淺埋暗挖頂管施工孤石處置技術(shù)的研究

徐方林，周運(yùn)剛，姜 偉

(1.青島地鐵集團(tuán)有限公司,山東 青島 266100; 2.上海同是科技股份有限公司,上海 201203)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步,越來越多的新工藝、新設(shè)備投入到地鐵工程的建設(shè)過程中,特別是頂管法技術(shù),頂管施工是指在工作環(huán)境內(nèi)借助于主頂油缸及管道間等的推力來克服掘進(jìn)過程中掌子面土體產(chǎn)生的阻力以及隧道與原有土體之間的摩擦力,從而進(jìn)行下穿道路、橋梁或既有建筑物等,該施工方法具有挖地面少、不破壞地面建筑物;減少對(duì)環(huán)境污染和道路的堵塞等優(yōu)點(diǎn),從而在施工過程中受到了廣泛的應(yīng)用。

伴隨著城市化不斷發(fā)展,地下工程建設(shè)的不斷推進(jìn),頂管法這項(xiàng)施工技術(shù)也得到了逐漸完善與發(fā)展,在地鐵建設(shè)過程中往往受到當(dāng)前作業(yè)條件的限制、周圍建筑物的影響,無法開展大型機(jī)械化施工,所以建設(shè)過程中逐漸選擇頂管法這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行地鐵建設(shè)[1-5],許多學(xué)者也從不同角度開展了研究,研究重點(diǎn)集中在兩個(gè)方面,一方面眾多學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬等方面研究了不同工況下頂管施工地表沉降規(guī)律及控制措施[6-9],另一方面部分學(xué)者對(duì)頂管施工全過程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,并提出對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施[10-12]。施工過程中發(fā)現(xiàn)孤石存在對(duì)于施工具有很大的影響,在深圳地鐵的建設(shè)過程中,是國內(nèi)最早的孤石工程實(shí)例,地質(zhì)為球狀風(fēng)化巖,由于地質(zhì)原因的影響導(dǎo)致盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中刀盤受到了嚴(yán)重的變形,險(xiǎn)些造成重大事故[13],后期張恒、米晉生對(duì)于盾構(gòu)掘進(jìn)孤石處理技術(shù)方面進(jìn)行了相關(guān)研究[14-15]。本文以青島地鐵某車站的出入口過街通道在頂管施工過程中,遇到較大孤石為例,采用旋挖鉆、地質(zhì)鉆、靜態(tài)預(yù)裂破碎孤石,恢復(fù)頂管機(jī)掘進(jìn)推進(jìn),使得順利下穿道路,解決了頂管施工的技術(shù)難題,為后期工程建設(shè)提供了施工經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 基本概況

青島地鐵某站出入口需下穿道路,且北臨小區(qū)。出入口采用明挖+暗挖頂管法施工,出入口明挖段為矩形框架結(jié)構(gòu),基坑支護(hù)形式采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐相結(jié)合方式。暗挖頂管段長39 m,覆土約7.2 m,單管節(jié)長1.5 m、寬6.9 m、高4.2 m、厚450 mm,共計(jì)26節(jié),管節(jié)混凝土采用C50P10;從道路北側(cè)明挖基坑始發(fā)頂進(jìn),在道路南側(cè)的車站主體預(yù)留吊出口(如圖1所示)。

頂管段下穿道路及道路下方眾多管線,有給水、燃?xì)?、雨污水及電力管廊?電力管廊(9 m×2 m)距頂管頂4.02 m;DN1 200混凝土雨水管距頂管頂4.48 m;DN 500鑄鐵雨水管距頂管頂5.65 m;雨水DN1 000距頂管頂3.9 m;燃?xì)釪N300距頂管頂5.27 m。

1.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)勘探情況,開挖土層自上而下依次為：第①層素填土、第⑦層粉質(zhì)黏土、第⑨2層卵石、第層粉質(zhì)黏土、第層含黏性土粗礫砂;根據(jù)地質(zhì)埋深,頂管拱頂覆土多為素填土及粉質(zhì)黏土,底板主要位于含黏性土粗砂層,出入口通道主要穿越粉質(zhì)黏土及含黏性土粗礫砂,存在微承壓水。頂管段地質(zhì)情況統(tǒng)計(jì)表見表1,頂管段地質(zhì)剖面圖見圖2。

