郑州黄河顶管工程注浆减阻技术的应用

阎向林

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100)

0 引言

顶管施工控制顶力上升一直是顶管施工的难题，特别是在富水流砂卵石地层环境下掘进时的注浆减阻控制顶力更是难题。目前国内相关研究主要是短距离中小孔径的顶管，大多是以采取传统的膨润土触变泥浆减阻护壁的施工措施来满足施工要求。文献［1］探讨了顶管顶进及施工结束后的注浆工艺;文献［2］分析了膨润土在顶管施工中的作用机制及其在顶管施工中的有效应用;文献［3］探讨了顶管顶进及结束后的注浆工艺;文献［4］阐述了混凝土管顶管的施工步骤及施工工艺;文献［5］分析了钢顶管施工中存在问题及其解决措施;文献［6-7］通过收集和筛选进行顶力及各参数的计算;文献［8］根据顶力变化规律，提出中继间的设计选择原则;文献［9］对长距离大口径钢管顶管施工中浆液与管道以及周围土体之间的相互作用机制进行了分析，探讨了注浆减阻施工工艺。而长距离大口径复杂地层顶管的效果取决于减阻效果，对浆液的要求很高，目前国内研究相对较少。本文以西气东输黄河顶管工程为例，主要从注浆减阻进行研究，总体筹划选择注浆材料和注浆工艺。在富水复杂地质、超长距离、大深度、大口径、高精度、自动化泥水平衡顶管技术领域研究出了新的注浆减阻技术，为长大输气管道施工提供了一条快速高效环保的新途径，解决了类似地质条件顶管技术难点。

1 工程概况

西气东输管道工程是我国实施西部大开发战略的标志性工程之一，郑州黄河顶管工程是西气东输管道工程的咽喉工程，工程地点位于郑州黄河公路大桥上游30km处黄河孤柏嘴至官庄峪河段的主河槽内。管道呈西北至东南走向，全长3 600 m，埋深约25 m，内径1．8 m，壁厚22 mm。整个工程由4座沉井(原设计5座，后变更取消2#井)和3个顶进区间组成:1，5#井为工作井，4#井为接收井，3#井既是工作井又是接收井;3个顶进区间是1—3#井(1 175 m)、3—4#井(1 166 m)和5—4#井(1 259 m)。工程采用泥水加压平衡顶管施工工法，设备使用日产DH-1500型泥水加压平衡顶管掘进机。

2 工程地质及水文地质

根据钻探揭露，顶管穿越断面40．0 m深度以内的地层主要由第四系全新统冲积的粉土、粉砂、中砂、黏性土、砾砂、坡积黄土状土以及第四系上更新纪冲积黄土状土，中更新新统残积粉质黏土(古土壤)和冲积粉质黏土组成。

根据勘察资料，钻孔均遇见了地下水，该地下水属潜水类型，河床局部地段为黄河水所覆盖，水深0．5～2．5m，与地下水连通，稳定水位标高为98．55 ～100．80 m，其补给来源为黄河水。

3 总体筹划

本工程属于超长距离顶管，最长一段穿越1 259 m，首先是穿越长约350m的砂砾层，砾石含量多、粒径大，钙化程度高;接着是穿越黄河主河槽约800 m的急流段，地下水压力大，长距离和曲线顶进，机头和管道方向较难控制。顶进过程中可以使用中继间和注浆减阻，但中继间的增加会加大设备的投入和延长工期，同时给供电带来较多的困难。如果注浆系统控制得好，减阻效果明显，会延长中继间之间的距离，减少中继间数量。因此，注浆减阻是此次顶管施工成功与否的一个极其重要的关键环节。影响注浆减阻效果的因素有浆液配比、静置时间、加浆压力、注浆泵的选择和注浆孔的设置等。必须合理地选择注浆材料和注浆工艺，若泥浆配比适当，压力控制合适，在砂层中的减阻效果就可以达到在黏土层中的减阻效果。

4 浆液选材

目前，常用的顶管注浆润滑材料有2种类型:一类是以膨润土为主，另一类是以人工合成的高分子材料为主。

国内以膨润土材料为主，也有在膨润土浆液中加入高分子胶凝剂的，这些都是用在短距离小口径顶管。加入高分子凝胶剂可以使浆液始终保持在一种胶凝的状态下，从而可防止地下水对浆液的稀释和防止浆液在土中的扩散。该高分子胶的颗粒相对密度为2．69，pH 为 5．9。

