注浆灌注桩支护技术在顶管工程中的应用

注浆灌注桩支护技术在顶管工程中的应用

袁涛孙宁亮徐海伟

（山东淄博巨能电力工程有限公司山东省淄博市255000）

摘要：近几年我国铁路及公路建设进入跨跃式发展，铁路不断经历电气化改造进行提速，公路等级也在不断进行等级提高，道路运输在国计民生中的重要性越发突显。随着电力建设的发展，电缆线路钻越道路遇到的问题日益明显，甚至存在安全隐患。

关键词：注浆灌；注桩支护；顶管；应用

1、目前电缆顶管过路技术现状及存在问题

（1）现状分析

经过多年的发展，顶管技术在我国已得到大量地实际工程应用，且保持着高速的增长势头，无论在技术上、顶管设备还是施工工艺上取得了很大的进步，在某些方面甚至已达到了世界领先水平。2001年上海隧道股份有限公司在江苏省常州完成了长2050m、直径2m的钢筋水泥管顶管工程，是目前已完成的我国最长的顶管工程。2001年8月～12月嘉兴市污水处理排海工程一次顶进2050m超长距离钢筋混凝土顶管，由于选择了合理的顶管机具型式、成功地解决了减阻泥浆运用和轴线控制等技术难题，用约5个月完成全部顶进施工，创造了新的顶管施工记录。全长3600m、管径为1.8米的钢管从23至25米深的地下于2002年9月成功横穿黄河，无论从顶进长度、埋深、地质条件，还是钢管直径在国内尚属首次。其中最长的一段位于黄河主河床上，长达1259米，还要穿越较厚的砾砂层与黄河主河槽，既是我国西气东输项目的关键工程，也是目前世界上复杂地质条件下大直径钢管一次性顶进距离最长的顶管工程。2001年的上虞市污水处理工程中，玻璃纤维夹砂管首次成功地应用于顶管。2008年在无锡长江引水工程中中铁十局十公司采用国产设备直径2200mm钢管双管同步顶进2500米。以上工程均标志着我国的顶管施工水平达到一个新的高度，与世界先进水平日益靠近。然而与国外发达国家，如日本、德国等先进的机械设备及施工技术水平相比，我国仍然有着显著的差距。

（2）发展方向

随着我国经济持续稳定地增长，城市化进程的进一步加快，我国的地下管线的需求量也在逐年增加。加之人们对环境保护意识的增强顶管技术将在我国地下管线的施工中起到越来越重要的地位和作用。非开挖技术的发展必将向规模化、规范化、国际化的方向发展。

在我国经济高速增长的支持下，顶管技术的发展将面临前所未有的机遇，在加快引进国外先进技术的基本上，努力消化创新，加强研发和人才培养，其前景是非常乐观的。纵观国内外顶管技术的发展，发展方向将是多元化和多样化。在顶管直径方面，除了向大口径管的顶进发展以外，也向小口径管的顶进发展。目前顶管技术最小顶进管的口径只有75mm，最大的已达到5m（德国），大口径顶管有取代小型盾构的趋势。在适应性方面，发展宽范围、全土质型顶管机是必然趋势，适应范围将大为延伸，从N值为极小的土到N值为五十多的砾石，直至轴压强度达两百MPa的岩石。将微电子技术、工业传感技术、实时控制技术和现代化控制理论与机械、液压技术综合运用于顶管机械上是顶管技术的发展趋势。数字化、信息化、智能型顶管机的研制将得到更多的关注，纠偏精度、自动化程度也将得到大力提高。在不久的将来，一些全自动、高精度的掘进机会成为施工机械的主流。顶管的用途随着相关技术的发展也将继续扩，主要用于管道铺设将发展管道铺设、涵顶进、地下人行通道管棚式施工等多用途型。顶管截面形状基本上都是圆形，今后的发展趋势是圆形、矩形、圆拱形、多边形等，以适应箱涵顶进等各种工程的需要，故截面形状多元化是必然趋势。顶管施工形式主要为土压式、泥水加压式，以后的发展将在进一步吸收国外技术的基础上，应用管套式、气泡式等等各种形式的顶管施工技术。随着高精度长距离测量技术进一步的发展应运，通风系统的完善，中继间技术、注浆减摩技术的进步，排渣系统的发展、刀盘切削系统、推进系统、出土输送系统、供电液压系统、监控系统、测量导向系统，等一系列技术的突破，现有的一次性顶进距离将不断刷新，各种复杂曲线顶管也将陆续出现。目前我国已成立北京、上海、广州和武汉四个非开挖技术研究中心，我国国际非开挖技术协会单位会员已突破100个，数量居世界第4、亚洲第1。形成了行业协会、科研单位、研究中心和设备生产和施工企业组成的强大的阵营，而且每年不断有很多人不断加入到从事顶管等非开挖工作的行列，我国的顶管技术的必将迎来一个崭新的阶段。

