1.本发明涉及顶管法施工技术领域，具体涉及一种上软下硬复合地层的顶管法施工方法。
背景技术：2.城市建设发展迅速，市政工程中环保要求越来越高，因此需要在原有的排污系统上新增加污水收集系统。在建设过程中，不能破坏现有的地下官网设施，污水管道施工时不能采用明挖埋管的方式，采用非开挖方法施工已成为必然。非开挖方法目前主要由三种：牵引法、顶管法、盾构法，牵引法的优势在于土层中牵引小直径管道，受地质及管径限制较大；盾构的优势在于大直径及埋深较深地段；对于直径在1～3m范围的管道采用顶管机顶管施工的方式比较经济，施工进度可控、对外界干扰较小。
3.顶管法在施工掘进过程中分为土压平衡和泥水平衡两种。目前对顶管法施工的研究主要集中在地质均匀以及曲线地段，对于不均质地段，比如上层地质为粉砂土等软土层，下层为中硬岩、坚硬岩等岩石层，这种上软下硬的复合地层，在采用顶管法施工时，如何在上软下硬不匀质岩层中确保顶进线路不发生偏移，管道不出现破损是顶管施工考虑的重要因素。
技术实现要素：4.为了解决上述现有技术的问题，本发明提供一种上软下硬复合地层的顶管法施工方法，能够保证在上软下硬地层中，能够使顶管法施工安全、顺利进行。
5.本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种上软下硬复合地层的顶管法施工方法，包括以下施工步骤：
6.s10、始发井和吊出井施工，顶管机吊装下放至始发井内安装完成；
7.s20、在首节管道前端与顶管机接触面的全断面之间粘贴减震板；
8.s30、顶管机连接管道后顶进施工，在顶进施工过程中，对机头处的轴线测量靶位进行监测，读取轴线测量靶位的轴线偏移量以及偏移方向：
9.当轴线偏移量在误差范围内时，顶进施工正常进行；
10.当轴线偏移量超出误差范围时，逐步提高机头偏移方向对应的顶进千斤顶的油压使顶进千斤顶的伸长值增大，直到将机头偏移量调整至误差范围内，再逐步将机头偏移方向对应的顶进千斤顶油压降至与其他顶进千斤顶均衡；
11.同时在顶进施工过程中，对顶进路程前端的上层土层作注浆加固处理；
12.当顶进路程前端的上层土层为软土层时的注浆加固施工方式为：采用袖阀管对顶进路程前端注浆，桩位按梅花型布置；
13.当顶进路程前端的上层土层为垃圾回填层时的注浆加固施工方式为：采用高压旋喷桩注浆施工，桩位按梅花型布置；
14.s40、顶管机顶进施工至始发井后，施工完成。
15.优选的，在所述步骤s30中，对顶进路程前端的上层土层作注浆加固处理时，当上层土层深度大于机头下端位置的深度时，加固注浆的深度至机头下方，当上层土层深度小于机头下端位置的深度时，加固注浆的深度至下层岩石层的顶部。
16.优选的，所述步骤s10中，还包括根据顶管机的顶进长度和地质条件对管道侧摩阻力进行预测计算，所述管道侧摩阻力的理论计算公式如下：
17.f2＝πfkdl
18.其中，f2为管道侧摩阻力(kn)；d为管道外径(m)；l为管道顶进长度(m)； fk为管道外壁与土的单位面积平均摩阻力。
19.优选的，所述步骤s30中，在顶管机顶进施工时，还包括同步对管道外壁和周围土体之间注入触变泥浆填充建立泥浆套，其中所述触变泥浆的比重参数参照预测计算的管道侧摩阻力确定。
20.优选的，所述步骤s30中，在顶管机顶进施工过程中，对未安装的管道和已安装的管道的破损度均分别进行检测：
21.若未安装的管道和已安装的管道均无破损，顶管机顶进施工正常进行；
22.若已安装的管道产生裂缝，顶管机停机，对管道作更换处理，更换完成后继续顶进施工；
23.若已安装的管道产生裂缝，顶管机停机，在管道内加设钢内衬套管固定，并在钢内衬套管和管道之间的空隙注入环氧树脂混凝土填充，待环氧树脂混凝土硬化后顶管机继续顶进施工。
