矩形顶管接收遇硬岩接收施工方法与流程

1.本发明涉及顶管法施工技术领域，具体涉及一种矩形顶管施工在顶管机接收时遇到硬岩时的接收施工方法。


背景技术：

2.顶管施工是继盾构施工之后发展起来的一种地下管道施工方法，由于这种施工方式不需要开挖面层，并且能够穿越铁道、公路、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等，因此该技术已成为城市地下管节非明挖施工的主要手段，在给排水、污水治理、通信、电力管节等领域得到了广泛的运用。顶管施工的主要工作原理为，借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力作用，把工具管或者掘进机从工作井穿过土层，一直推到接收井接收吊起，与此同时，也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间，以成功实现挖敷设地下管道。随着城市综合管廊建设需求的发展，很多架空线改地下电缆；经常出现高压电缆穿越道路的情况；另外限于城市密集的建筑物，很多地方不具备开挖施工条件，因此顶管施工技术应用越来越多。
3.顶管施工工艺的具体过程为，施工时，首先在目标施工段两端分别制作顶管工作井和接收井，作为一段顶管的起点和终点，工作井中有一面或者两面井壁上设有预留孔，作为顶管机出口，其对面的井壁是承压壁，承压壁前侧安装有顶管的千斤顶和承压垫板(也叫钢后靠)，千斤顶能够将顶管机顶出工作井预留孔，而后以顶管机为先导，逐节将预制管节按照设计轴线顶入土层之中，直至顶管机后第一节管节进入接收井预留孔，施工完成一段管道。为进行较长距离的顶管施工，可在管道中间设置一个至几个中继间作为接力顶进，并在管道外周压注润滑泥浆。顶管施工可以用于直线管道，也可用于曲线等复杂管道。
4.随着我国顶管技术的加快引进和积极创新，我国顶管技术已经取得了快速的发展进步，在口径方面、适应性方面、数字化信息化方面、高精度方面、施工长度方面等均取得了突破性的进步。但现阶段，顶管技术在我国依然存在诸多待解决的技术问题和瓶颈。首当其冲的问题就是机械设备的技术较为落后，我国顶管机械设备主要依赖于进口，虽然国内也有自主的生产企业，但是整体技术落后于国际先进水平，顶管掘进机的型号种类不足以适应多元化工程需要，尤其是尚无适用于中强度岩层以上的岩盘顶管掘进机，适应土质范围较窄，且耐用性、机械化、自动化水平不足。这些均限制了顶管机械设备在我国诸多差异化地区的应用，地区差异显著。例如，我国西部地区以及中西部地区由于存在较多的中高强度土质岩层，因此仅有位数不多的西气东输项目下部分采用了顶管穿越工程，城市内推广应用也受到极大的限制，机械化的顶管施工往往不作为首选，手掘式顶管仍占最大比例。
5.尤其在顶管施工的接收工序中，由于接收井部分往往需要在制作是选择较为坚固的土体地层进行开工建设，同时接收井制作过程中常常还会对周围土体进行加固以保证接收井的稳固，顶管施工至接收井周围区域时遭遇硬岩的情况较多，接收区域内地层情况与中央隧道区域的地层情况具有较大差异。一般情况下，在中央隧道区域地层内以粘土、软土、淤泥质粘土、粉质砂土、沙砾、卵石层等为主，整体土质较软且切削容易，属于中低强度
土体，可以采用独立的切削搅拌式刀盘进行掘进，具有较快的推进速度，施工效率高且地面隆沉极小(优秀操作人员可控制在10mm以内)，但缺点就是在接收区遭遇中高强度硬岩时无法施工。此时若选择更换可适用于中高强度岩层的刀盘，则将大大延长工期。而若在整个施工过程中选用能够适用中高强度岩层的刀盘进行掘进，例如切削刀呈辐条形焊接在壳体泥土仓锥体上的刀盘，同时采用坚固而耐磨的切削到头，这种刀头具有非常广泛的适用范围，它除了具有破碎高硬度岩石的功能外还始终能保证进水泵的泥水能够通过间隙到达泥土仓中，保证了不仅在高硬度岩石和大块沙砾中、以及在黏土中均能够正常工作。但缺点是顶进速度慢，遇到流沙土层难以控制出土量，且施工沉降较大。尤其在顶管机接收区存在大的石块以及强风化岩的情况下，施工的工期、成本、沉降等均不能得到良好的控制。