除了膨润土系的润滑材料外，国外还研究出了许多高分子化学减摩剂。如日本生产的专门供长距离顶管用的ⅠMC减摩材料，它是一种高分子吸水材料，可与水搅拌配成浆液，单独使用。在吸水前，它是一种微小的颗粒;吸水后，直径可膨胀到0．5～2 mm，质量增加到原来的数百倍。这种润滑浆有以下特点:1)具有一定的弹性，减摩效果非常显著。2)与膨润土系浆液比较，它在停止较长时间后再推进时，起动的推力增加不太明显(膨润土系浆液起动时推力增加较大)。3)主要由颗粒状物体组成，吸水以后直径变大，不易在土中扩散，即使在渗透系数比较大的地层中其减摩作用也相当明显。4)配制十分简单，只需加水搅拌即可，操作也十分方便。

注浆材料的选择是由本工程特殊的地质条件决定的。由于黄河顶管穿越的地层为透水性较强的中砂地层，5#井附近存在卵石层，泥浆易在这种地层里渗透和吸水，这些都会给钢管周围泥浆套的形成带来较大的难度，特别是在卵石层中难度更大。超长距离顶管顶力控制的关键是最大限度地降低顶进阻力，而降低顶进阻力的有效方法是在钢管外壁与土层之间形成一条完整的环状泥浆套。

为了确保本项目顶进的成功，引进了专门用于砂层中顶进粉状一体型润滑材料(Bios EXCEED)，其优点是:能很简单地调配成浆液;能有效地防止向土层的渗透;随着时间的变化，黏性提高;含有NaCl等电解质，对土质有较好的润滑效果。

采用这种材料后钢管与周围砂层的摩擦阻力可由原来的5 kN/m2降低到1．5 kN/m2。

5 技术措施

根据以往施工经验，除控制好浆液配比、静置时间和加浆压力等因素外，注浆泵的选择和注浆孔位置也很重要。管道外浆套如图1所示。

图1 管道外浆套示意图Fig．1 Grout cover

为了在钢管外壁与砂层之间形成一条完整的环状泥浆套，采取方法如下:

1)合理布置压浆孔。在管节断面一侧安装压浆总管，压浆总管采用2″镀锌管，除顶管机及随后的4节钢管全都开设注浆孔外，总管上每隔10．8 m装1只球阀，再用压浆软管接至压浆孔处。每节管子布置4个孔，孔径为90°均布，压浆孔设置如图2所示。

2)合理制定压浆工艺。顶管可依次分为成套段、饱和段和维持段3个压浆段。泥浆成套段直接全程压浆，泥浆饱和段和维持段采用跟踪注浆。顶管顶进时与顶管机后相连接的4根钢管的12个注浆孔应全部打开进行同步注浆，后面钢管的压浆孔采用人工跟踪注浆。管出洞后，泥浆除了在下管焊管时不补浆外，其他时间应全部补浆。

图2 压浆孔设置图Fig．2 Layout of grouting holes

顶进时应贯彻同步压浆及补压浆相结合的原则，工具管尾部的压浆孔应及时有效地进行跟踪注浆，确保能形成完整有效的泥浆环套。管道内的压浆孔应进行一定的补压浆，补压浆的次数及压浆量根据施工情况而定。

为使顶进时形成的间隙能及时用润滑泥浆补充形成泥浆套，从而达到减少摩阻力的目的，压浆时必须坚持“先压后顶，随顶随压，及时补浆”的原则，歇班后再开顶前应全线压浆一遍。

顶管机头的同步加浆非常重要，在机头顶进时要观察注浆压力和流量，并作记录。每次下管后顶进前，要开启泥浆与排泥管联通阀门5～15 s，以使管内触变泥浆由凝胶变成胶体，减少压力损失。当发生触变泥浆无流量或注浆压力突然增大时，应立即停止注浆和顶进，检查注浆管路是否有堵塞，排除故障后再顶进。

制定合理的压浆工艺，严格按压浆操作规程进行。压浆顺序为:地面拌浆—启动压浆泵—总阀门打开—管节阀门打开—送浆(顶进开始)—管节阀门关闭(顶进停止)—总管节阀关闭—井内快速接头拆开—下管节—接总管—循环复始。

6 浆液控制

6．1 滑材配比

滑材在制作过程中，搅拌要充分均匀，泥浆质量比为滑材∶水 =5∶195。

6．2 注浆压力控制

注浆压力大于地下水压力，泥浆会以溶胶状渗入土层，静止后会以凝胶状封住土层孔隙;注浆压力大于主动土压力，润滑泥浆会托住土层;注浆压力大于被动土压力，土层会破坏。润滑泥浆压力设定在主动土压力加水压与被动土压力加水压之间。基准线按管底标高计算。

管底标高为78．1 m，滑动内摩擦角φ取平均值22．30°，地面标高为 102．85 m，容重 γt取平均值 20 kN/m3，浮容重 γ'为 10 kN/m3，水位标高为 101．5 m。

