富水砂砾层长距离大直径顶管减阻施工技术

谢尚兵

富水砂砾层长距离大直径顶管减阻施工技术

谢尚兵

（中铁隧道集团二处有限公司，河北廊坊，065201）

目前顶管采用注浆减阻工艺，管外壁的摩阻力主要取决于注浆效果的好坏，减阻工作不到位给施工带来诸多弊端。针对富水砂砾层，对长距离大直径顶管顶进注浆减阻施工进行了分析，并对与其相关的接收井加固及洞门密封等方面加以探讨，并提出了有效方法。最终实现了在砂砾层中一次顶进贯通的成功实践，对今后类似工程起到了一定借鉴意义。

长距离大直径；富水砂层；减阻；施工技术

引言

随着我国城市化进程的飞跃发展，大直径顶管在城市地下综合管廊等建设方面，应用越来越广，但相关技术要求、施工标准等将会越来越高，顶管施工技术需要不断地提高和更新，以满足社会不断发展的要求。

1　工程注浆减阻不到位缺陷分析

在某地铁配套地下电缆隧道工程采用顶管法施工中，管节采用内径3.2 m、外径3.8 m、壁厚30 cm的钢筋混凝土管，区间最长达到400 m，此为典型的长距离大直径施工。区间主要穿越中砂、中粗砂、粗砂混砾石地层。始发、接收端采用Φ850@600三轴搅拌桩加固，加固体长度3 m，宽度为管外壁上下左右各2 m。

本工程采用土压掘进泥水出渣模式顶管法施工，始发端洞门采用双帘幕橡胶止水密封，接收侧为单层帘幕橡胶扇形压板的形式。

在长距离顶管施工采用注浆减阻技术时，顶进阻力过大会带来许多弊病。例如，液压泵站过载油温高无法工作，造成砼管材出现裂缝、钢后靠背变形；顶管机抱死导致无法顶进，造成顶管失败。因此，做好减阻工作，有效地控制摩阻力对顺利完成顶管施工非常重要。

2　减阻影响因素及注浆目标

注泥浆时，减阻效果需要考虑以下三方面：一是泥浆减阻效果需要考虑到膨润土的选择、泥浆配比、泥浆搅拌的充分程度、静置时间长短等；二是注浆方法、注浆顺序、注浆压力、注浆量以及地层疏松密实程度等因素；三是洞门密封严密程度，特别是敞开式接收端洞门。另外，加固体长度及强度等因素将会直接影响到减阻的效果。

施工前，掘进面盘开挖直径较管节外径大40 mm（刀盘Φ3 840 mm，管节外径Φ3 800 mm，前盾较中盾外径大20 mm），确保有足够厚度的泥浆套。

为了确保砂层中触变泥浆有效地注入，减少土体与管道之间的摩阻力，在管道外壁压注触变泥浆，在管道四周形成一圈泥浆套，以达到减摩效果和减少地层应力损失控制地面沉降，在施工期间要求泥浆不失水、不沉淀、不固结[1]。顶管机尾部的同步注浆要与管节顶进保持同步，为了补充顶进中的泥浆损失，及时进行跟踪补偿注浆。

3　注浆施工技术

3.1同步注浆施工方法

同步注浆施工步骤主要有五步：

（1）试压：在顶管机尾部、注浆泵位置均安装压力表，观察控制和调整注浆压力，在注浆设备安装完成并通过专人检查后，进行注水加压试验[2]。

（2）泥浆配合比：同步注浆要求使用粘滞度高、失水量小、稳定性好的浆液；跟踪补偿注浆要求使用粘滞度较小，流动性较大的泥浆。减阻泥浆采用单液注浆，调配泥浆的组成材料为NV-1钠基膨润土、水以及一定体积比的外加溶液，具体泥浆配合比见表1。

表1　泥浆配合比

（3）注浆管路系统：为了使顶管外壁能形成更好的润化泥浆减阻套，在管节内宜设两套独立注浆系统。一套为压入顶管机尾部的同步注浆系统，另一套为顶进管节外壁补偿注浆系统。