表1 頂管段地質(zhì)情況統(tǒng)計(jì)表

1.3 孤石情況

施工過程中頂管機(jī)始發(fā)掘進(jìn)9 m、管節(jié)拼裝6環(huán)的位置,發(fā)現(xiàn)刀盤頂磨到孤石無法正常掘進(jìn)。通過頂管機(jī)前方檢查孔對(duì)孤石進(jìn)行初步定位,孤石位于頂管機(jī)前進(jìn)方向的左側(cè),初步推斷孤石直徑約為3 m左右。經(jīng)過地質(zhì)勘察補(bǔ)勘,打設(shè)6個(gè)豎向勘探孔、7個(gè)水平勘探孔,并利用勘探鉆機(jī)對(duì)巖石取芯,對(duì)孤石的范圍等進(jìn)行分析,最終根據(jù)探測(cè)結(jié)果判斷孤石為微風(fēng)化巖,位置在縱斷面長度2.2 m、橫向?qū)挾?.8 m、高度4.5 m左右(見圖3)。

2 孤石處置方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,制定孤石處置方案如下：孤石精準(zhǔn)定位→地面加固處理→旋挖鉆破碎孤石→地質(zhì)鉆鉆孔、靜態(tài)預(yù)裂破碎孤石→人工清除孤石→回填、恢復(fù)頂管機(jī)掘進(jìn)。

2.1 地表注漿加固

因孤石需破碎取出,為防止孤石處理期間道路地面發(fā)生塌陷,在處理孤石之前,先通過地質(zhì)雷達(dá)對(duì)地面進(jìn)行掃描驗(yàn)證,確認(rèn)地面是否存在松散、空洞等現(xiàn)象,采取雙液注漿對(duì)地面進(jìn)行加固處理。地面利用水-水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行注漿加固,比例為1∶1∶0.3,注漿深度初步控制為0 m～6 m,最大擴(kuò)散半徑2.5 m,將1號(hào)注漿孔作為試驗(yàn)孔,確定注漿壓力為0.2 MPa,單孔注漿量控制在4 m3左右,自下而上進(jìn)行注漿,每注入1 m間歇10 min左右,注漿順序?yàn)?→6→2→4→3→5→7→8。注漿孔位置見圖4。

2.2 旋挖鉆破碎孤石

確認(rèn)孤石位置后,在地表相對(duì)應(yīng)位置通過旋挖鉆破碎孤石,使用φ900 mm旋挖鉆從地面向下鉆透孤石,鉆孔深度為12 m,將孤石旋挖取出,共打設(shè)4個(gè)鉆孔,1號(hào)孔中心對(duì)應(yīng)位置為頂管機(jī)左側(cè)殼體中心線正前方,2號(hào)孔緊貼1號(hào)孔右側(cè),1號(hào)、2號(hào)孔施工完成后取相切位置施作3號(hào)鉆孔,最后在1號(hào)孔左側(cè)施作4號(hào)孔。

2.3 地質(zhì)鉆破碎孤石

地質(zhì)鉆破碎主要對(duì)旋挖鉆無法取出孤石進(jìn)行破碎處理,通過φ108 mm地質(zhì)鉆將孤石取孔打穿,孔間距200 mm,孔內(nèi)注入膨脹劑對(duì)孤石進(jìn)行靜態(tài)破碎,破碎成小塊以便于取出,累計(jì)共打設(shè)鉆孔34個(gè)、孔深12 m(見圖5)。

2.4 人工清除孤石

通過前面幾種措施將孤石破碎,破碎后的孤石采取從地面下鋼護(hù)筒方式取出,鋼護(hù)筒直徑106 cm,底部以上20 cm位置處開設(shè)寬60 cm、高80 cm取石孔,護(hù)筒內(nèi)孔上下焊接加強(qiáng)鋼板,確保取石孔不發(fā)生變形。鋼護(hù)筒示意圖見圖6。