（3）存在问题

顶管技术在我国的存在的主要问题是，机械设备技术比较落后，地区差异明显，水平参差不齐，缺乏规范化，人才不足，尚待进一步宣传推广。对顶管机械设备我国主要依赖于进口，虽然国内也有生产企业，但技术仍落后于国际先进水平，掘进机型号种类不足以适应工程需要，我国尚无适于中强度岩层以上的岩盘掘进机，适应土质范围不宽，且耐用性、机械化、自动化水平不够。从地域上说，顶管技术的发展与我国地域经济水平相适应，我国东部的顶管技术发展水平远远高于中西部地区，仅广东、上海、浙江、江苏和山东五省市就占到了非开挖铺管工作量的75%。而西部地区仅在西气东输项目下有为数不多的顶管穿越工程，中西部地区与东部沿海地区差距非常显著。不同施工企业的施工水平也不平衡，有些还处在比较原始的阶段，也有一些应用失败的工程，客观上阻碍了顶管技术的推广发展。影响顶管技术应用的另一个因素是，行业规范化不够，存在同行低水平恶性竞争的现象，专业人才缺乏，现有的从业人员大多是从事一般的土木工程施工中转化而来，缺少专业训练。今后仍需加强管理，努力推广先进技术，提高施工水平和改善施工工艺。

顶管施工致路面下陷高速公路抢修下陷路面

顶管施工致路面下陷顶管施工致路面开裂

2、注浆灌注桩支护技术的应用

1）原理

1、固化效应：桩底沉渣及桩侧泥皮因浆液渗入发生物理化学作用而固化；

2、充填胶结效应：桩侧、桩底的粗粒土因渗入注浆而显示充填胶结效应，使其强度显著提高；

3、加筋效应：桩底、桩侧的细粒土因劈裂注浆形成网状结石，显示加筋效应。

2）优点

1、大幅度提高承载力，实测数据显示，承载力可提高40%以上，经济效益可观，应用前景广阔，对于包括线路上常用的人工挖孔桩等均有良好的适用性。

2、减少沉降，实测数据显示，总沉降量可以降低20%～30%，这是由于注浆固化了沉渣、虚土，加强了桩端扩底效应，对桩端土进行了预压和加固。

3、注浆技术成熟，该技术目前已应用于全国二十多个省市数以千计的工程中，有专业的施工队伍，施工技术相对较成熟，是国家《建筑桩基技术规范》中明确提倡的新施工工艺工法，可以直接在线路工程中应用。

3、简介

注浆技术是一项用于加固软弱地基、减小沉降、提高承载力、防止边坡滑塌、防止路基滑坡、纠正结构物基础偏斜、填充天然地基穴洞以及混凝土砌体缝隙的技术措施。注浆方法有压力注浆、高压旋喷注浆、锚固注浆。注浆有效深度视其方法而异。压力注浆为6m左右，旋喷注浆8m以下，锚固注浆随杆长而定，可大于8m。注浆孔位呈矩形、梅花形，其间距与孔密度视岩、土、基础形态而定，通常不小于1.5m。

