浅析长距离顶管过程中触变泥浆技术应用研究

童聪 韩军伟

摘  要：在长距离顶管工程中，使用触变泥浆技术可减小单位长度顶管顶力，对控制工程投资、提高建设效率具有重要意义。本文结合昆明市某排水工程顶管案例，对顶管工程触变泥浆作用机理进行研究，对比分析了在优化工艺条件下触变泥浆对顶力的影响，得出触变泥浆技术对减小顶管顶力具有关键作用的结论。

关键词：顶管;触变泥浆;顶力;减阻

中图分类号：U455     文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）07-0000-00

1 工程概况

昆明市环湖东路转输通道工程全长约4.831km，共设置14座沉井，13个顶管段。本工程采用泥水平衡顶管机作业，顶管机头直径为3.1m，管道外径为3m。顶管层埋深在13.5～15.8m，管线范围内地质情况主要为粉砂层，局部为中密黏土，呈层状分布。工程区域地下水位为地表以下0～4.5m。

2 顶管工程触变泥浆作用机理

在大直径顶管施工中，顶管机头的直径一般会比管道直径大30～50mm，导致管道与土体之间有一定空隙，在空隙中注入减阻材料，如泥浆、膨润土等，可有效减小管道与土体之间的摩阻力，从而减小顶管总顶力，这是触变泥浆技术的基本原理。

膨润土是制作触变泥浆最常用的材料，膨润土的主要成分是一种叫蒙脱土的粘土矿物。膨润土具有两个主要特性：一是遇水膨胀特性，二是膨润土悬浮液的触变性，即悬浮液静止时结成凝胶，一旦运动起来则变成溶胶。这决定了触变泥浆在顶管施工中具有填充、支撑和润滑作用[1]。

3 理论顶力计算

目前国内外提出了许多顶管顶力计算公式，现行的顶力计算公式是在假设管轴线不偏移的基础上建立的。由于本工程管轴线平均坡比是万分之五，近乎水平，且顶进过程中采用触变泥浆技术，符合公式适用条件。根据《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246：2008），泥水平衡式顶管顶力计算理论公式如下：

F=πD_1 Lf_k+N_F                      （1-1）

N_F=π/4 D_g^2 γ_s H_s                           （1-2）

式中： F—总顶力标准值（kN）;D_1—管道外径（m）;L—管道设计顶进长度（m）;f_k—管道外壁与土体的平均摩阻力（kN/m2）;N_F—顶管机迎面阻力（kN）;D_g—顶管机外径（m）;γ_s—土的重度（kN/m3）;H_s—覆盖层厚度（m）。

根据本工程管道埋深及地质资料显示，管道平均埋深15m，即H_s=15m，粉砂土层土体重度为γ_s=18.72kN/m3，顶管机外径D_g=3.1m。根据公式（1-2）计算可得，顶管机迎面阻力N_F=2118.3kN。

本工程实际所能提供的最大顶力只有25600kN（8个油缸，每个油缸3200kN），与长距离顶管段所需理论顶力相差较远。因此如何科学使用触变泥浆技术进行有效减阻，进而保证实现顶通目标，是本工程面临的重难点问题。

4触变泥浆对顶力的影响分析

为研究长距离顶管触变泥浆技术应用问题，有效减小长距离顶管顶力。本工程选取顶进长度最小的顶管段作为试验顶管段，在应用触变泥浆技术后，对累计顶距与顶力的关系进行记录分析，获得相关经验和结果。在此基础上，对触变泥浆技术进行进一步优化，并将其运用到长距离顶管段，具体分析如下。

4.1试验顶管段

在全线开工之前，工程选取13号井顶与14号井顶管段（区间长度为208m）作为试验段。该段区间管线最短，即使出现问题也能及时纠正，施工风险较小。通过对试验段的研究，获得本工程顶管摩阻力的实际取值范围，总结触变泥浆技术的控制要点，为长距离顶管段施工提供宝贵经验。

试验段触变泥浆配合比：膨润土﹕水=1﹕10（质量比），注浆压力控制在0.3～0.4Mpa之间。根据样品检测报告，膨润土造浆率为38.2m3/t。在不考虑渗流影响情况下，理论上每延米所需触变泥浆填充量为0.48m3。由于在富水粉砂地层中浆液会渗透流失，实际注浆量将远大于理论填充量。本段实际使用膨润土总量为18t，触变泥浆使用总量为687.6m3，每延米触变泥浆使用量为3.3m3，是理论填充量的6.9倍。

