超大直径顶管顶进过程中利用旋挖钻机处理孤石

霍,雨

中电建生态环境集团有限公司  广东  深圳  518102

摘要：在城市的管道工程中常采用顶管技术，因地质情况复杂，在地质勘探过程中不能做到完全掌握顶管行进路线的地层结构，在施工过程中需具备一定的处理突发地质情况的措施。在顶管顶进过程中，遇到较大孤石而无法通过工具头格栅掏出时，通过管内与地面的互通测量，确定孤石在地面的具体位置，根据补充勘察的情况，采用旋挖钻机破除孤石，大大降低了顶管施工中的难度。

关键字：管道工程；顶管技术；超大直径；孤石；旋挖钻机

近十年，随着国内基础设施建设在水利、公路、铁路等领域蓬勃开展，尤其是城镇排水系统的大规模建设，顶管法施工技术在我国应用的越来越广泛。由于该方法较开槽施工具有对交通干扰小、拆迁工作量小、文明施工程度高等优势，因此成为各城市尤其是大中型城市建设的首选方案。目前国内顶管技术已经向着超大直径、超长距离的方向发展，在国内也出现了将直径4米的管道一次性顶进950米的案例，并成为首个荣获中国建设工程鲁班奖的顶管工程，标志着国内顶管施工技术达到新的高度。但大直径顶管和长距离顶管都面临着一个难题，因地质勘探原因，顶管顶进过程中会遇到孤石，导致顶进受阻。该问题能否解决，也决定了顶管方案能否成功。

本文以实施完成的项目为例，介绍超大直径顶管顶进过程中遇到孤石的处理措施。该项目位于深圳市宝安区石岩街道，顶管设计直径3.5米，管道埋深5米至18米，顶管线路位于市政道路下。

一、项目简介

石岩街道位于深圳西北部、宝安东部，处于石岩水库及铁岗水库上游，涉及河道为石岩河和支流水田。石岩河是石岩水库流域内的主要河流，发源于羊台山北麓，流域面积19.08km²。石岩河横穿石岩街道，蜿蜒曲折，河道已经基本渠化，河床高程在34.7~62.5m之间，平均坡降4‰。水田支流是石岩河右岸一级支流，发源于牛牯斗水库，河道总长2.97km，由北往南于石龙大道与宝石东路交汇处汇入石岩河。水田支流流域面积4.72km²，平均比降16‰。根据历史及现状水系对比分析，石岩河宝石东路上游段由于龙大高速公路的建设改变了原石岩河上游段的水系布局。

图1 原河道水系示意图                图2现状水系示意图

表1 水田支流流域特性参数变化情况

项目	流域面积（km²）	河口流量（m³/s）
历史水田支流	0.81	13.77
现状水田支流	4.72	76.3

从以上水系变化可以看出，原排入石岩河干流的两条支流民营路干管，牛牯斗水库排洪渠的洪水出路变成水田支流，石龙仔路主排水涵管、牛牯斗水库排洪渠20年一遇的洪峰流量为27.8m³/s、30.38m³/s。增加了水田支流的防洪排涝压力，由于现状水田支流的河道断面仅有3.0m×3.0m，行洪能力严重不足，致使水田支流两岸每将暴雨必受内涝，两岸居民及工业厂房深受其害，水田支流河道两岸是石岩街道受涝最严重的地区。

为改变水田支流过流能力不足的现状，本工程除改扩建水田支流河道外，还需新建一条行洪通道，即DN3500超大尺寸顶管。顶管沿线原始地貌属低丘陵及沟谷地貌，经人工开挖回填改造已建设为工业一路及工业二路，现状地面西南高、东北低，地面高程73.20~84.40m。

二、工程概况

新建行洪通道采用顶管法施工，管道内径3.5米，外径4.2米，顶管长度429米，共设置5处顶管井。线路两侧楼房林立，房屋距管道边线最近处不足5米，线路轴线方向地面最大高差约11m（详见图3）。

图3 行洪通道顶管井平面布置图

W2、W3、W4设为顶管工作井，W1、W5设为顶管接收井。

（1）W1顶管接收井

W1顶管井采用Φ1000@1200灌注桩成井，桩间采用Φ800@1200旋喷桩止水，桩成井尺寸为7.0×7.0m，基坑深度9.46m，桩长15.0m。

（2）W2顶管工作井

W2顶管井采用Φ1200@1400灌注桩成井，桩间采用Φ800@1400旋喷桩止水，向W1接收井顶进，桩成井尺寸为10.0×7.0m，基坑深度16.30m，桩长21.0m。

（3）W3顶管工作井

W3顶管井采用逆作法施工，护壁外侧采用双排Φ600@400双管旋喷桩止水，逆作井护壁厚1000mm，每环1m一节，基坑深度20.86m，向W2工作井顶进。

（4）W4顶管工作井

W4顶管井采用Φ1200@1400灌注桩成井，桩间采用Φ800@1400旋喷桩止水，向W3工作井和W5出口边坡顶进，桩成井尺寸为Φ1000圆形井，基坑深度21.92m，桩长33.0m。

（5）W5顶管接收井

W5接收井为顶管出口边坡，基坑支护等级为一级，采用钻（冲）孔灌注桩+锚索支护方式，桩间止水拟采用双管高压旋喷桩。基坑最大深度23.12m，坑顶为格构梁边坡，坡高为7.91m，坡率为1：1.75。