1)地下水压。管底的地下水压pw=(101．5-78．1)γ水=234 kPa。

2)主动土压力。因土层大部分为无黏性土，按无黏性土计算;又因土压大对土层稳定有好处，故取最大厚度土层。最大覆土深 H=102．85-78．1=24．75 m;主动土压力 pa=γ'Htan2(45°-φ/2)=10×24．75×0．45=111．38 kPa。

3)被动土压力。因达到被动土压力时土层可能会破坏，为限制最高压浆压力，按最不利点即地面最低点(从图纸查标高为96．70 m)计算。最小覆土深H=96．7-78．1=18．6m;被动土压力 pp=γ'H tan2(45°+φ/2)=10 ×18．6 ×2．223=413．5 kPa。

4)主动土压力+地下水压力。即paw=pa+pw=234+111．38=345．38 kPa。

5)被动土压力+地下水压力。即ppw=pp+pw=234+413．5=647．5 kPa。

6)注浆压力。由4)和5)知，注浆压力p为345．38～647．5 kPa。

综合上述分析，泵送注浆出口处压力控制为0．3～0．6 MPa。

注浆时压力不宜太高，否则容易产生冒浆，不易形成浆套;过高的压力作用在管子上时，会增加管子四周的正压力，反而使顶进时的推力增大。当覆土深且又在黏土层中施工时，这种情况往往被忽视。

6．3 注浆设备

1)压浆总管采用2″镀锌钢管，除顶管机及随后的4节钢管外，总管上每隔1节装1只球阀，再用压浆软管接至压浆孔处。输送管道在工作井下设闸门，顶管内每个中继间后设1个闸门，下管时关闭工作井内闸门和管内第1个闸门，拆除胶管和润滑泥浆管就不会影响下管，钢管不够长时要续接，钢管采用管螺纹联接，在中继间处设2″×1″三通，装单向阀和闸阀并用胶管与中继间补浆管联接，润滑泥浆2″钢管在中继间附近装高压软管补偿因中继间伸缩引起的管道伸缩。总管上每隔200 m安装1只球阀，在每次换接管时关闭，防止浆液流出过多。

2)泥浆罐由压力恒定罐压力表控制，向泥浆罐压泥浆，压力恒定罐压力表上下压力可由人工设定，设定后低于设定下限泵自动工作，高于设定上限泵自动停止工作，压力恒定罐内有气，能在泥浆泵停止工作时向管道输送压力泥浆。

3)每节管子布置4个孔，孔径为90°均布，除了注浆孔设置好以外，在注浆孔中应该装1只单向阀，这样浆液出去后就不可能返回，外面的土砂同样也不能进入而封堵注浆管，以确保注浆管路畅通。

4)为了确保注浆效果处于最佳状态，注浆泵的选用也很重要。不能选用活塞式脉动比较大的注浆泵而应选脉动较小的螺杆泵，注浆设备采用耐弛泵，注浆流量为5 m3/h，采用变频电机控制。因为浆液在脉动的峰值压力较高时，往往会扩散到土中去;而螺杆泵的脉动较小，浆液几乎是从空隙中被挤出来的，浆套容易形成且容易保持。注浆系统如图3所示。

图3 注浆系统示意图Fig．3 Grouting system

6．4 注浆量

6．4．1 润滑泥浆注入量计算

根据预计每天顶进13m，需加浆液体积

式中:D为顶管机外径，取1 900 mm;d为管外径，取1 844 mm。

计算可得 V=2．14 m3。

若掺入量按1倍加浆量计(2．14 m3)，则每天需加触变泥浆量 Q=2．14+2．14=4．28 m3。

在注浆浆液制作过程中，搅拌要充分均匀。为保证润滑泥浆的稳定，确保泥浆满足施工要求，每次搅拌的泥浆应进行测试;为保证每天的浆液有24 h的静置时间，做2个储浆罐轮流使用。储浆罐为2．4 m×2 m(直径×高)的圆筒。6．4．2 注浆量控制

每100 m浆液用量Q=πd×0．03(泥浆套厚为3 cm)×100=3．14 ×1．844 ×0．03 ×100=17 m3。

最大供泥量按顶进时同步量的2倍计，最大顶进速度按70 mm/min计，则 Qmax=2×0．07×17/100=0．023 m3/min。

采用2″镀锌钢管输送，2″镀锌钢管断面积W=0．001 96m2，则流速 V=0．023/0．001 96=11．73 m/min(合0．2 m/s)。

浆液经过搅拌后，已具备胶体性质，流速如果按0．2 m/s计算，误差会比较大，故需按经验取值。2″镀锌钢管，流速(经验值)为0．5 m/s，每 km损失150 kPa，则在全程顶进(1 259 m)时压力损失为190 kPa。

