360度旋转水钻破除风化岩人工顶管施工工法

1、360 度旋转水钻破除风化岩人工顶管施工工法广西建工集团第一建筑工程有限责任公司罗松俭 杨渊 陈少伟 黄耀章 李立强1前言顶管施工就是非开挖施工方法，是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术，是近年来发展 较快的一种管道施工技术，其理论和工艺水平不断趋于完善。市政工程中采用顶管施工可以将作业 面移入地下，从而避免了对地面交通的影响，显示出顶管施工的优越性。顶管施工方法有多种，如 手掘式顶管，机械式顶管、泥水平衡式、三段两铰型水力挖土式、多刀盘土压平衡式等。手掘式顶 管即平常所说的人工顶管，因设备简单，操作方便，施工成本低，施工进度快，施工过程易于控制 等特点，在施工中采用较为普遍。随着城市建设

2、的发展，市政管道建设中，常因道路狭窄、地处闹市区、现场条件复杂等原因而 必须使用顶管施工。对于短距离的顶管工程，一般使用人工顶管进行施工，即手掘式顶管。手掘式 顶管适用于黏性、砂性或土质较好的土层，且无地下水影响，管径20003000之间的排水工程。但也会遇到地质条件较复杂的土层，如风化岩层。广西建工集团第一建筑工程有限责任公司通过工程 的施工实践，在处理遇风化岩的顶管中，积累了丰富的经验，通过施工中不断对该工艺进行改进和 完善，经过总结，形成了本工法。在公司承建的钦州大榄坪污水管网工程项目中，运用本工法，施 工效果好，安全可靠、实用。2工法特点2.1 采用水钻机代替人工挖除风化岩，降低了施工

3、的难度和工作强度，经济实用。2.2 该工法弥补了水钻机钻孔精度差、 水钻机自重大操作困难的弊端， 水钻机安装在可旋转的 支架上，提高了施工效率。2.3 施工机具简单，施工工艺可操作性强， 施工快捷， 施工质量容易得到保证， 降低了施工成 本，缩短了工期。2.4 操作支架可根据管径大小进行调节，并能调整水钻机钻进的角度。2.5 避免使用风炮产生的巨大声响以及风炮破除时产生的石屑飞溅。3适用范围本工法适用于人工顶管中遇到较坚硬石层的地质情况，以及人工挖掘困难的坚硬土层的顶管施 工。4工艺原理人工顶管手掘式开挖中，遇到坚硬岩层人工挖除困难，且无法使用爆破和风炮机破碎时，采用 水钻代替人工挖掘。采用公

4、司研制的可旋转操作支架，水钻机安装在支架上；在待挖除面上沿管径 内侧钻若干个孔，孔孔相连，钻孔后取芯，待所有水钻钻孔连成一个环后，管芯就和管壁分离了， 形成了管芯的临空面，之后在管芯岩面上采用冲击钻打孔，在孔内打入钢楔，锤击钢楔，使岩石受 到剪切力和水平拉力作用，利用岩石抗剪能力差的特点，当岩石受到的力大于其抗拉强度时，岩块 受拉破坏，岩石碎块全部运出后，进行下一轮钻孔、取芯、破碎、外运。循环施工直至最后将岩层 全部贯通。5 施工工艺流程和操作要点5.1 工艺流程5.2 操作要点5.2.1 施工准备1、技术准备顶管施工前，技术负责人须组织相关施工人员进行安全技术交底，掌握顶管及水钻施工的技术

5、知识和相关要求，了解施工场地工程地质情况，了解危险因素和安全防护的方法。通过沿线调查研究，结合现场地形及交通运输、水源、电源、排水条件，已制定出相应的技术 措施。2、工具准备施工人员的防护用品施工机具：水钻机顶管施工所需的机具：活塞式液压千斤顶、注浆机、鼓风机、空气压缩机、水泥搅拌机、测量仪(全站仪、水准仪)5.2.2测量放线及校准(1) 使用全站仪、水准仪等设备，测量现状地面高程及管道轴线，将控制线从工地周边的水准 点坐标引入。(2) 测量的精度必须达到要求， 其测量结果和精度将直接影响管道的顶进方向和的顶管的质量。管道测量平台由地面坐标延引下去，后视点精度要求控制在1mm范围内。（3） 在

6、顶进过程中认真记录好管道内的每次测量结果，在初始顶进时应每30cm测量一次，正 常顶进时每50cm测量一次，及时准确掌握管道的走向，以便及时采取纠偏措施，将管道顶进控制在允许范围内。（4）在管道内，每次进行水钻钻孔取芯之前，须使用全站仪进行测量定位，放出管芯位置，并 根据图纸和管径大小，放出管的圆周线，考虑到施工过程的误差以及钻孔取芯后与岩壁之间的残 余岩石，一般开挖管径要比设计管径稍大一点。5.2.3 搭设操作支架（1）在工作面搭设水钻机操作支撑架体，水钻机支架必须安全，稳固。为满足水钻机的钻孔取 芯要求，设计简易的操作支架。如下图所示：誠于- -y.'1:>Cr图5.1支架示