（4）注浆孔的布置：同步注浆以机头尾部注浆孔以及尾部后5节管道上的注浆孔为主，每节管道预留4只注浆孔压浆（如图1所示），相邻注浆断面的孔位平行布置，以后补偿注浆孔每隔1节预留注浆孔。在注浆软管与管节注浆孔间安装一个单向止回阀，阻止管壁外的砂倒灌，导致注浆孔堵塞而出现无法正常注入的情况，且能避免回浆现象造成泥浆套残缺[3]。

（5）压浆方法：同步注浆必须先注后顶。顶管施工过程中由于机头向前移动，泥浆套容积不断扩大，如不及时注浆，泥浆套压力下降，产生抽吸作用，极易造成管壁外建筑间隙的坍塌，土体塌入泥浆套，导致泥浆套残缺不全。

图1　管节注浆孔布置

压浆时必须遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则，因此同步注浆必须先注后顶，并且由下往上注浆。

补浆的顺序必须保持由后向前。在顶进一百米范围以后的补浆断面上可每间隔12 h进行补浆。

3.2注浆施工参数

（1）注浆压力：同步注浆时要求在地层中的浆液压力大于该点的静止水土压力之和，尽量做到填补而不宜劈裂地层。注浆压力过大时，浆液扰动管节外壁地层，造成地表隆起并会出现浅埋段跑浆的情况；而注浆压力过小时，浆液注入速度过慢，填充不充分从而破坏泥浆套的完整性，极易出现阻力增大和地表沉降过大。

根据计算和经验，本工程管节注浆孔口理论注浆压力取值为0.12～0.15 MPa。考虑在顶进过程中，注浆压力和注浆量可根据地面变形的监测数据做适当调整。

（2）注浆量：一般压浆量为管道外周环形空隙2～3倍，根据计算和经验，每节管道外注浆量为1.2～1.8 m3；

补浆数量：补浆的数量控制在建筑间隙的0.15倍，根据计算和经验，每节管道外围补浆0.1～0.12 m3。

（3）注浆时间及速率：同步注浆速度宜与顶进的速度相匹配，根据顶管机顶进速度，每循环的总注浆量宜匀速、均匀地注入。注浆泵采用BW-250型泥浆泵，最小流量为35 L/min。根据相关盾构隧道的施工经验，预测顶管机顶推速度为40 mm/min左右，顶管机顶进一环需要约60 min，按每节管壁后注入1 200 L泥浆计算，注浆泵需要连续注入34 min，即按73 mm/min的顶进速率进行同步注浆。但实际注浆速度以及掘进速度需要根据现场情况不断地进行调整确定。

（4）注浆结束标准：采用注浆压力和注浆量双控标准，即当注浆压力达到设定值，或注浆量达到计算量时，视为注浆满足要求，但在实际操作过程中宜以注浆量控制为主。

最后进行注浆效果检查：①注浆压力达到设计压力值后，停止注入；②注浆压力未达到设计压力值，但注浆量达到设计注浆量；③根据监测情况判断是否需要继续注浆；④可根据顶推力变化数据的统计结果，判断是否补浆，对未满足要求的，应进行二次补强注浆。

聚类分析是数据挖掘中的一种分析方法，根据样本对象关联的标准相似性自动分为多类，同一类中的样本对象有较高的相似度，类间的样本对象相异。聚类的方法主要有：以划分为基础的K-means聚类算法，以层次为基础的聚类算法，以密度为基础的方法等［3］，笔者将采用K-means聚类算法进行成绩定性评价。

4　减阻作用

4.1双帘幕橡胶+压环止浆

止浆装置安装在顶进井洞口预埋钢环上，防止地下水、流砂或减阻泥浆从管节外壁与洞门的间隙处渗出[4]，本工程采用双帘幕橡胶止水圈+压环的洞门密封形式（制作示意及效果如图2和图3所示），它具有以下优点：