6.因此，目前大部分工况中，顶管机施工工法适用于软土及部分少量硬岩(单轴抗压强度小于60mpa)的地层隧道施工。常规的顶管机接收是顶管机刀盘切削地层实现正常的掘进接收，但在掘进接收时若遇到接收区域地层为高强度岩层(单轴抗压强度超过60mpa)的情况，且硬岩覆盖区域大，超过顶管机尺寸，这种情况下常规的刀盘掘进接收会造成刀盘掘进困难，刀盘磨损较大，短距离内需开仓换刀，掘进速度缓慢，对于该类型的工程施工造价较大。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本发明提供了一种矩形顶管接收遇硬岩接收施工方法，能够有效解决顶管接收区域施工时遇到高强度硬岩导致的刀盘掘进困难、无法掘进等问题，在无需开仓更换刀盘的情况下，进行安全快速施工，有效降低工程施工成本造价，并严格控制施工沉降，保证了施工工程的安全性和稳定性。
8.本发明所采取的技术方案如下。
9.一种矩形顶管接收遇硬岩接收施工方法，包括下述步骤：
10.s1：根据顶管机硬岩接收区域的范围，确定开挖破除区域范围；
11.s2：通过接收井内的挖掘机逆向开挖破除区域范围的土体；
12.s3：将顶管机推至接收井，完成顶管机接收。
13.其中，开挖破除区域范围包括硬岩接收区域内沿管道线路段上的起始至洞门的硬岩接收施工段以及位于硬岩接收施工段的硬岩接收上部土体，并在硬岩接收施工段内预留掌子面预留土体和中部预留核心土体，所述掌子面预留土体自硬岩接收施工段的起始沿管道线路段向洞门方向延伸，中部预留核心土体自掌子面预留土体延伸末端起沿管道线路段向洞门方向延伸；并且，挖掘机逆向开挖时首先破除硬岩接收上部土体，再破除硬岩接收施工段。
14.所述步骤s1中，根据顶管机硬岩接收区域的范围，确定开挖破除区域范围，具体包括：对顶管机接收区域的地质情况进行详勘，将地层土体单轴抗压强度超过60mpa的区域认定为硬岩接收区域。
15.所述步骤s1中，确定硬岩接收区域沿管道线路长度超过5m。
16.所述步骤s2中，将顶管机的刀盘前沿停留在硬岩接收区域内沿管道线路段上的起始位置处后，采用分层开挖方式，使用挖掘机先后对硬岩接收上部土体和硬岩接收施工段开挖。
17.所述步骤s2中，硬岩接收上部土体呈放坡结构，坡比为1:0.3～1：0.7，坡面进行加固支护；当硬岩接收上部土体的基坑开挖深度≤10m时，采用土钉墙加固支护方式，当硬岩接收上部土体的基坑开挖深度＞10m时，采用锚杆 土钉墙加固支护方式。
18.进一步，形成土钉墙的土钉注浆材料采用p.o 42.5普通硅酸盐水泥浆，水灰比为0.5～0.55，强度等级不低于20mpa。
19.所述步骤s2中，采用挖掘机的炮捶在洞门内以分区开挖的方式进行硬岩接收施工段的开挖；具体的分区开挖方式为，在洞门内分别对左区和右区两个区域先后进行开挖，左区和右区的区域划分以中部预留核心土体进行分隔，两个区域内分别自洞门处开挖至掌子面预留土体的末端处，然后再进行中部预留核心土体洞门处长度段的开挖破除，将中部预留核心土体的长度保留至需要的长度。
20.所述步骤s2中，预留掌子面预留土体的宽度h1＝0.05l～0.15l，中部预留核心土体的宽度h2＝1/3l～1/2l，中部预留核心土体的长度l2＞3m，优选为l2＝3～5m，且h2：h1＝4～8时，其中，l为洞门内宽度，预留掌子面预留土体和中部预留核心土体的高度均与洞门高度一致。
21.所述步骤s2中，在挖掘机逆向开挖破除区域范围的土体过程中，及时对开挖破除过程中产生的渣土进行清理，包括先后对硬岩接收上部土体以及硬岩接收施工段进行施工时产生的渣土，采用在接收井上设置地面吊车及运土斗车，垂直吊运出土。
22.所述步骤s3中，首先将挖掘机自接收井内运出，然后开始顶管机的接收工作；启动液压油缸千斤顶，推动顶管机自停留处沿管道线路段继续向洞门掘进，依次破除预留掌子面预留土体及中部预留核心土体，直至将顶管机自洞门顶出，推至接收井内完成接收。