鋼護(hù)筒用打拔機(jī)插入1號(hào)、2號(hào)孔位,護(hù)筒取石孔朝向刀盤一側(cè),護(hù)筒壓入初始深度為上部巖石區(qū),就位后旋挖鉆取出護(hù)筒內(nèi)土體至護(hù)筒底標(biāo)高,然后從頂管機(jī)將土倉內(nèi)土除凈,使護(hù)筒出石口與土倉貫通,目的是便于觀察與通風(fēng)。清除刀盤上部區(qū)域孤石時(shí),工人不得出到護(hù)筒外部,待清理完成后再用打拔機(jī)將護(hù)筒旋轉(zhuǎn)180°,清除管線下部對(duì)應(yīng)區(qū)域的孤石,然后將護(hù)筒插入下一層區(qū)域采用同樣方法依次清理底部區(qū)域孤石。

3 安全保障

3.1 組織保障

1)成立本項(xiàng)目的安全領(lǐng)導(dǎo)班子,以項(xiàng)目經(jīng)理擔(dān)任安全組長,作為本項(xiàng)目的首要負(fù)責(zé)人,項(xiàng)目總工程師、生產(chǎn)副經(jīng)理、安全總監(jiān)為安全副組長,各相關(guān)職能部門負(fù)責(zé)人為安全組員,各司其職,共同負(fù)責(zé)好各項(xiàng)安全環(huán)節(jié)。

2)制定明確的安全生產(chǎn)管理目標(biāo),建立安全生產(chǎn)責(zé)任制。在工程施工過程中分別制定安全管理目標(biāo),并對(duì)安全責(zé)任目標(biāo)分解和落實(shí),明確責(zé)任人,根據(jù)各自的職責(zé)分工開展本工程的安全生產(chǎn)工作。同時(shí)在工作過程中要建立相應(yīng)的管理制度,對(duì)于生產(chǎn)安全工作中認(rèn)真負(fù)責(zé)的個(gè)人或部門進(jìn)行一定的獎(jiǎng)勵(lì),對(duì)于生產(chǎn)管理不到位、不作為的進(jìn)行一定的處罰,從而做到安全生產(chǎn)活動(dòng)人人負(fù)責(zé)的態(tài)度。

3)嚴(yán)格落實(shí)“三特”人員管理制度,對(duì)于本工程的特種作業(yè)人員做到人證合一,持證上崗,并定期開展作業(yè)人員的教育培訓(xùn),提高作業(yè)人員的技術(shù)水平,同時(shí)落實(shí)管理制度,對(duì)于作業(yè)區(qū)域設(shè)置特種作業(yè)人員管理崗位,加強(qiáng)管理。

4)加強(qiáng)內(nèi)業(yè)管理,安排專人對(duì)于施工過程中的技術(shù)交底文件、專家評(píng)審資料、安全教育培訓(xùn)、專項(xiàng)施工方案、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告、施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)清單等相關(guān)內(nèi)業(yè)資料進(jìn)行整理、歸檔,以便于后期資料查閱,避免出現(xiàn)資料缺失等情況。

3.2 技術(shù)保障

1)根據(jù)《頂管工程施工規(guī)程》規(guī)范,矩形頂管頂進(jìn)軸線偏差控制要求：高程±100 mm;水平：±100 mm。預(yù)警值控制在±50 mm,頂管頂進(jìn)過程中,建立針對(duì)頂進(jìn)軸線偏差三級(jí)報(bào)警機(jī)制,分別為藍(lán)色預(yù)警(軸線偏差±30 mm)、黃色預(yù)警(軸線偏差±40 mm)、紅色預(yù)警(軸線偏差±50 mm)。

2)現(xiàn)場(chǎng)施工過程中要特別注意頂管機(jī)頂進(jìn)軸線的控制,在完成一節(jié)管片頂進(jìn)工作后,要及時(shí)對(duì)頂管機(jī)的頂頭進(jìn)行姿態(tài)檢查,做到及時(shí)糾正偏差量,避免出現(xiàn)后期偏差過大,造成土體擾動(dòng)等問題出現(xiàn)。