注浆的关键技术在于对注浆深度的无损连续检测和浆液稠度，以及视岩土介质性态、密度确定合理的压力。锚固注浆还取决于锚杆钻头注浆后的拉拔效应。注浆方案应专门设计并通过现场实验后确定。注浆效果应用无损检验法对注浆面积和深度进行测定，以及必要的沉降观测和对复合地基承载力的测算。锚杆注浆是防止滑坡的有效方案。

注浆技术使桩端桩侧土体（包括沉渣和泥皮）得到加固，从而提高单桩承载力，减少沉降。这种方法可以起到两方面的作用：一是加固桩底沉渣和桩侧泥皮；二是对桩底和桩侧一定范围的土体通过渗入（粗粒土）、劈裂（细粒土）和压密（非饱和松散土）注浆起到加固作用，从而增强桩侧阻力和桩端阻力。在优化工艺参数的条件下，可使单桩承载力提高40%—120，粗粒土增幅高于细粒土，软土增幅最小，桩侧桩底复式注浆高于桩底注浆；桩基沉降减少30%左右。

4、提出本文要解决的问题和解决问题的思路

顶管工程中出现的路面下陷、开裂、拱起问题，现已引起各级政府及公路局的重视，因为一但出现问题，对公路的损害十分大，并且很难维护，对公路上的车辆行驶安全还存在隐患，因此对新建的顶管工程审批更加严格，甚至部分市规定对高等级公路特别是高速公路不允许顶管施工。

但是电缆顶管过高速路桥相对于托管具有可容纳管线多，高速路桥工作创面小的优点，相对于暗挖隧道又具有节省造价，工期短的优点。因此借鉴建筑工程中的注浆桩技术，结合顶管工程，推出了注浆灌注桩支护法，即可以保留顶管工程的优点，又能克服顶管施工中容易出现的不良地质问题。

二、实验与实践

2011年在110kV龙齐输变电线路电缆线路过G309公路桥的施工过程中，发现公路桥路面下含有大量鹅卵石及杂填土混合夯筑层，钻越公路桥施工过程中出现塌方量过大，不易施工的情况。

1、岩土工程分析与评价

（１）地层稳定性分析

钻探点位地层为淄河阶地向冲沉积平原过渡地层，地层较简单，地基土主要由素填土、粉质粘土、圆砾及卵石组成，层位稳定，持力层坡度小于10%，属于均匀地基，第四系地层较厚，基岩埋深大。

（２）钻探点位：

①层圆砾，层位稳定，分布均匀，具中等-低压缩性；

②层卵石，层位稳定，分布均匀，具低压缩性；

（３）地基土设计参数

根据规范，按土工试验结合地区经验，相关设计参数建议值如下表：

地质钻孔柱状图

2、方案提出、论证和优化

电缆线路与现有的高速公路交叉，目前可行的方案主要为：（1）、顶管过高速路方案；（2）、拖管过高速路方案；（3）、暗挖电缆隧道方案。根据工程设计条件及可研、初设报告要求，对以上方案进行论证。

（1）、顶管过高速路方案

顶管方案优点：

①接收坑②路面③挡土板④操作坑⑤顶进支架⑥保护管帽⑦替顶⑧套管⑨导轨⑩坑底垫层⑾千斤顶⑿承力后座⒀顶进护板

①顶管施工可不阻断交通，不破坏道路和植被，因而可以避免开挖施工所带来的居民生活和交通干扰，无污染，无噪音。

②减少了开挖施工的地下作业工程量，加快了非开挖工程施工进度，缩短了施工工期，作业面小，综合施工成本低。

③顶管可容纳多回电缆，一次施工方便后续电缆线路敷设。

④造价6500元/米

顶管方案缺点：

①曲率半径小而且多种曲线组合在一起时，施工就非常困难。

②在软土层中容易发生偏差，而纠正这种偏差又比较困难，管道容易产生不均匀下沉。

③推进过程中如果遇到障碍物时处理这些障碍物则非常困难。

④施工速度较慢，工期约2-3周。

结合本工程实际地质情况，施工人员对顶管现场进行了探坑试掘，路基下的鹅卵石及杂填土混合夯筑层出现塌方，同时引起公路监管部门注意，要求针对具体情况提供详细整改措施，否则不准再行施工。至此可见单纯的顶管施工方案已不能满足对公路施工的安全要求，施工进度受阻。