根据试验段累计顶距与顶力数据记录，拟合得到累计顶距与顶力关系曲线图如图1所示。

4.2长距离顶管段

本工程的13号井顶与12号井顶管段长度为530.9m，属于长距离顶管。按照试验段的平均摩阻力f_k=4.73kN/m2计算，其最大顶力值为25773.4kN，超过油缸能提供的最大顶力25600kN。为保证长距离顶管段顺利实施，采取设置中继间和进一步优化触变泥浆技术的双重保险方案。结合试验段总结的经验，触变泥浆技术及配套施工工艺优化措施如下：（1）做好进洞口加固措施，采用双重橡胶止水圈止水，避免洞口渗水渗浆;（2）严控轨道安装精度，使顶管油缸轴线与管道轴线偏差在规范允许范围之内，确保顶力有效传递;（3）落实施工保障工作，避免停机，保证顶管连续施工;（4）管节外壁喷涂石蜡，利用石蜡的乳化性、润滑性等特性来使管节表面光滑，进一步减小管道与触变泥浆之间的剪切应力;（5）持续保持注浆压力，避免浆液顺管流失。由于触变泥浆在富水粉细砂地层中会渗透流失，前期已注入段需定時补灌注浆，形成持续稳定的泥浆套。本段实际使用膨润土50t，触变泥浆使用总量为1910m3，每延米触变泥浆使用量为3.6m3，大于试验段单位使用量，是理论填充量的7.5倍。

采取以上措施后，本段在未啟动中继间的情况下，顺利完成了长距离顶管施工。根据记录数据，拟合得到累计顶距与顶力关系曲线图如图2所示。

根据曲线图分析，并对比试验段成果，得出以下结论：（1）长距离顶管段最大顶力为19558.3kN，远小于理论计算值42126.9kN;（2）通过优化触变泥浆技术及配套施工工艺，本段在未启动中继间的情况下顺利顶通，充分验证了触变泥浆技术在顶管施工中具有良好的减阻效果[2]; （3）根据拟合曲线斜率36.402计算，长距离顶管段的平均摩阻力为f_k=3.86kN/m2;（4）长距离顶管段平均摩阻力小于试验段，说明本段采取的触变泥浆技术优化措施是科学有效的;（5）在控制投资、合理投入、保证顶通的前提下，富水粉细砂地层顶管采用触变泥浆技术，其平均摩阻力至少能达到3.0～4.0kN/m2。

5结语

触变泥浆在长距离顶管过程中具有良好的减阻效果，能有效减小总顶力、增加顶距，提高顶管效率，从而减少工程投资。昆明市环湖东路转输通道工程通过试验段的经验积累和分析，进一步优化触变泥浆使用技术、完善配套施工工艺，完成了富水粉细砂地层的长距离顶管施工。该工程的成功经验，为类似地质条件地层长距离顶管工程提供了参考和借鉴。

参考文献

葛春辉.顶管工程设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]谢永和，林凤霞.管壁喷蜡法在顶管施工中的应用[J].给水排水，2008（8）：98-99.

收稿日期：2020-06-05

作者简介：童聪（1988—），男，湖北武汉人，硕士，工程师，研究方向：工程管理。

Analysis on the Application Research of Thixotropic mud Technology in the Process of Long-distance Pipe Jacking

TONG Cong， HAN Junwei

（China Power Construction Group Kunming Survey， Design and Research Institute Co.， Ltd.， Kunming  Yunnan  650051）

Abstract：In long-distance pipe jacking projects， the use of thixotropic mud technology can reduce the jacking force per unit length， which is of great significance for controlling project investment and improving construction efficiency.Based on the case of a pipe jacking in a drainage project in Kunming， this paper studies the mechanism of the thixotropic mud in the pipe jacking project， and compares and analyzes the influence of the thixotropic mud on the jacking force under the optimized process conditions.The conclusion that the pipe top force plays a key role.

Keywords： pipe jacking; thixotropic mud; jacking force; drag reduction