23.所述步骤s3中，顶管机在破除区域范围的推进速度在5～15mm/min。
24.所述步骤s3中，顶管机完成接收后，还包括下述步骤：将顶管机拆除并移出接收井，然后对上述开挖破除的硬岩接收上部土体的空间部分进行土体回填，采用挖掘机逆向开挖过程中产生并吊运出的部分原土土体回填至硬岩接收上部土体的空间内直至地面标高，并对顶管机管片与周围土层之间的空隙采用防水砂浆或细石混凝土填充。
25.本发明采用挖掘机逆向开挖破除目标硬岩接收区域，解决了在矩形顶管接收遇硬岩时，强推顶管机接收可能造成的行进困难、刀盘磨损、排土卡顿、顶管机损坏等问题，相比于爆破技术，震动小，冲击小，粉尘少，污染少，绿色环保；无需更换刀盘，大大缩短了工期并降低了施工成本；同时通过硬岩接收上部土体的预挖、以及掌子面预留土体和中部预留核心土体的共同设计，维持了硬岩接收区域施工的稳定，在加速施工的同时有效控制了沉降量依然维持在10mm以下，确保了工程安全。
附图说明
26.下面通过附图和实施例，对本发明实施例的技术方案做进一步详细描述。
27.图1为本发明矩形顶管接收遇硬岩接收施工区域内的施工结构示意图。
28.图2是图1中a-a部分的截面结构示意图。
29.图3为本发明矩形顶管接收遇硬岩接收施工区域内洞门部分的结构示意图。
30.图4为本发明工程实例中沉降监测的结果示意图。图中每条曲线代表了一个监测点的沉降变化情况。
31.其中，
32.1-硬岩接收施工段；2-硬岩接收上部土体；3-掌子面预留土体；4-中部预留核心土体；5-接收井；6-洞门；7-顶管机；8-刀盘；9-管片；10-挖掘机；11-左区；12-右区。
具体实施方式
33.下面通过附图和具体的实施例，对本发明进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本发明，即并不意于限制本发明的保护范围。
34.本发明提供的矩形顶管接收遇硬岩接收施工方法，如图1-3所示，主要包括下述步骤：
35.首先，根据顶管机7硬岩接收区域的范围，确定开挖破除区域范围；
36.第二，通过接收井5内的挖掘机10逆向开挖破除区域范围的土体；
37.第三，将顶管机7推至接收井5，完成顶管机7接收。
38.在上述步骤中，开挖破除区域范围包括硬岩接收区域内沿管道线路段上的起始至洞门6的硬岩接收施工段1以及位于硬岩接收施工段1的硬岩接收上部土体2，并在硬岩接收施工段1内预留掌子面预留土体3和中部预留核心土体4，所述掌子面预留土体3自硬岩接收施工段1的起始沿管道线路段向洞门6方向延伸，中部预留核心土体4自掌子面预留土体3延伸末端起沿管道线路段向洞门6方向延伸；并且，挖掘机10逆向开挖时首先破除硬岩接收上部土体2，再破除硬岩接收施工段1。
39.本发明的上述施工方案，使顶管施工接收遇硬岩区域时，通过采用挖掘机10自接收井5的接收端反向挖掘破除的方法，可以有效避免顶管机7遭遇硬岩时无法掘进的问题，免除更换刀盘8的繁琐工序，并防止因强行掘进可能导致的刀盘8损坏等问题，大大提高了施工效率和速度。由于考虑到挖掘机10反向挖掘施工的施工强度大，可能导致开挖破除区域范围为土体稳固性降低，影响施工工程的安全和稳定，同时可能导致较大的工程沉降，因此工序设计中，一方面需要首先破除硬岩接收上部土体2，再进行硬岩接收施工段1的破除工作，防止因硬岩接收施工段1破除时硬岩接收上部土体2存在情况下导致施工段坍塌或过度沉降变形，另一方面特别设计了预留掌子面预留土体3和中部预留核心土体4，能够进一步确保挖掘机10逆向破除的施工安全和硬岩接收施工段1的稳定，实现顶管机7硬岩接收区域内整体沉降量的有效控制。
40.在上述步骤中，根据顶管机7硬岩接收区域的范围，确定开挖破除区域范围，具体包括：对顶管机7接收区域的地质情况进行详勘，将地层土体单轴抗压强度超过60mpa的区域认定为硬岩接收区域，对常规适用于中低强度地层土体的顶管机7而言，一般当硬岩接收区域沿管道线路长度超过5m时，顶管机7继续掘进将可能导致顶管机7行进困难工期不恰当延长、刀盘8损坏、施工造价增加等不良影响。此时综合考虑可以采用本发明的后续施工方案进行开挖破除。