24.若已安装的管道的管壁混凝土发生破损，顶管机停机，清除管壁上破损处的混凝土并填充环氧树脂混凝土，待环氧树脂混凝土硬化后，在破损的管道及相邻两节管道上加设钢内衬套管，并在钢内衬管道套管和三节管道之间的间隙注入环氧树脂混凝土填充，待环氧树脂混凝土硬化后顶管机继续顶进施工。
25.本发明所带来的综合效果包括：本发明结合具体工程，对市政工程中上软下硬的不匀质岩层中顶管法施工技术进行研究分析。通过增加顶进千斤顶数量解决上软下硬地层中机头偏移的问题；通过对顶进路程前端的土层注浆加固，解决覆盖层厚度不足和机头偏移的问题；通过在顶进施工前对管道侧摩阻力预测计算，调配不同比重参数的触变泥浆，解决垃圾回填层顶进施工时的堵塞问题；通过对管道加固，解决顶进过程中管道破损，对同类工程的实际应用具有指导意义。
附图说明
26.图1是导轨测设放样示意图。
27.图2是不同浆液下顶进距离与顶力关系图。
28.图3是顶进距离与顶力计算关系图。
29.其中，在附图中相同的部件用相同的附图标记；附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
31.实施例
32.本实施例结合具体工程施工，对本发明的技术方案作出详细阐述。工程污水管道沿河两岸现状道路敷设6000m，作为污水收集主管道，通过截污井将沿途排污口进行截流，收集污水最终送至污水厂。由于新建污水管道位于老城区，一侧临河，一侧临街，河与街道之间空间狭窄，不具备开挖埋管条件，只能采用顶管方式进行施工。顶管埋深2m～8m，顶管施工中穿过的地质，上层多为粉砂土，粉砂土厚度不均匀，局部地段从全段面粉砂层渐变到全岩层，并且沿河地带含有大量建筑垃圾、医疗垃圾等废弃物，下层为中硬岩、坚硬岩。顶管采用泥水平衡法进行施工，所用管道为ⅲ级混凝土管，接口为钢承式接口，每节长度2.5m。顶管井之间的距离根据沿河曲线确定，控制在40m～160m之间。
33.具体的，结合具体施工，本实施例提供的一种上软下硬复合地层的顶管法施工方法，包括：
34.s10、顶管井之间确认好距离后施工，相邻的两个顶管井作为始发井和吊出井，施工完成后，在始发井内安装导轨等辅助设施，将顶管机吊装下放至始发井内安装；
35.随着顶进路程长度增加，管道侧面的摩擦阻力(下称管道侧摩阻力)越来越大，管道侧摩阻力增加会造成顶进千斤顶液压油泵压力加大、投入的千斤顶设备吨位加大；由于管道在顶进过程中因地质等因素受力不均，且管道质量自身存在差异，容易造成管道破裂，影响后续顶进，所以在施工前要对顶力进行计算，确保施加在管道上的压力小于管道混凝土抗压强度。为确保顺利顶进，在施工过程要针对不同的地层配备不同配比的触变泥浆以减小阻力。
36.阻力计算：
37.f＝f1+f238.f1＝πd2(γghg)/4
39.f2＝πfkdl
40.其中，f为顶进阻力(kn)；f1为顶管机前端正面阻力(kn)；f2为管道侧摩阻力 (kn)；d为管道外径(m)；l为管道顶进长度(m)；fk为管道外壁与土的单位面积平均摩阻力，取5kn/m2；γg为土的重度，取18.5kn/m3；hg为覆土层厚度，取8m。顶力与顶程计算结果见表1。通过计算，配备两台250t千斤顶理论上能满足要求，为防备地质出现突变，配备4台250t顶进千斤顶，顶进千斤顶圆周均布且呈x型设置。
41.表1顶程与顶力计算结果
[0042][0043]
此外，在顶进施工前，需要对顶管机精准始测量控制：以距离始发井最近的控制点作为基点，引测导线点和水准点至工作井附近，布置三个测点，形成闭合导线、水准网。用全站仪将地面坐标及方向传递到工作井中，定出顶管设计中心线，通过两台水准仪及钢尺将高程传至工作井下固定点
[6]
。顶管机精准始发的关键点在于导轨的安装精度，顶管半径(外径)为r，导轨间距为a，则能计算出轨道接触面到顶管中心的高差h或到管底的高差r-h，再计算出导轨顶高程为＝管底设计高程+轨道接触面至管底高差。根据计算数据确定导轨高