三、地质情况

新建行洪通道W1~W2段管段将穿越地层为强风化花岗岩（下段）、弱风化花岗岩（上段）。强风化花岗岩（下段）呈石夹土，碎块状结构，局部夹弱风化状，属较软岩；弱风化花岗岩（上段），节理裂隙发育，块状～短柱状结构，属较硬岩。地下水活动中等，承载力高，可作为管基持力层，但顶管在强风化花岗岩（下段）及弱风化花岗岩（上段）中顶进较为困难。

新建行洪通道W2~W5段管段将穿越地层为砾质粘土、砾砂、残积土、全风化花岗岩、强风化花岗岩（上段）。管底下卧地层为砾质粘土、残积土、全风化花岗岩、强风化花岗岩（上段），其承载力高，可作为管基持力层。顶管在砾质粘土、砾砂、残积土、全风化花岗岩、强风化花岗岩(上段）中顶进较为容易。但不能排除顶管施工遇到孤石的可能性。

四、施工遇到的问题及解决方案

W4~W5管段长137米，两侧为工业厂房。该段顶管于4月29日开始顶进。在5月13日顶进至65米时遇到障碍无法继续前进。通过反复查阅地勘报告、人员进入顶管机工作舱踏勘并结合顶管机操作运行数据，基本确定顶进线路上遇到孤石。目前顶管施工遇到障碍物常见的清除技术主要有竖井开挖、钻孔清除、慢速磨顶、开舱清楚、套管清障、顶进对接、钻爆清楚、顶管回退等8种形式。因该段顶管采用泥水平衡式顶管机（普通刀盘），管顶覆土普遍在14~18米深，W5号接收井处为高边坡无法施工检查井，且项目工期紧须在5月底前具备通水条件等原因。综合考虑安全、质量和工期等因素，最终确定采用旋挖钻机处理孤石。

方案敲定后，第一时间组织勘察、测量人员进行地址补勘。在顶管机顶进线路上梅花形布置钻孔，间隔2米。经过钻孔取芯，基本确定障碍物为孤石，位于顶管机顶进线路上偏右侧，形状近似于椭球体。孤石尺寸沿顶进方向上长度约2.5米，垂直于顶进方向上约3.5米，高度约3.8米（详见图4）。

图4 顶管及障碍物参数

孤石参数确定后，测量人员首先根据顶管机与孤石平面位置关系，暂定3处钻孔（详见图5），随后进场1台1.5米直径且配备破岩功能钻头的旋挖钻机。

图5 钻孔点位布设

旋挖钻机钻孔技术的适用范围及特点优势明显。传统钻机通常通过牵引平台、滑撬、液压步履等方式进行移动，移动速度慢或者需要依赖其他辅助机械。本次引入的SWDM420旋挖钻机配备399kW的强大动力，配有可自动行走的履带式底盘，小范围移动时更快、更准。旋挖钻利用钻机动力头下护筒，钻杆自动伸缩，钻进过程中不用拆装，节省了人力和加接钻杆的时间，辅助时间少，自动化程度高，同直径、同长度的桩基，旋挖钻施工所需时间仅为回旋钻的五分之一左右。

旋挖钻可根据地层的软硬自动调整扭矩及钻进比例，不必依赖操作手的经验，当钻头遇到孤石时，可以在很大程度上避免切磨震动对刀盘的影响。钻机底盘可伸缩，并带有自动整平装置，钻塔垂直度及钻孔深度由电脑控制，使钻机在水平就位、垂直调平时具有非常高的准确性。

旋挖钻机采用动力头形式，利用强大的扭矩直接将土、砂砾、碎石等钻渣旋转挖掘，然后利用挖掘斗快速提出孔外，在不需要泥浆支护的情况下，可实现干法施工，污染源大大减少，既降低了成本也提高了效率。

钻孔期间，顶管机内安排专人值守，时刻关注刀盘及机身情况，遇有较大震动即停止钻孔，避免损坏顶管机。地面上安排专人观察桅杆垂直监控板是否在零位置，避免钻头切磨岩石时因岩石较硬而出现设备晃动等情况。随着钻孔深度加深地质情况出现变化时，逐渐减慢旋转频率以保证进尺和垂直度。结合开挖钻渣方量及顶管机试顶运行参数判断孤石破碎情况。

五、结论

经过32小时不间断钻孔，累计钻孔60米，顺利完成孤石破碎。自5月13日14时发现孤石，到5月22日17时恢复顶进，9天时间完成技术方案比选、地质情况补勘、资源组织进场和钻孔开挖及地基回填处理。运用该施工方法较竖井开挖（逆作法开天窗）节省工期15天，费用节省约220万元。

本次采用旋挖钻处理顶管施工中遇到的大孤石，解决了当前的困难，并取得了较为圆满的结果。实践证明，此种处理方法可以在以后类似的工程施工中作为借鉴，适时的在顶管施工中逐步推广。

参考文献：

[1]谭建峰. 顶管施工中大孤石的处理方法.中国科技信息. 2007年第10期

[2]赵明宗 宋海丰. 京沪高铁旋挖钻钻孔施工技术. 铁道建筑技术.2010（11）

[3]段志文. 旋挖钻孔灌注桩的技术经济优势. 铁路工程造价管理.2003（11）

[4]舒彪. 旋挖钻在山区高速公路桩基施工中的应用. 四川建材.2017（06）