41.在上述步骤中，将顶管机7的刀盘8前沿停留在硬岩接收区域内沿管道线路段上的起始位置处(即硬岩接收施工段1的起始位置处)后，即可以使用挖掘机10首先开始硬岩接收上部土体2的开挖。硬岩接收上部土体2呈放坡结构，坡比(截面坡高：坡宽)为1:0.3～1：0.7，放坡结构可以有效防止后续施工过程中造成坍塌和滑坡。为进一步提高放坡结构的稳
定性，还可以对坡面进行加固支护。当硬岩接收上部土体2的基坑开挖深度≤10m时，可以采用土钉墙加固支护方式，当硬岩接收上部土体2的基坑开挖深度＞10m时，可以采用锚杆 土钉墙加固支护方式。其中形成土钉墙的土钉注浆材料可采用p.o 42.5普通硅酸盐水泥浆，水灰比为0.5～0.55，强度等级不低于20mpa，是特别适用于本发明强度超过60mpa的硬岩地层区域在挖掘机10高强度施工条件下的加固和围护材料，具有与高强度硬岩的高度匹配效果。硬岩接收上部土体2的开挖破除采用挖掘机10分层开挖方式，每层3
±
1m逐层开挖至洞门6顶标高，分层开挖方式有利于开挖过程中结构的稳定。
42.在上述步骤中，硬岩接收上部土体2开挖并加固支护完成后，即可进行硬岩接收施工段1的开挖，采用挖掘机10的炮捶在洞门6内以分区开挖的方式进行开挖。具体的分区开挖方式可以为，在洞门6内分别对左区11和右区12两个区域先后进行开挖，左区11和右区12的区域划分可以以中部预留核心土体4进行分隔，两个区域内分别自洞门6处开挖至掌子面预留土体3的末端处，然后再进行中部预留核心土体4洞门6处长度段的开挖破除，将中部预留核心土体4的长度保留至需要的长度即可，最后还可以根据需要对开挖破除区域内的周围土方进行必要的修整。
43.在上述步骤中，预留掌子面预留土体3和中部预留核心土体4用于共同维持开挖破除区域范围内地层土体的稳定，尤其是顶管机7上部土体的稳定，其中预留掌子面预留土体3不仅能够在挖掘机10逆向开挖完成后，开始推进顶管机7进行接收的初期削减顶管机7开启推进时对地层土体造成的初期扰动，还可以有效维持顶管机7进行接收的开启时初期推进的稳定性，中部预留核心土体4还同时提高了预留掌子面预留土体3的稳定。为优化控制开挖破除区域范围内的沉降控制标准，将地面沉降仍然控制在10mm以内，可以进一步对预留掌子面预留土体3和中部预留核心土体4的预留范围进行优化控制。根据60mpa以上硬岩地层土体特点以及挖掘机10施工强度经验，在沉降控制标准要求下，发现预留掌子面预留土体3的宽度h1＝0.05l～0.15l，中部预留核心土体4的宽度h2＝1/3l～1/2l，中部预留核心土体4的长度l2＞3m，优选为l2＝3～5m，且h2：h1＝4～8时，可以满足要求，其中，l为洞门6内宽度，预留掌子面预留土体3和中部预留核心土体4的高度均与洞门6高度一致(图2)。预留掌子面预留土体3的宽度h1宽度过大不利于顶管机7进行接收时的开挖掘进，刀盘8切削困难且刀具磨损过大，h1宽度过小则不利于开挖破除区域范围内地层土体的稳定；同样的，中部预留核心土体4的宽度h2过大或长度l2过长不利于顶管机7进行接收时的开挖掘进，或者造成刀具不必要的过度磨损，宽度h2过小或长度l2过短则不利于地层土体的稳定以及对预留掌子面预留土体3的配合稳定，容易在顶管机7对预留掌子面预留土体3开挖掘进时造成预留掌子面预留土体3的坍塌。
44.在上述步骤中，在挖掘机10逆向开挖破除区域范围的土体过程中，应及时对开挖破除过程中产生的渣土进行清理，包括先后对硬岩接收上部土体2以及硬岩接收施工段1进行施工时产生的渣土，可以采用在接收井5上设置地面吊车及运土斗车，垂直吊运出土。
45.在上述步骤中，挖掘机10逆向开挖破除区域范围的土体施工完毕后，将挖掘机10自接收井5内运出，即可以继续开始顶管机7的接收工作。启动液压油缸千斤顶，推动顶管机7自停留处沿管道线路段继续向洞门6掘进，依次破除预留掌子面预留土体3及中部预留核心土体4，直至将顶管机7自洞门6顶出，推至接收井5内完成接收。为控制接收过程掘进施工强度，降低对地层土体的扰动和配合达到沉降标准设计要求，顶管机7在破除区域范围的推
