顶管工程地下障碍物冲击清除技术

顶管工程地下障碍物冲击清除技术摘 要: 地下顶管工程实施中经常会遇到各类地下障碍物，除了改变管道线路，绕过障碍物外，对于大多数没有详细资料的地下障碍物，一般都需要对障碍物进行清除。结合工程实际，提出冲击桩机清除障碍物工法。关键词：顶管；障碍物；冲击1 前言地下顶管工程已经广泛应用于各类地下管道的非开挖埋设，工程实施中经常会遇到各类地下障碍物，特别是在河道密布的沿海软土地区实施顶管工程，河道边、拆迁房屋下遇到木桩、块石、混凝土桩、旧管道等障碍物的情况十分普遍，对于普遍采用的泥水平衡顶管机，无法打开机头进行人工清障作业。除了改变管道线路，绕过障碍物外，对于大多数没有详细资料的地下障碍物，一般都需要对障碍物进行清除。清除障碍物一般采用大开挖，也有采用钢板套箱的方法进行人工清除，但这类办法成本大、风险高，对周边建筑容易产生破坏。2 工程实例概况某工程为一条1200的混凝土管，管顶埋深约5m。顶管过程中遇到了古海塘基础障碍物。经走访调查，了解原海塘地面部分已经拆除，但其基础有许多松木桩，深度较深，阻碍顶管工程施工。3 地下清障总体思路3.1 方案比较对本工程情况可以适用的几种清障方法进行技术和经济比较见表1所示。表1 各类清障方法比较表方法支护开挖1钢板套箱全套管钻机顶管机内前方开口清除原理通过钢板桩等支护后，向下开挖暴露障碍物用钢板套箱作为支护体，边下沉边开挖，以暴露障碍物用套管套住障碍物后，用冲击或冲抓锤清除人工在顶管机前方清除优点清除彻底，思路直接。清除彻底，支护可靠。机械操作，安全性好费用省，速度快缺点1、基坑深度大（一般6m以上），需要专门设计。2、管位上方不能打桩。3、对周边易造成周边地层沉降。1、自重轻，下沉困难，需要施加外力下压。2、插入管底以下深度有限，坑底涌土难以预防。1、机械投资大，一般地区租赁困难。2、钻机自重大，对场地要求较高。1、仅适用于开口型顶管机。2、工人操作环境恶劣。3、扩大顶管机开口存在安全风险。经济性一般较经济费用较大费用省3.2 冲击清除的总体思路为清除顶管线路上的松木桩障碍，总体思路是采用冲击钻机在顶管机前方利用冲击锤定点清除管位上的障碍物。即参照冲击成孔钻孔桩工艺原理，利用冲击重锤的冲击能量破除地面到管道底的障碍物，在顶管机前方形成管位通道，使顶管机顺利通过障碍地区。利用钻孔泥浆与地下水压力保持平衡，以维持孔壁稳定；并利用泥浆将破碎的钻渣浮出，加快冲击破除速度。冲击法清除障碍物种类可包括各类混凝土桩基、块石、管道、钢桩、木桩等。与支护开挖方法不同，除孔口适当保护外，不需要其它支护措施，对周边建筑的破坏不明显。其地质适应性强，能适应流砂层等各类复杂地质情况。相比全套管液压钻机拔桩的方法，对场地和设备要求较低，操作技术容易掌握。冲击清除的原理图如图1所示。图1 冲击锤定点清除障碍原理示意图4 施工工艺流程及操作要点4.1 工艺流程如下：障碍物地面定位平整场地机械破除表层障碍物埋设护筒或设置导墙冲击钻机就位建立泥浆循环系统冲击障碍物钻机移位回填粘土继续顶进地面恢复4.2 操作要点4.2.1 护筒或导墙施工（1） 对于预制方桩等平面面积较小的障碍物，定位后，可以采用直径大于钻锥直径20cm的钢护筒，埋设方法同一般钻孔桩工艺。（2） 对于面积较大或带状的障碍物，可沿管道走向设置混凝土导墙，中线每侧宽度大于管道外壁20cm。导墙长度为障碍区二端各1m。（3） 位于混凝土道路时，可以采用混凝土切割机切割路面的方法，形成导墙。4.2.2 建立泥浆循环系统（1） 开挖泥浆泥，容量一般控制造浆量为2 倍的拟破碎区域的体积。对于小范围破除作业，可用定型钢板箱作为泥浆循环用。（2） 泥浆应选择良好的造浆粘土或膨润土，泥浆性能应根据地层情况调配。在一般地层控制比重1.21.4,粘度1622s（松散易坍地层1928s），含砂率不大于4%，胶体率不小于95%，PH值大于6.5。