7、意图（2）测量放线，在开挖的岩面上定出管道的中心轴线点，用冲击钻在岩面上打出一个小孔，用 于操作支架中心轴 A端的固定。（3）支架中心轴B端，利用管道，采用水平和垂直两个方向可调节的顶托进行顶撑固定。（4） 初步固定好后，再用测量仪器确定好 B端是否处于管道的轴线上，即中心轴是否与管道轴 线重合，如不重合，则调整顶托，使支架中心轴与管道轴重合。（5） 卧式水钻机固定在绕支架中心轴转动的横向轴上，这样水钻机就能到达任意指定的钻孔位置。A端处的钢圆环直径根据管道的直径和水钻机的尺寸进行确定；B端钢圆环直径要比 A端稍小点，这样水钻机就形成一个向外的角度，为机具预留出一定的尺寸。5.2.4 水钻钻进

8、取芯（1）水钻取芯前再次进行测量，确保管道顶进准确无误。采用钻筒直径为150mm的水钻机在岩面上钻孔。钻芯圆要孔孔相连，圆与圆之间的距离控制在1013cm。图5.2水钻钻孔示意图(2) 当钻至深度约60cm时，调节水钻机的手动调位器慢慢将钻筒退出，岩芯套入一根钢丝圈， 在钻缝处打入钢楔，将岩芯折断，拉扯钢丝，取出岩芯。转动支架，将水钻机转至下一位置，进行下一循环的钻孔取芯。(3) 水钻操作过程中必须保证钻头处于冷却水中，同时冷却水流保有一定压力对钻头直接进行 冲洗，使之不淤钻、卡钻，能够保持钻头在清洁状态下正常稳定地工作。5.2.5 岩芯破除清运(1) 全部钻孔及取芯工作完成后，对管芯部分的岩

9、体进行打孔破碎。(2) 岩芯破碎首先使用冲击钻打小孔，大约30cm 一排，孔径2025mm ,孔间距约300mm ; 钻孔完成后将钢楔打入孔中，用铁锤击打钢楔使岩体在巨大的冲击力，岩体受挤压，在拉力的作用下开始分裂，依次击打钢楔进行岩体分裂，直至该层岩芯全部破裂成小块。(3) 碎石块清理外运。破碎的石块由人工及时清理，使用斗车运送至顶管工作井，由工作井上 方的活动式龙门吊吊出工作井运至指定堆场，石块清理干净后即可开始下一轮的钻孔取芯。5.2.6 开挖面修整(1) 由于大圆和小圆之间存在间隙，因此水钻取芯后其与孔壁成锯齿状，如下图所示：图5.3开挖后岩面示意图（ 2）为保证由足够的管道顶进空间，

10、轴向定位与设计标高一致，为避免顶进时破快管道外壁， 需要用冲击钻凿平侵占空间的锯齿状岩石，使顶管能顺利进行。5.2.7 管道顶进（ 1）顶管施工前的各准备工作就绪，如台背、千斤顶、导轨等的安装，将机头由工作井顶入土 体，用龙门吊将管节吊放入工作井内，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。（ 2）验收合格的管材用起重设备吊到工作井的轨道上就位，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）人工掘土或水钻施工一定距离后，撤出操作支架，回缩千斤顶，吊入第二节管道，

11、校直对 中，接于前一节管后，安装回顶铁和分压环，将管节慢慢顶进。如此循环，直至完成顶管工作。（ 4）顶管后须及时进行压注水泥浆，通过管壁上的预留空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。6材料与设备6.1 机具设备抽水机，鼓风机，顶管施工的设备，水钻机6.2 工具设备全站仪、水准仪灯具，钢楔，铁锤，冲击钻、铁铲，水管，操作支架（钢管、滑轮、顶托、电焊机）6.3 运输设备 斗车，龙门吊6.4 防护用品防护眼镜、口罩、胶鞋、绝缘手套7质量控制7.1 测量放线质量控制（ 1）测量定位所用的全站仪、水准仪等测量仪器及工艺控制质量检测设备必须经过鉴定合格， 在使用周期内的计量器具

12、按二级计量标准进行计量检测控制。（ 2）测量基准点要严格保护， 避免撞击、 毁坏。 在施工期间， 要定期复核基准点是否发生位移。（ 3）总标高控制点的引测，必须采用闭合测量方法，确保引测精度。（ 4）所有测量观察点的埋设必须可靠牢固，以免影响测量结果精度。7.2 水钻施工质量控制（ 1）操作支架必须安装牢固，且要有足够的刚度，中心轴要与管道中心线重合，否则顶进方向 会产生偏差。（ 2）水钻机安装必须稳定，钻进深度尽量控制一致，使开挖面与管道垂直，易于下循环钻进工作的进行。(3)环与环之间的距离控制好，圆心之间的距离不易过大，且不应大于钻筒直径，以免增大后 期修整的工作量。7.3 顶管施工质量控