程和坡度，根据放样轴线点确定导轨的中心位置，如附图1所示。
[0044]
s20、在首节管道前端与顶管机接触面的全断面之间粘贴减震板，减震板选择厚度为5mm的模板或胶合板，用来减小顶进过程中顶管机振动对管道产生的影响；
[0045]
s30、顶管机连接首节管道后顶进施工，步骤s301、步骤s302、步骤s303、步骤 s304为并列施工步骤：
[0046]
s301、在顶进施工过程中，使机头按设计线路前进是管道线型控制的关键。在上软下硬地层中如果按常规顶进方法施工，机头在顶进过程容易产生偏移，如果纠偏不及时，造成线路偏差过大，纠偏后必然会形成折点，管壁摩擦力增大，混凝土管道接口的企口缝不能完全吻合，造成折线点开口，管道受力面积减小，管壁容易开裂。当机头在上软下硬土层且硬石层厚度大于1/2机身时，机头顶进过程中会上翘，此时要增加测量频率，对前方机头处的轴线测量靶位进行监测，读取轴线测量靶位的轴线偏移量以及偏移方向：
[0047]
①
当轴线偏移量在误差范围内时，顶进施工正常进行；
[0048]
②
当轴线偏移量超出误差范围时，逐步提高机头偏移方向对应的顶进千斤顶的油压使顶进千斤顶的伸长值增大，直到将机头偏移量调整至误差范围内，再逐步将机头偏移方向对应的顶进千斤顶油压降至与其他顶进千斤顶均衡；
[0049]
具体的：当轴线偏移量超出误差范围且偏移量向上时，即顶管机的机头出现上翘，则将上方的2台顶进千斤顶的油压缓慢增加，使上方的2台顶进千斤顶的伸长值略大于下方2台顶进千斤顶的伸长值，使顶管的机头缓缓下压；
[0050]
具体的：在下层岩石层不平顺的地段施工时，在顶进过程中容易发生机头的侧面上升或下降，如果机头下坠，则加大下方2台顶进千斤顶的油压，使下方2台顶进千斤顶的伸长值略大于上方2台顶进千斤顶的伸长值。
[0051]
具体的：在顶进过程中机头发生侧面横向偏移时，则采取加大侧偏方向2台顶进千斤顶的油压，使这2台顶进千斤顶的伸长值略长于另外2台顶进千斤顶的伸长值。
[0052]
需要注意的是，在机头纠偏调整过程中，顶进速度要严格控制在3mm/min～5mm/min 之间，纠偏调整的顶进长度要形成一段过渡曲线，不能形成突变点，以保证管道不出现开裂或者破损等质量问题。
[0053]
s302、在顶进施工过程中，由于地层上软下硬地的特性且受到地下水浮力的影响，机头容易上翘，影响顶进质量，需要同步对顶进路程前端的上层土层作注浆加固处理；
[0054]
①
当顶进路程前端的上层土层为软土层时的注浆加固施工方式为：采用袖阀管对顶进路程前端注浆，加固深度为顶管机机头下方500mm处或下至岩石层，若通过地段上层为软土层，下层为岩石层，注浆加固深度至岩石层；若通过地段全部为软土层，注浆加固深度至机头下方500mm处；袖阀管注浆桩位按梅花型布置，间距1500mm，浆液水灰比1:2，注浆压力0.5mpa～1.0mpa；遇到道路两侧边沿地带时，将注浆压力控制在0.2mpa～0.5mpa，以避免压力较大造成干砌片石处向外涌浆和造成地面隆起；
[0055]
②
顶进路线穿过一片垃圾回填地带，回填垃圾主要以生活垃圾和医疗垃圾为主，垃圾回填时间均超过30年，由于塑料制品不易腐烂，在顶进过程中极易阻塞刀盘开口和出浆泵管，顶进过程中出浆泵管发生堵塞时，需要加水清孔，大量清水加入使泥水平衡无法保持，容易造成机头处塌陷，因此当少量垃圾堵塞刀盘是，可对刀盘进行开仓，人工清理刀盘开口部份的垃圾；当垃圾堵塞出浆管道时，可采用拆开出浆泵连接管的方式清理管内垃圾；
[0056]
当顶进前方回填垃圾较多且不能正常顶进时，需要对回填垃圾层进行改良加固，采用高压旋喷桩施工，高压旋喷桩可将垃圾土固化，顶管机刮刀和滚刀将固化后的水泥浆与垃圾磨成小块，通过泥浆管抽出；其中，高压旋喷桩可采用单液或双液浆，高压旋喷桩直径400mm，施工范围为管外径2m；若通过地段上层为垃圾回填层，下层为岩石层，高压旋喷桩施工深度至岩石层；若通过地段全部为垃圾回填层，高压旋喷桩施工深度至机头下方500mm处，桩位按梅花型布置，间距1200mm。