（1）采用双帘幕橡胶止浆，两道帘幕橡胶间填充惰性浆液隔离，防漏浆效果好；

（2）压环整体性好，受力较扇形压板好；

（3）压环与管节间缝隙小，可有效地避免因注浆压力大使帘幕橡胶外翻情况，止浆效果明显，洞门注浆减阻效果好。

图2　双帘幕橡胶+压环制作示意图

图3　双帘幕橡胶+压环止水效果图

4.2减阻与加固体、机头出洞间关系

顶管主机位于加固体中时，顶推力会出现偏大的情况，同步注入的泥浆从洞口渗出，注浆减阻作用减弱，出洞风险高，解决方法有：

（1）在前期土体加固时，可考虑适当降低加固体强度；

（2）适当加大刀盘直径，加厚刀盘耐磨层厚度；

（3）施工过程中利用导向油缸调向，调整出洞姿态；

（4）利用导向油缸的牵引力出洞；

（5）启用中继间；

（6）采用密封的套筒接收方式。

解决出洞顶推力与注浆减阻、顶管姿态、加固体相互关系的方法，是顶管探讨、研究的重点。

5　效果对比

根据砂层特性、地下水位等不断地进行配比试验，总结出了各类砂层中的泥浆性能指标，具体如图4所示。施工过程中加入了浆液体积1%～3%聚丙烯酰胺高分子聚合物溶液[5]，提高泥浆性能的作用明显。

图4　区间顶推顶力曲线图

6　结束语

在工程实践中得出以下经验，供同行借鉴：

（1）选择优质的膨润土材料，根据砂层特性配制出适用于不同砂层的泥浆，并添加一定比例的聚合物溶液，能够使得泥浆在顶进较长时间内均可以保持良好的触变性；

（2）顶管进洞至出洞的整个推进过程中，尽可能确保顶管设备性能的完好性，达到连续、不间断性施工，使泥浆触变性能达到最佳化；

（3）采用半自动或自动化水平程度较高的同步注浆和二次补浆的操作系统，并辅以人工巡查，在长距离大直径顶管施工中作用明显；

（4）在富水砂层注浆减阻施工过程中，特别注意洞门密封以及接收方式，将会直接影响到减阻效果。

[1]田路, 王静静. 浅谈市政工程顶管施工[J]. 科技致富向导, 2012(17): 225.

[2]钟晓晖. 长距离管道顶进注浆减阻施工技术应用[J]. 建筑施工, 2010, 32(11): 1155-1157.

[3]马保松. 顶管施工技术及验收规范(试行)[S]. 中国非开挖技术协会行业标准,2006: 46-48.

[4]刘灿生,黄毅轩. 给排水工程施工手册:第二版[M]. 北京: 中国建筑工业出版社,2002: 437-439.

[5]余彬泉,陈传灿. 顶管施工技术[M]. 北京: 人民交通出版社,2007: 164-166.

Resistance Reduction Construction Technology of Long Distance and Large Diameter Pipe in Rich Water Sand and Gravel Layer

XIE Shang-bing
(China Railway No.2 Tunnel Group Co., Ltd., Langfang, Hebei, 065201, China)

At present, pipe jacking adopts injected resistance reduction, so frictional resistance of outer tube wall mainly depends on the injection effect. Unfulfillment of resistance reduction brings out disadvantages of project. Factors in layers of rich water sand and gravel, such as jacking injection grouting resistance reduction for long distance and large diameter pipe, reinforcement of receiving well, and portal sealing are analyzed, and feasible methods are carried out. Finally, a success practice of once top through in sand layer is realized, indicating referential significance for similar projects afterwards.

Long Distance and Large Diameter; Rich Water Sand; Drag Reduction; Construction Technique

TV554+.5

A

2095-8412 (2016) 05-969-04工业技术创新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.038

谢尚兵(1979-)，男，工程师，本科。研究方向：地下工程。

E-mail: 452627960@qq.com