前提确定加固范围，因而下部采取注浆，上部采取灌浆措施。

[0080] 注浆施工及顶管过程中应对加固段内海提进行跟踪观测，特别是注浆施工期间的观测尤为重要，必要时随时调整工艺参数。

[0081] 根据本工程特点和周围环境，拟对顶管轴线两侧25m范围内大提的地表变形进行监测，在提身将布置5排45个沉降观测点进行监测（详见附图）。

[0082] 注浆及顶管过程中海提可能出现较大沉降，在顶管施工结束后对海提进行修复。

[0083] 2.顶管穿越大提方案

[0084] (1)开挖仓气压设定

[0085] 正常情况下，在局部气压下顶进时，格栅进土是正常的，但当停止顶进时，格栅不应仍进土。如果出现停止顶进，格栅仍然进土的情况，则调整开挖仓气压，直到格栅停止顶进情况下不再进土为止。

[0086] 压缩空气压力值主要依地下水位的高低来决定，理论上，IOm水头必须用lkg/cm2 的附加空气压力来平衡，但实际上平衡压力的大小还与顶管四周土层的性质以及开挖面土层的干湿程度有关。由于一部分水头压力消耗在土体孔隙的阻力上，所以附加气压所需的压力值仅为理论值的70%〜90%。

[0087] 气压平衡工具管开挖仓压缩空气的压力值一般按顶管底部上面三分之一直径处的地下水压力，来确定压缩空气压力值，其计算公式如下：

[0088] P = (H+2/3D) y w

[0089] 式中：P-压缩空气压力值（kg/cm2)；

[0090] H-顶管顶部地下水水头（m)，地下水按士 0. OOm考虑；

[0091] D-顶管外径（m);

[0092] y W-水的容重，一般按1计算。

[0093] 根据上式计算，本工程开挖仓气压一般控制在1. 6〜2. 3kg/cm2左右。

[0094] 在穿越大提顶进前，先在大提及前面一定范围沿顶进轴线上设若干变形监测点， 通过监测区的地表变形量来调节和修正平衡气压的大小。

[0095] (2)大块石清除

[0096] 顶管与块石相遇段前后各有細的预注浆加固区域，其水泥掺量约为150kg/m，土体加固后强度在0.6MI^左右，高压水枪可以直接冲碎加固土体。顶管推进至该加固区域， 将顶进速度降低在3〜5mm/min以内，以较低的速度通过大提。

[0097] 顶管推进至块石区域时，应特别注意工具管纠偏油缸反力，若反力上升急剧，应适当将格栅外土体破坏，减小工具管正面阻力；同时在气压条件下，清理正面块石。

[0098] 若顶管推进至块石段遇到人工无法清理的大块石时，拟在全气压条件下采用YTM 气脚式凿岩机按一定孔网参数钻孔，然后利用Yio型液压分裂机及B87C气动破碎机相结合的机械方法对块石分层进行破碎清理。

[0099] 1)用作自由面的空孔参数：

[0100] 根据液压分裂机的影响范围，空孔按梅花型布置，孔排距b、间距a均取0. 4〜 0. 5m,孑L深 h = 0. 4 〜0. 5m,孑L径 45 〜50mm。

[0101] 2)分裂孔参数：

[0102] 分裂孔布在自由面空孔中心部位，a、b分别为0. 3m，孔径取48mm，孔深h不小于分裂头的长度，一般取0.5m，周边分裂孔斜度在20°左右。

[0103] 在此技术参数前提下，现场施工可根据实际块石断面情况灵活布置。

[0104] 本工程选用YTM型气腿式凿岩机钻孔，利用顶管通风系统供气。操作人员站在工具管开挖仓内，在工具管前端设置一排吊点悬挂凿岩机，钻杆穿越格栅进行钻孔，并根据钻孔深度，换用不同长度的钻杆。钻孔前，将块石下部加固土体清除（超前50cm左右），周边孔按向外倾斜20°布置，空孔、分裂孔一次完成。

[0105] 分裂机液压泵站布置在工具管后部管节内，用高压油管连通分裂器，分裂器穿过工具管格栅，按照钻孔角度将楔块组插入分裂孔中，开动液压泵站，分裂块石。对于周边局部未破碎的块石，由作业人员用B87C型气动破碎机或钢钎配凿除。[0106] 顶管穿越块石区后，其空隙用触变泥浆填充，顶管结束后用水泥粉煤灰混合料填充。

[0107] (3)全气压施工防塌方措施

[0108] 气压平衡工具管是利用头部开挖仓内局部气压来稳定的正面的土体；全气压条件下，工具管大密水气闸门被关闭、小密水气闸门打开，操作仓直接与正面土体相通，如果全气施工时发生气崩或气压迅速下降，正面土体失去平衡，在水土压力作用，正面土体出现塌方现象，危及作业人员安全。为确保全气施工安全，应注意以下事项：

[0109] 1)根据本工程实际情况，全气压施工时，气压一般控制在1. 6kg/cm2左右，其最高气压不得超过2. 3kg/cm2,以防气压冒顶。

[0110] 2)全气压施工前，必须先向开挖仓内加气压（此时小密水门关闭，操作仓与开挖仓隔绝），观察工具管正面土体在气压条件下是否保持稳定，若压缩气体外泄较慢，正面土体能保持稳定（稳定时间在10分钟以上），方可进行全气压施工；若气压出现冒顶现象，应停止向开挖仓加气，可采取从工具管向外注浆措施，也可从地面进行注浆措施，堵塞气体通道，待浆液初凝后，再加气压。