3)頂進(jìn)過程中要注意壓漿工藝,根據(jù)本工程特點(diǎn)制定具有針對(duì)性的壓漿方案,對(duì)于施工過程中形成的建筑空隙,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)采用潤滑泥漿對(duì)空隙進(jìn)行填補(bǔ),形成泥漿套,避免出現(xiàn)地面沉降等問題,在壓漿的過程中,必須做到“隨頂隨壓、逐孔壓漿、全線補(bǔ)漿、漿量均勻”的施工指導(dǎo)原則。

3.3 監(jiān)測(cè)保障

監(jiān)測(cè)內(nèi)容及項(xiàng)目主要包括：始發(fā)井、接收井加固區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)、周邊地表豎向位移監(jiān)測(cè)、施工區(qū)域豎向位移及水平位移監(jiān)測(cè)、各類管線監(jiān)測(cè)、始發(fā)井、接收井圍護(hù)體系監(jiān)測(cè)、圍護(hù)樁頂水平及豎向位移監(jiān)測(cè),對(duì)于施工過程應(yīng)安排專職人員對(duì)場(chǎng)地及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行巡查,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

3.4 機(jī)械設(shè)備保障

1)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)使用的機(jī)械設(shè)備要安排專職人員對(duì)其檢測(cè)、維修、保養(yǎng),對(duì)相關(guān)記錄進(jìn)行保留存檔,為后期使用提供資料數(shù)據(jù)。

2)機(jī)械設(shè)備的使用過程中,要密切注意機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況,包括設(shè)備異響、指針偏出安全范圍、運(yùn)轉(zhuǎn)不靈便等異常情況,對(duì)于異常情況要及時(shí)停機(jī)檢查,待設(shè)備正常后繼續(xù)投入使用。

3)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械場(chǎng)地必須保證地面平整,含有大型機(jī)械作業(yè)時(shí),要計(jì)算基礎(chǔ)承載力是否滿足要求,避免出現(xiàn)機(jī)械作業(yè)時(shí)地面沉降問題,機(jī)械安裝時(shí)必須按照安裝規(guī)程進(jìn)行,杜絕出現(xiàn)臨時(shí)支撐等情況。

4)機(jī)械施工場(chǎng)地周圍應(yīng)設(shè)立警示標(biāo)語,并拉設(shè)安全防護(hù)區(qū)域,避免非工作人員違規(guī)進(jìn)入機(jī)械作業(yè)環(huán)境中而出現(xiàn)機(jī)械傷人事件,對(duì)于噪聲過大的機(jī)械設(shè)備作業(yè)時(shí),應(yīng)搭設(shè)降噪工作棚,避免對(duì)周邊居民產(chǎn)生噪聲影響。

3.5 應(yīng)急保障

1)設(shè)置專門的應(yīng)急處理組織機(jī)構(gòu),對(duì)發(fā)生險(xiǎn)情時(shí),實(shí)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮,有組織、有規(guī)律的進(jìn)行搶險(xiǎn)工作。

2)施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)管理,對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常,超出預(yù)警限制發(fā)生預(yù)警時(shí),應(yīng)及時(shí)組織召開預(yù)警會(huì)議,制定預(yù)警處置措施,施工方監(jiān)測(cè)及第三方監(jiān)測(cè)對(duì)預(yù)警位置應(yīng)增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及監(jiān)測(cè)頻率,跟蹤異常數(shù)據(jù)的變化情況,待數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定后提交消警申請(qǐng)。

3)建立完善的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制以及應(yīng)急隊(duì)伍,以便于施工過程中突發(fā)事故時(shí),能夠在第一時(shí)間做出應(yīng)急響應(yīng),并根據(jù)應(yīng)急處置方案進(jìn)行有序、有組織的應(yīng)急救援工作。

4 結(jié)語

在頂管施工過程中遇較大孤石情況,首先應(yīng)探清孤石的大小、形狀以及分布情況,制定最合理的處理方法,編制專項(xiàng)處置方案,地面有條件的應(yīng)進(jìn)行地面預(yù)處理,不具備條件的再采取洞內(nèi)處理,或地表及洞內(nèi)聯(lián)合處置,采用旋挖鉆、地質(zhì)鉆鉆孔、靜態(tài)預(yù)裂等方式破碎孤石、取出,順利恢復(fù)頂管掘進(jìn)施工。