水钻掘进法在污水管道顶管施工中的应用

水钻掘进法在污水管道顶管施工中的应用

1、水钻法介绍

所谓水钻法，即采用钻孔取芯机（水磨钻机）在需要开挖的岩面上钻孔取芯，通过钻孔取芯机沿管径外沿钻若干个孔，孔孔相连，待所有钻孔连成一个环后，岩芯便与岩壁分离，形成一圆外周临空面，然后对剩余的岩芯部分进行打孔，孔内打入钢楔，捶击钢楔挤压岩石，使岩石同时受到铅锤面上的剪切力和水平面上的拉力作用，当挤压力大于极限抗拉力和极限抗剪切力之和时，岩石沿水平面被拉裂并从底部发生剪切破裂，最后将破裂分离的岩块利用机具运出。全部完成一轮工序后，即可进行下一轮钻孔、取芯、破碎、外运，如此进行反复循环，直至满足顶管空间需求。因钻孔取芯机在操作过程中需要用冷却水对钻头处进行水冷，保证打钻过程中不淤钻、不卡钻，故称之为“水钻法”。

2、水钻法在柳州市的应用

柳东新区位于柳州市东面，属于城市发展东扩区域，实行分流制排水体制。柳东新区官塘片区污水收集管网第二合同段管道全长11506m，管径为d1200-1800，管道埋深为3-8m。管线需要穿越田地、道路、河沟等，施工条件复杂，沿线地质情况为杂填土、塑性粘土、粉质粘土、砂砾石、淤泥质粘土、中风化岩和微风化岩等，局部地段有连续或不连续的中微风化岩，地下水位较高。根据管线地勘资料显示，约有总长为200m的管道位于微风化白云岩层，岩体均匀，其中EW10#-EW11#段管道长约120m，GW4#-GW5#段长约80m，设计管道管径为d1800mm。由于受地形、地质、经济条件限制，只能采取人工掘进顶管施工的方式。如果采用传统的人工风镐掘进施工，将面临施工空间较小、施工难度大、工期无法保证等困难，沿线居民也不允许采用炸药爆破开槽工艺，考虑岩层的特性，因此必须采取针对性的特殊方式进行石方破除施工——水钻掘进法。

3、施工工序

主要工序及工艺流程如下：施工准备→测量及校准→顶管工作井开挖及浇筑→敷设顶管导轨→设置顶进后背→安装顶进设备→吊放管节→挖掘顶进（水钻施工）→测量及纠偏→再次挖掘顶进（水钻施工）→循环作业→水泥压浆→管道抹带→检查井砌筑。

3.1顶管工作井

顶管工作井的施工方法很多，本工程采用逆作法施工，由上至下分层开挖分层施工。每层深1-1.5m，每开挖一层，立即进绑扎钢筋、支立模板、浇筑混凝土，混凝土强度等级C30。井体浇筑到设计深度后先浇筑混凝土垫层，垫层强度达标后，然后绑扎钢筋浇筑混凝土底板。由全站仪定位好顶进中心线后铺设钢导轨，两导轨应顺直、平行、等高。工程采用2台活塞式液压千斤顶作为主顶。千斤顶后端用钢板和靠背钢钢筋混凝土将反力均匀作用于工作井，前端顶进利用顶铁、分压环将顶力传至管节。分压环制作具有足够的刚性，与管端面接触相对平整，无变形，这样轴向顶力能够均匀分配于管材，从而防止管口变形。EW10#-EW11#段管线和GW4#-GW5#段管线分别设置4个工作井，工作井平面尺寸为7000mm×4000mm，实行双向对顶施工。

3.2管节吊放

当井内外的准备工作完成后，验收合格的管材用起重设备吊到工作井的导轨上就位。顶管前应在管材两端安装3mm的木层垫板，可以有效缓冲管材相互之间的压力。这样可以保护管材在挤压的情况下不变形、不破口、不破裂。

3.3水钻法掘进

水钻掘进施工主要包括以下几道关键工序：搭设支架、水钻取芯、芯柱外运、桩芯破碎、碎块外运。

3.4顶进

凿开工作井护壁进行进洞施工，将机头由工作井顶入土体，用龙门吊将管节吊放入井，接于机头后部，测量管道中心线及前端后端底高程，确认合格后将第一节钢筋混凝土管顶入，人工掘土或水钻施工一定距离后，回缩千斤顶，吊入第二节管道，校直对中，接于前一节管后，安装回顶铁和分压环，如此循环，直至完成顶管工作。通常一个工作井内顶管顶进速度约2m/d，当两个工作井同时对顶对接时，顶进速度可达4m/d。

3.5水泥压浆

管道每顶进20-30m即进行压注水泥浆，通过管壁上的预留孔洞注满管道外壁与岩石之间的空隙，起到固定管道、防止渗漏的作用。注浆材料选用P·O32.5普通硅酸盐水泥，水泥、粉煤灰（质量比1:1）混合。

3.6管道抹带

顶管结束后，管材之间的管口凿毛清洗。用1:2水泥砂浆抹管道接口第一层砂浆，厚度15mm，宽200mm。抹砂浆时应注意找正使管内缝居中。砂浆应压实，与管壁粘牢，待底层浆稍晾有皮后再二次采用1:1水泥砂浆涂抹，并成形弧形边模，表面平整。砂浆初凝后赶光压实，以免造成小孔引起漏水，抹带完成后立即覆盖进行养护。

3.7检查井砌筑

顶管施工完毕后，管道两端露在工作井中的长度不得小于500mm，对洞口进行水泥砂浆止水密封。此时工作井即可改造为污水管道的检查井，做好管道流槽与脚窝后，进行检查井的井筒砌筑施工。检查井采用MU7.5砖砌，依次安装踏步、抹面勾缝、设置防坠网、安装井座及井盖即可，最后对井周开挖面进行回填。

3.8地下水处理

本工程施工地段地下水位较高，浅部土层主要为孔隙潜水类型，施工中遇到的地下水主要是顶管工作井施工时及管道顶进过程中从开凿的护壁洞口渗入的地下水。考虑到排水法的优点，本工程采用排水法进行地下水处理。

针对工作井施工时地下水渗入问题，在每层井壁上设置直径50的钢管泄水孔，每开挖一层在井坑中间挖一个直径600的集水井，井深始终要低于井内开挖面1m左右，由工作面流向集水井，再由潜水泵排出地面，以保持正常开挖井内的土体稳定。顶管工作井施工至设计深度后在井内周边设置边沟，井底部设置平面尺寸为800mm×800mm，深1000mm的集水坑，放置潜水泵抽水，保持工作面干燥。针对顶管过程中的地下水入渗，施工方制作了钢结构形式的止水套环。套环外圈焊接在洞口的预埋钢板上，套环内圈是橡胶止水带，安装在工作井壁洞口和管节之间，内圈的橡胶止水带紧贴管节，可以有效止水。水钻取芯时岩层内的裂隙渗水和施工废水可以通过管道汇至顶管工作井的集水坑抽出。

4 结语

本文提出了水钻法适用于顶管施工的技术路线，并将其成功应用于柳州市的污水管道工程实践，较好地解决了大口径污水管道穿越特殊地层的难题，对施工沿线房屋和公用管线起到了很好的保护作用，取得了良好的社会效益和经济效益，该方法值得推广与应用。

本文由水磨钻采集!