[0057]
此外，对于在垃圾土中顶进施工时，要进行必要的有毒气体检测，管内工人必须配戴防毒面具以确保施工安全。
[0058]
s303、在顶进施工过程中，管道壁与周围土体发生摩擦，增加顶进阻力，为了减小顶进过程中的阻力，在顶进过程中需要同步对管道外壁和周围土体之间注入触变泥浆填充建立泥浆套，并且保证注入的触变泥浆能均匀包裹住整个管道外壁。经过对质地的分析，配制了5中现场使用的触变泥浆，触变泥浆参数见表2。
[0059]
表2触变泥浆参数
[0060][0061]
对于粉砂土、细砂土层、岩层，土层孔隙率小，采用粘度低、比重为1.01(g/cm3)、 1.03(g/cm3)的触变泥浆，注浆距离控制在7.5m以内；对于粗砂、砂砾地层，采用粘度高、比重为1.05g/cm3)的触变泥浆，注浆距离控制在5.0m以内；对于回填垃圾土层，采用较高粘度和比重为1.10(g/cm3)、1.15(g/cm3)泥浆，每节管道均注浆。不同触变泥浆与不同地质的顶力与顶程关系如附图2所示。
[0062]
在顶进过程中，计算顶力与测取的实际顶力减阻对比分析比较，触变泥浆的减阻效果在砾石层与垃圾回填层能达到20％以上，在岩石、细砂和粘土层中可以达到40％以上。顶进距离与顶力关系如附图3所示。
[0063]
s304、由于地层变化较大，混凝土管道在顶进过程中，局部受力不均，特别是管道接口钢带长度不满足要求，管道会产生纵向及横向开裂，严重时会管道破碎，不能继续顶进，因此在顶管机顶进施工过程中，还包括对管道的破损程度进行检测：
[0064]
若未安装的管道和已安装的管道均无破损，顶管机顶进施工正常进行；
[0065]
若已安装的管道产生裂缝，顶管机停机，对管道作更换处理，更换完成后继续顶进施工；
[0066]
若已安装的管道，即在顶进过程中的管道产生裂缝，顶管机停机，在管道内加设钢内衬套管固定，钢内衬套管直径比管道内径小10mm，钢板厚度8mm，钢内衬套管分五段加工，每段长度500mm，用螺栓固定连接，在钢内衬套管和管道之间的空隙注入环氧树脂混凝土填
充，待环氧树脂混凝土硬化后顶管机继续顶进施工；
[0067]
若在顶进过程中的管道管壁混凝土发生破损、脱落等情况，此时管道已经不具备传力条件，顶进已无法继续进行，顶管机必须停机，采取加固措施：清除管壁上破损处的混凝土并填充环氧树脂混凝土，待环氧树脂混凝土硬化后，在破损的管道及相邻两节管道上加设钢内衬套管，将三节钢内衬套管连接成整体后，在钢内衬套管和三节管道之间的间隙注入环氧树脂混凝土填充，待环氧树脂混凝土硬化后顶管机继续顶进施工。
[0068]
s40、顶管机顶进施工至始发井后，施工完成。
[0069]
本发明实施例通过精准始发测量控制技术，确保了机头进洞的姿态与设计姿态相符，为后续顶进的线型控制奠定了基础。顶管轴线测量技术，确保了顶进线路按设计线路前进。提出了在在不同的地质情况下采用不同触变泥浆配合比的技术思路。提出了混凝土管在顶进过程中发生破损的解决方案，垃圾填埋段堵管解决方案以及顶进过程中发生偏差的纠偏技术方案。
[0070]
本发明结合具体工程，对市政工程中上软下硬的不匀质岩层中顶管法施工技术进行研究分析。通过增加顶进千斤顶数量解决上软下硬地层中机头偏移的问题；通过对顶进路程前端的土层注浆加固，解决覆盖层厚度不足和机头偏移的问题；通过在顶进施工前对管道侧摩阻力预测计算，调配不同比重参数的触变泥浆，解决垃圾回填层顶进施工时的堵塞问题；通过对管道加固，解决顶进过程中管道破损，对同类工程的实际应用具有指导意义。
[0071]
本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0072]