4.2.3 冲击钻进工艺（1）钻机选择：一般认为，锥重和直径越大，破碎障碍物的效率越高，但对于一般顶管工程，障碍物的深度和范围不大，为方便施工可选择相对较小的型号，如SPC-300H、GPC-40H等普遍使用的冲击钻机。钻锥选择常用的十字形冲击锥，要求设置弧形刃外壁有一定的倾角，以避免卡钻。对于选用简易式冲击钻机，钻架除应有足够的结构强度外，还应考虑承受反复冲击荷载的结构刚度，或设置风缆或撑杆等措施加固。（2）护筒埋设完成或导墙混凝土强度达到75%后，移动冲击钻机到护筒中心或管道中心。钻机就位后，应精心调平，并支撑牢固，确保施工中不发生倾斜、移位。（3）形成泥浆循环系统后，即可开锤冲击。（4）开孔时应先在孔内灌注泥浆，如孔中有水，也可直接投入粘土，用冲击锥以小冲程反复冲击造浆。开孔及整个钻进过程中，应始终保持孔内水位，以保证孔壁稳定。在砂层等松散层开孔时，可按1：1投入粘土和小片石（粒径不大于15cm），用小冲程反复冲击，使泥膏、片石挤入孔壁，必要时重复回填反复冲击23次。4.2.4 回填粘土（1）经测绳探测确认管位障碍物被清除后，为防止顶管机通过该区域时向上漂移，应对清障孔进行回填处理。（2）回填材料应根据相应地面恢复要求选择，并满足顶管工作的需要，切忌回填材料中掺杂石块、树根等杂物，对顶管造成二次障碍。对于地面恢复为路面的，一般要求有较多的回填密实度，这种情况下，可选择含砂量较高的土体，易在水下密实。对于密实要求不高的情况，可选择粘土作为回填材料。（3）回填方法应以孔壁稳定不坍塌为操作原则，边抽泥浆边回填，既要使泥浆不外溢，又要保持一定的孔内压力，防止坍塌和裂缝。4.2.5 继续顶进（1）对于事前发现，工期许可时宜给予一定的回填稳定时间。（2）对于已经始发的顶管作业，在障碍清除孔回填完成后应立即恢复顶进作业。（3）经过停等后，恢复顶进时启动工作压力会比正常顶进状态增大，此时应注意观察，一旦启动，应立即减小顶进压力，缓慢通过清障孔。（4）通过清障孔时，应关闭泥浆循环系统，暂停触变泥浆的注入。（5）通过清障孔时，应对顶进轴线进行加密监测，做到“勤测勤纠”，确保轴线与设计吻合。4.2.6 顶管完成后的后续处理（1）顶管到达接收井后，应全面检查管节之间和管节与井壁间的连接情况。（2）对触变泥浆进行置换处理，采用水泥砂浆、粉煤灰水泥砂浆等易于固结或稳定性较好的浆液置换泥浆。拆除注浆管路后，将管路上的注浆孔封闭严密。（3）按功能要求对清障区划进行地面恢复。4.2.7 关键技术（1） 防止卡锤和“梅花孔”措施在护筒内冲击预制桩等面积较小的障碍物时，由于冲击锤底部受力不均，容易造成冲击锤失稳，甚至卡钻的情况，应采用小行程反复冲击的方式钻进。无法稳定下锤时，可以用向孔内抛填粒径15cm以下片石处理。当心孔口掉入石块或其它物件，卡住冲击锤。在掏渣后或因其它原因停钻后再次开钻时，应由低冲程逐渐加大到正常冲程，以免卡钻。一旦发生卡锤现象，不得盲目猛拉，应采用其它辅助措施调整冲击锤姿态后缓慢提出。钻进过程经常检查冲锥转向装置的灵活性，选用适当粘度泥浆，防止“梅花孔”的出现。（2） 带状障碍物处理对于带状障碍物，可以分层交替进尺的方式。每层控制在30cm左右。（3） 复杂地层钻进措施对于流砂、粉质土地质情况，或是周边有对沉降比较敏感的建筑时，宜适当提高泥浆浓度，必要时可以添加黄泥、彭润土等措施改善泥浆性能。5 结语（1）深部清障技术不仅仅是单纯依靠清障设备的工作，需要工程技术人员具有对岩土工程、施工、建筑机械等多方面具有丰富的经验，根据工程具体情况，因地制宜，采用合适的、合理的清障技术，才能顺利完成清障工程2。（2）冲击清障方法清除顶管障碍物适用于障碍物上方地面有冲击钻机操作空间、周边没有需要特别保护的建筑物和管道情况下的各类地质情况。（2）对