因管路损失远远小于被动土压力与主动土压力的差值，泥浆压力在主动土压力与被动土压力之间即可。

泥浆恒压罐内压力设定:浮容重γ'=10 kN/m3;下限 p下=paw-(103-78．1)γ'+190=345．38-249+190=286．38 kPa;上限 p上=ppw-(103-78．1)γ'=647．5-249=398．5 kPa。

对于注浆量的控制，应通过控制螺杆泵的电机转速来控制输出量。计算如下:

机头直径D=1．9 m，钢管直径 d=1．844 m，泵电机额定转速n=1 420 r/min，1 h输出5 m3，注浆量控制为150%，则注浆厚度为(D-d)/2=0．028m，1m钢管注浆量Q'=π(D2-d2)/4 ×150%=0．248m3，泵1min输出量 V=5/60=0．083 m3/min。

电机每转输出量V'=0．083/1 420=5．845×10-5m3/r，泵与电机的变速比为1∶3，则顶速为1 cm/min时，电机的转数为0．248/100/(5．845 ×10-5)=42．43 r，调节器显示 42．43/3=14．14。当顶速为 4 cm/min时，泵的转数为42．43 ×4=169．72，调节器显示14．14 ×4=57。依此类推，顶进速度与调节器显示关系如表1所示。

表1 顶进速度与调节器显示关系表Table 1 Relationship between jacking speed and adjuster reading

由于存在泥浆流失及地下水的作用，泥浆的实际用量比理论用量大，一般可达理论值的1．5～2倍，施工中还要根据土质、顶进情况和地面沉降的要求等适当调整。

注浆应设专人开关闸门。顶进开始时，观察润滑泥浆流量，无流量时立即停顶，检查管路，管路正常再继续顶进。

6．5 确保注浆减阻效果的几个关键措施

1)在顶管机后部设置注浆筒，每个注浆筒上设置24个注浆孔，及时进行跟踪注浆，保证在顶管机后部形成完整有效的泥浆套。

2)在中继间上设置8个注浆孔，在顶进时进行同步注浆。

3)在顶管机后部4节钢管均设置4个注浆孔，再往后每隔一节管子进行开孔处理，顶进时及时进行补压浆。

4)压浆时必须坚持“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则，歇班后再开顶前应全线压浆一遍。

5)作为注浆的预备方案，在顶进400 m后设置中继压浆泵站增压，由储浆箱和注浆泵组合。

6)压浆总管采用2″镀锌管，除顶管机及随后的4节钢管外，总管上每隔10．8 m装1只球阀，再用压浆软管接至压浆孔处。

7)注浆设备采用螺杆泵，其输送压力比较稳定。

7 浆孔封堵

顶进段施工结束后，采用螺栓封堵方式对孔口进行封堵，注浆孔内螺纹已在管道制作时预留。注浆孔封堵形式见图4。

图4 注浆孔封堵形式示意图(单位:mm)Fig．4 Sealing of grouting holes(mm)

8 顶管工程浆液使用效果

1)成功顶进1 259 m。最大推进力控制为1 000 kN，没有启动中继间，顶进全程没有出现顶力突然上升情况。

2)提高了掘进功效。平均每天顶进12 m，正常顶进时每天顶进16 m，创造了日顶进25．2 m的单日最快纪录。郑州黄河顶管工程是西气东输咽喉控制性工程，采用新的注浆减阻工艺后，不但保障了工程顶进质量，而且缩短了顶进施工工期。

3)社会效益较好。西气东输三大控制性工程之一的黄河顶管工程全线贯通，为西气东输的全面通气奠定了坚实的基础，为长大输气管道施工提供了一条快速高效环保的新途径。

9 顶管工程浆液施工体会

1)在泥水平衡顶管施工中，应重视注浆减阻的设计，根据地质情况选取合适的注浆材料和浆液性能参数。在大口径超长距离顶管施工中，设计一定要严密，方案一定要可靠，参数一定要验证，严格按技术规程操作，确保工程质量。

2)采取触变泥浆减阻护壁的施工措施(即在管壁与土壁之间注入触变泥浆)，长距离顶管的效果取决于减阻效果。采用新材料、新技术和新工艺的专项技术方案，可以起到好的施工效果。

3)注浆减阻后，可以增加单级顶进长度，减少中继站用量。加大工作坑与接收坑之间的距离，可以减少工作坑与接收坑的数量，可降低工程成本。

4)制订和采用先进、合理和可靠的施工技术工艺方案，是工程控制的重要环节。在黄河顶管工程施工质量控制中，顶管微粒滚动减阻技术起到了关键作用。

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