以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。
技术特征：1.一种上软下硬复合地层的顶管法施工方法，其特征在于，包括以下施工步骤：s10、始发井和吊出井施工，顶管机吊装下放至始发井内安装完成；s20、在首节管道前端与顶管机接触面的全断面之间粘贴减震板；s30、顶管机连接管道后顶进施工，在顶进施工过程中，对机头处的轴线测量靶位进行监测，读取轴线测量靶位的轴线偏移量以及偏移方向：当轴线偏移量在误差范围内时，顶进施工正常进行；当轴线偏移量超出误差范围时，逐步提高机头偏移方向对应的顶进千斤顶的油压使顶进千斤顶的伸长值增大，直到将机头偏移量调整至误差范围内，再逐步将机头偏移方向对应的顶进千斤顶油压降至与其他顶进千斤顶均衡；同时在顶进施工过程中，对顶进路程前端的上层土层作注浆加固处理：当顶进路程前端的上层土层为软土层时的注浆加固施工方式为：采用袖阀管对顶进路程前端注浆，桩位按梅花型布置；当顶进路程前端的上层土层为垃圾回填层时的注浆加固施工方式为：采用高压旋喷桩注浆施工，桩位按梅花型布置；s40、顶管机顶进施工至始发井后，施工完成。2.根据权利要求1所述的上软下硬复合地层的顶管法施工方法，其特征在于，在所述步骤s30中，对顶进路程前端的上层土层作注浆加固处理时，当上层土层深度大于机头下端位置的深度时，加固注浆的深度至机头下方，当上层土层深度小于机头下端位置的深度时，加固注浆的深度至下层岩石层的顶部。3.根据权利要求1所述的上软下硬复合地层的顶管法施工方法，其特征在于，所述步骤s10中，还包括根据顶管机的顶进长度和地质条件对管道侧摩阻力进行预测计算，所述管道侧摩阻力的理论计算公式如下：f2＝πf
k
dl其中，f2为管道侧摩阻力(kn)；d为管道外径(m)；l为管道顶进长度(m)；fk为管道外壁与土的单位面积平均摩阻力。4.根据权利要求3所述的上软下硬复合地层的顶管法施工方法，其特征在于，所述步骤s30中，在顶管机顶进施工时，还包括同步对管道外壁和周围土体之间注入触变泥浆填充建立泥浆套，其中所述触变泥浆的比重参数参照预测计算的管道侧摩阻力确定。5.根据权利要求1所述的上软下硬复合地层的顶管法施工方法，其特征在于，所述步骤s30中，在顶管机顶进施工过程中，还包括对未安装的管道和已安装的管道的破损度均分别进行检测：若未安装的管道和已安装的管道均无破损，顶管机顶进施工正常进行；若已安装的管道产生裂缝，顶管机停机，对管道作更换处理，更换完成后继续顶进施工；若已安装的管道产生裂缝，顶管机停机，在管道内加设钢内衬套管固定，并在钢内衬套管和管道之间的空隙注入环氧树脂混凝土填充，待环氧树脂混凝土硬化后顶管机继续顶进施工。若已安装的管道的管壁混凝土发生破损，顶管机停机，清除管壁上破损处的混凝土并填充环氧树脂混凝土，待环氧树脂混凝土硬化后，在破损的管道及相邻两节管道上加设钢
内衬套管，并在钢内衬管道套管和三节管道之间的间隙注入环氧树脂混凝土填充，待环氧树脂混凝土硬化后顶管机继续顶进施工。
技术总结一种上软下硬复合地层的顶管法施工方法，涉及顶管法施工技术领域，主要包括以下施工步骤：顶管机连接管道后顶进施工，在顶进施工过程中对机头处的轴线测量靶位进行监测，读取轴线测量靶位的轴线偏移量以及偏移方向：当轴线偏移量在误差范围内时，顶进施工正常进行；当轴线偏移量超出误差范围时，逐步提高机头偏移方向对应的顶进千斤顶的油压使顶进千斤顶的伸长值增大，直到将机头偏移量调整至误差范围内，再逐步将机头偏移方向对应的顶进千斤顶油压降至与其他顶进千斤顶均衡。同时在顶进施工过程中，对顶进路程前端的上层土层作注浆加固处理。处理。处理。
技术研发人员：肖先 刘金明 王文昭 于建文 祝传旭 赵福龙 王桐 耿庆军 李秀清
受保护的技术使用者：中铁二十局集团第四工程有限公司
技术研发日：2022.03.15
技术公布日：2022/7/5