[0111] 3)工作人员进入操作仓，关闭大密水门，然后逐步向操作仓内加气压，当气压加至开挖仓能保持土体稳定的气压时，再打开小密水门。

[0112] 4)整个施工过程中，必须保持工具管内气压稳定，以维持正面土体的稳定，若出现塌方现象，工作人员应立即进入操作仓内，迅速关闭小密水门，并向开挖仓内注触变泥浆， 防止塌方进一步扩展。

[0113] 5)全气压作业人员或监护人员发现气压迅速下降时，及时增大供气量，必要时启动第二台空压机，增大供气速度，确保作业人员安全撤离。

[0114] 6)当淤泥从小密水门大量涌入操作仓时，应停止向开挖仓供气，增大操作仓供气量。若小密水门被淤泥堵塞，应用高压水枪冲洗，同时打开工具管尾部6寸排水阀门，将工具管内泥水排入钢管内。同时监护人员应根据工具管内水位情况，及时切断工具管内电源， 改用应急灯照明。

Claims (3)

1. 一种顶管穿越块石海提施工方法，其特征在于：包括以下步骤：(一)块石海提处理(1)海提段加固①沿顶管轴线方向加固长度为：与顶管管顶相距在Im范围内的块石区；同时确保顶管与块石相遇段前后各有細的预加固区域；②顶管两侧大提加固宽度为：顶管轴线两侧各&I1 ；③顶管上下大提加固深度为：根据沉井下沉的地质情况，本区域淤泥层较软，为防止顶管内清理固结块石时管底土体涌入工具管，拟对顶管底部an范围内土体也进行加固；对顶管管顶以上8m范围内块石区进行注浆固结，以上块石层则采取灌浆方法对钻孔固结；(2)海提注浆利用钻孔设备，在海提地面上及附近地段直接进行钻孔施工，并采用钻管法毛石注浆加固工艺在填石层中需加固高程范围内挤压充填双液水泥与水玻璃混合浆液，浆液凝固后形成的水泥浆固结体，降低填石层等的透水性能，提高土体中填石间胶结强度及密实度，使填石层加固形成整体密闭复合土层，从而为顶管施工创造安全有利条件。(二）顶管穿越大提(1)开挖仓气压设定气压平衡工具管开挖仓压缩空气的压力值按顶管底部上面三分之一直径处的地下水压力，理论上，IOm水头必须用lkg/cm2的附加空气压力来平衡，但实际上平衡压力的大小还与顶管四周土层的性质以及开挖面土层的干湿程度有关，由于一部分水头压力消耗在土体孔隙的阻力上，所以附加气压所需的压力值仅为理论值的70%〜90%，其计算公式如下：P = (H+2/3D) y w式中：P-压缩空气压力值（kg/cm2)；H-顶管顶部地下水水头（m)，地下水按士 0. OOm考虑；D-顶管外径（m)；Y W-水的容重，一般按1计算。根据上式计算，本工程开挖仓气压控制在1. 6〜2. 3kg/cm2 ；在穿越大提顶进前，先在大提及前面一定范围沿顶进轴线上设若干变形监测点，通过监测区的地表变形量来调节和修正平衡气压的大小；(2)大块石清除顶管推进至块石区域时，应注意工具管纠偏油缸反力，若反力上升急剧，应将格栅外土体破坏，减小工具管正面阻力；同时在气压条件下，清理正面块石；若顶管推进至块石段遇到人工无法清理的大块石时，拟在全气压条件下采用气脚式凿岩机按孔网参数钻孔，然后利用液压分裂机及气动破碎机相结合的机械方法对块石分层进行破碎清理；(3)全气压施工防塌方全气压施工前，必须先向开挖仓内加气压，观察工具管正面土体在气压条件下是否保持稳定，若压缩气体外泄较慢，正面土体能保持稳定时间在10分钟以上，方可进行全气压施工；若气压出现冒顶现象，应停止向开挖仓加气，采取从工具管向外注浆措施，也可从地面进行注浆措施，堵塞气体通道，待浆液初凝后，再加气压；工作人员进入操作仓，关闭大密水门，然后逐步向操作仓内加气压，当气压加至开挖仓能保持土体稳定的气压时，再打开小密水门；全气压施工时，气压控制在1. 6kg/cm2,其最高气压不得超过2. 3kg/cm2,以防气压冒顶；整个施工过程中，必须保持工具管内气压稳定，以维持正面土体的稳定，若出现塌方现象，工作人员应立即进入操作仓内，迅速关闭小密水门，并向开挖仓内注触变泥浆，防止塌方进一步扩展；全气压作业人员或监护人员发现气压迅速下降时，及时增大供气量，必要时启动第二台空压机，增大供气速度，确保作业人员安全撤离；当淤泥从小密水门大量涌入操作仓时，停止向开挖仓供气，增大操作仓供气量，若小密水门被淤泥堵塞，应用高压水枪冲洗，同时打开工具管尾部6寸排水阀门，将工具管内泥水排入钢管内。同时监护人员应根据工具管内水位情况，及时切断工具管内电源，改用应急灯照明。

2.根据权利要求1所述的顶管穿越块石海提施工方法，其特征在于：所述注浆钻孔开孔直径为45〜50mm，垂直精度小于1 % ；双液注浆中的水泥采用R. 0. 32. 5普通硅酸盐水泥，按照不同土层调整注浆量，块石层每米注浆长度水泥用量为300Kg。

3.根据权利要求1所述的顶管穿越块石海提施工方法，其特征在于：所述双液水泥与水玻璃混合浆液采用体积比为1 ： 0.75〜1的混合方式，由注浆泵通过钻管注入到所需加固体间隙中，使加固体提高强度及密实性和止水性能。