（2）、拖管过高速路方案

拖管方案优点：

①工期短

②造价单根400元/米

③可按设计管径施工

④易控制管线走向

⑤无需在管线周围降水

⑥施工作业人员少

拖管方案缺点：

①占地面积大，需有管线焊接存放地

②每次只能单根管施工，对公路路基创面大

③井底高程控制不良

④拖管管材要求质量高，需MPP管

⑤距离短的管线，不易操作

⑥遇卵石地层无法施工

结合本工程实际地质情况，咨询了有丰富经验的拖管施工人员，由于路基下地层中含有鹅卵石，会导致导引钻头无法控制方向，甚至出现钻头翻滚。另根据工程设计条件及可研初设报告要求，除变电站本期双回电缆进线外，路径走廊内还需预留多回10kV线路及多回管道光缆，采用托管方案需托管16根以上，需要的操作面太大，对公路路基存在安全隐患，故不推荐。

（3）、暗挖电缆隧道过高速路方案

暗挖电缆隧道方案优点：

①施工可不阻断交通，不破坏道路和植被，因而可以避免开挖施工所带来的居民生活和交通干扰，无污染，无噪音。

②可容纳多回电缆，一次施工方便后续电缆线路敷设。

暗挖电缆隧道方案缺点：

①造价过高

②需要专有施工设备

③施工工艺要求高

结合本工程实际情况，暗挖隧道方案可满足要求，但是造价过高，另工程施工点靠近淄河河道，地下水水位较高，暗挖隧道施工时埋深处于地下水水位以下，不易解决地下水的问题，故不推荐。

综上所述各方案均不能满足施工安全要求，因此提出注浆灌注桩支护技术。

2、方案具体实施

首先，在预顶管位置上方1米范围内用岩石钻具钻φ120mm孔径的圆孔，横穿高速公路，钻孔位置与顶管上部弧度相同。

然后，采用专用高压注浆枪将水泥沙浆注入孔内。注浆会使桩土间界面的几何和力学条件得以改善，桩端注浆可使桩底沉渣、施工桩孔时桩端受到扰动的持力层得到有效的加固或压密，并加固桩底和桩周一定范围的土体，以大幅度提高桩的承载力，增强桩承载状态的稳定，减小桩基沉降。

最后，待回填土与水泥沙浆充分混合凝固达到一定强度，并且确保公路路基不会塌陷后，进行顶管施工。

三、结论

（1）注浆灌注桩支护技术，使桩桩周土石得到固结挤密；减少了桩周土相对变形，提高了桩周侧摩阻力和端阻力且使沉降变形减小而均匀，因而使桩承载力得到提高。在今后的工程中，相同条件下可优化桩长、桩数、桩径、桩柜，以达到满足安全性平衡造价的双重要求。

（2）本工程所用浆液为水泥类浆液，来源广泛易控制。在今后的工程中可采用水玻璃类浆液，其具有无毒性、凝结时间可控制且价格便宜，国际上应用已较广泛。

（3）压力注浆理论很早就被广泛用于地铁、盾构隧道的加固及坝基帷幕等工程，注浆灌注桩自1994年被开发利用后，已越来越广泛地应用于土建工程，其设计、施工、检测经验也将日臻成熟，前景看好。

参考文献：

[1]黄强，刘金砺，高文生，等．JGJ94—2008建筑桩基技术规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2008．

[2]王志辉，刘斌，庄平辉.砂卵石持力层桩端注浆灌注桩承载力与荷载传递规律[J]工业建筑，2001，（08）.

[3]龚维明，吕志涛.桩底压浆灌注桩[J]工业建筑，1996，（03）.