进速度应控制在5～15mm/min。顶管机7的下部液压千斤顶推力还可以稍大于上部的液压千斤顶推力以维持推进面的整体推进平衡。
46.在上述步骤中，顶管机7完成接收后，将顶管机7拆除并移出接收井5。然后对上述开挖破除的硬岩接收上部土体2的空间部分进行土体回填。可以采用挖掘机10逆向开挖过程中产生并吊运出的部分原土土体回填至硬岩接收上部土体2的空间内直至地面标高，并对顶管机7管片9与周围土层之间的空隙采用防水砂浆或细石混凝土填充，以保证管片9与周围地层的紧密稳固。
47.为进一步说明本发明施工方法的设计优势，下面以某地一个施工工程为实例进行阐述说明。
48.北京新机场临空经济区市政交通配套工程永兴河北路(大广高速～磁大路)道路及综合管廊工程(五标段)，其中管廊在k0 414.300～k0 542.700段下穿大广高速，采用矩形顶管工法施工，顶管机7设备尺寸为9.1m(l)*5.5m，从东往西上坡顶进，坡度0.2％，顶管机7长度实为129m。在顶管机7掘进至顶管接收区域时，距离接收井5还有10m的范围内附近基岩埋深相对较浅，部分断面为中风化～微风化花岗岩及砂砾岩，钻芯取样强度报告显示单轴抗压强度高达80mpa。
49.若采用顶管机7继续按照原工法强推接收，顶管机7顶进速度慢，刀具的磨损不可避免，少量刀具出现磨损后，若不及时发现并将其更换，将会大大加速刀盘8上其他刀具的磨损速率，同时，刀盘8负荷大，水泥块卡在刀盘8与掌子面之间影响搅拌，水泥块堵塞螺旋出土机管道导致出土困难，将严重影响顶管机7顺利接收。若采用开仓换刀，则会大大影响工期，并且大大增加换刀成本。经组织专家进行内部讨论论证，采用开仓换刀的接收方式对工期和造价产生的影响结果列于表1中，同时，经专家组内部讨论论证可以采用本发明上述挖掘机10逆向开挖的施工接收方法，能够大大节省工期和成本，采用本发明接受方法成功施工后的工期和成本节约情况也列于表1中。
50.表1工程实例中开仓换刀与本发明两种顶管机接收方式的对比结果
51.[0052][0053]
采用本发明接收方式进行区域内保密施工，具体施工过程为：采用挖掘机10分层开挖硬岩接收上部土体2，每层3m逐层开挖至洞门6顶标高，基坑支护采用土钉墙支护形式，放坡开挖坡度为1：0.4，设置土钉4排，土钉为钻孔灌注钉，梅花形布置，水平间距为1.3m，竖直间距1.4m。然后采用挖掘机10炮锤沿着洞门6先后对硬岩接收施工段1的左区11和右区12的土层进行破除，由上而下逐层破除，破除过程注意破除区域范围内土体侧墙的休整以及洞门6的维护，有利于严格控制地面标高，确保地面平整顺滑。然后再进行中部预留核心土体4洞门6处长度段的开挖破除。顶管机7刀盘8前预留掌子面预留土体3由顶管机7切削，预留掌子面预留土体3的宽度h1为500mm，中间预留中部预留核心土体4长度l2应控制为3.5m，宽度h2为3.5m，高度与洞门6高度一致，可以维持顶管机7上部土层的稳定。施工过程中对接收井5破除产生的渣土进行清理，采用地面吊车及运土斗车垂直吊运出土。挖掘机10破除完成后，推动液压油缸千斤顶，破除预留掌子面预留土体3及中部预留核心土体4，将顶管机7推至接收井5，推进速度控制在10mm/min左右；将开挖出的土体回填至管片9(或称管节)上，直至地面标高，对顶管机7管片9与周围土层之间的空隙采用防水砂浆填充。
[0054]
本工程在顶管机7接收遇到硬岩段的施工于2019年12月19日开始，于2019年12月26日结束，成功完成该段的顶管机7接收，管节顶推至设定位置，为准确监测和控制沉降，在施工区域范围内选取了具有代表性的多个沉降监测点，监测结果显示(图4)，地面沉降精准控制在10mm以内，地面沉降小，工期短、环境影响小，具有良好的经济及环境效益。
[0055]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。