13、制(1) 顶管机在顶进前严格检查机头的中线及高程，确保起初始掘进时的中线及高程达到设计要 求。(2) 顶进过程中控制好机头掘进时的偏移量，如有偏差及时纠偏。(3) 接口必须密实、顺直、不脱落。(4) 顶管接口应对正管缝，管节不错口，填料密实、均匀，管底坡度不得有倒落水。(5) 顶管完毕，目测直顺、无反坡、清洁、不积水、管节无裂缝，段间无渗漏。(6) 在顶进过程中由于施工因素较多，在进洞时可能产生偏差， 应在顶管施工中加强测量纠偏, 使管线的中线控制在允许范围内。管道顶进的允许偏差检查项目允许偏差(mm检查频次检查方法钢筋砼套管范围占八、数1直线顶管水平轴线顶进长度V 300m50每管节1占八、

14、用经纬仪，或 挂中线用尺量 测300m顶进长度V 1000m100顶进长度 1000mL/102直线顶管 内底高程顶进长度V 300mD1 1500+30, - 40用经纬仪或水平仪测量300m顶进长度V 1000m+60, - 80用水平仪测量顶进长度 1000m+80, - 1003相邻管间错口钢筋砼套管15%壁厚，且 20用尺测量8 安全措施(1) 在施工过程中，坚决执行建筑安装工程安全技术操作工程，并严格遵守现场规章制度, 服从现场总包单位的安全管理，加强内部安全管理(2) 非电工不得擅自接电，接电时必须请电工操作。(3) 电源电器由专人负责，严密注意电箱机械是否漏电。(4) 施工过程

15、中，打钻工人在施工作业时必须严格做到水、电分离，应配备绝缘防护用品，如 胶鞋、绝缘手套等防护用品。(5) 水钻安装固定必须牢固，更换水钻钻头及换位时必须切断电源。(6) 手持电动工具应装设漏电保护器，操作时带绝缘手套。(7) 临时配电线路必须按规范架设，架空线必须采用绝缘导线，不得采用塑胶软线，不得成束 架空敷设，也不得沿地明敷暗设。(8) 施工中抽水、照明、通风等所配电气设备应“一机、一箱、一闸、一漏保”，供电线路要 用四芯电缆，严禁碘钨灯使用两芯线，并经常检查电线和漏电保护器是否完好、灵敏。(9) 施工现场所有设备和机具必须做好保护接零，在采用接地和接零保护方式的同时，必须设 两级漏电保护

16、装置，实行分级保护，形成完整的保护系统。漏电保护装置的选择应符合规定。（ 10）施工人员进入现场必须经过三级安全教育，新工人须经安全教育并经考核合格后方可上 岗。进场作业须戴好安全帽，穿好工作服、防滑鞋等防护用品。（ 11）对现场的工作井，在边沿处设置两道护身栏杆，悬挂安全警示牌，并应于夜间设红色标 志灯。（ 12）吊运材料时堆放应分散，不得集中堆放。9环保措施（ 1）在施工现场设置施工标志牌，现场平面布图和安全生产、消防保卫、环境保护、文明施工 制度牌。（ 2）施工范围要严格控制，不在范围以外，搭设、临设、停放机具、材料等。（ 3）设出口洗车平台，所有外运土方汽车在离开现场前必须通过洗车槽，

17、冲洗污水统一集中处 理后再排放。（ 4）车辆出门时，做最后检查，并加盖布，防止车辆挡土板松脱，避免掉落造成污染。（ 5）场内外道路清洁工作由专人负责，及时清理卡车掉落的土石方等杂物。施工现场道路实施 撒水防尘措施，以确保道路不扬尘。当天工作结束，立即对工地现场及周围道路进行清扫，不污染 环境。（ 6）施工物资进场必须按施工现场平面布置图布置，分规格、分品种，做好标识，堆放整齐 散料必须进行围拦；（ 7）在施工现场外堆放材料应得到有关方面的批准；（ 8）施工垃圾及时堆放在指定的地点，余料及时清理回收；（ 9）现场注意材料的节约，并做到工完场清.（ 10）采取有效措施控制粉尘、噪声的排放，减少对周

18、边居民的干扰。（ 11）严格禁污水乱排放，防止污染施工环境和附近居民、单位的环境。10效益分析 本工法工艺简单，操作方便，对于人工顶管中出现的风化岩等的处理非常有效，施工速度明显 提高，效果明显。水钻处理的开挖面较均匀，易于管道的顶进。该工法的材料、工具要求简单，处 理成本低，具有很强的使用性和推广意义。相比人工挖掘的施工方法，水钻施工具以下优越性：10.1 经济效益（ 1）从本法应用的实际效果来看，在风化岩地质条件下采用该方法进行短距离的人工顶管，施 工进度显著提高，施工操作方便，且可安排两台水钻同时进行施工，节省工期；（ 2）保证顶管管道的尺寸，减少后期注浆量，从而节约了材料成本；（ 3）风化岩硬度较大，水钻施工大大降低了人工挖出的工作强度，有明显的经济效益。10.2 社会效益（ 1）安全性高， 水钻施工不使用爆破施工， 不会扰动岩层， 很大程度上保证了施工人员的安全。（ 2）对周围环境影响较小，施工工序简单，质量容易控制，工期较短，现场清洁，有明显的社会效益。（ 3）采用水钻施工，不会产生粉尘，符合建筑环保的要求。11应用