超大断面矩形顶管隧道触变泥浆减阻控制技术

刘常利，张占胜，张 浩，王发民

（1.中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401123；2.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001；3.中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458）

1 工程概况

顶管是一种利用隧道掘进机和始发井内的推进系统在地下进行隧道开挖的技术，已广泛应用于下给排水管道、油气管道、电力电信管道、人行通道及公路隧道等工程。矩形顶管隧道与圆形顶管隧道相比，面积利用率高20%左右，更为实用和经济。因此，目前矩形顶管越来越普遍，并朝着超大断面发展。

嘉兴市市区快速路下穿南湖大道顶管隧道，开挖断面14.82m×9.446m，是已建成断面最大的天津新八大里黑牛城道顶管隧道（10.40m×7.55m）的1.8 倍，覆跨比仅为0.44，属超大断面浅埋矩形顶管隧道。隧道长度100.5m，隧道南北线净间距1.2m，先施工北侧隧道，顶管到达接收井后拆运至始发井二次始发施工南侧隧道。隧道埋深5.68～6.54m，穿越地层主要有④1 粉质黏土和④2 砂质粉土，地下稳定水位埋深为0.50～2.90m。

超大断面顶管掘进时将面临更大的地层摩擦阻力，本文从触变泥浆、顶管减摩注浆系统、管节注浆结构及注浆参数等方面进行了研究和优化，形成了超大断面顶管减阻控制技术，有效降低了掘进过程中的总推力，研究成果将为今后大断面顶管工程减摩注浆提供理论基础和借鉴。

2 触变泥浆配比试验

本工程顶管主要穿越粉质黏土和砂质粉土地层，结合室内泥浆配比试验结果及类似工程触变泥浆应用情况，提出本工程触变泥浆性能指标：黏度＞60s、滤失量＜15mL/30min、24h 析水率为零。

选择市场上顶管工程常用的3 种复合膨润土制浆剂进行触变泥浆配比试验，材料A 为复合型纳基膨润土，材料B 为复合型钙基膨润土，材料C 为复合型普通膨润土，3 种制浆剂还添加有一定比例的纯碱、CMC、PHP 等外加剂。试验时控制泥浆固液比从2%逐渐增加至16%，测试不同固液比下泥浆黏度、滤失量及析水率，试验结果如图1 所示。由黏度、滤失量及析水率随时间变化曲线可以得出，不同制浆剂配制的泥浆黏度均随固液比的增大逐渐增加，同时滤失量逐渐减小，在固液比为8%时24h 析水率均降至零。对比泥浆性能指标可知制浆剂A 在固液比为10%时黏度、滤失量和失水量均达到要求，制浆剂B、C 固液比分别为12%、14%时性能达到要求，综合成本、产量等多方面因素考虑，本工程最终选择制浆剂A 配制触变泥浆，泥浆固液比为12%。

图1 泥浆黏度、滤失量和析水率变化情况

3 注浆系统及注浆参数优化

人工控制触变泥浆具有不确定性和盲目性，注浆压力、注浆量、注浆时间均无法得到精准控制。本工程顶管机采用自动减摩系统，利用上位机及自动球阀控制，可设置固定的注浆间隔时间及不同的注入模式，实现触变泥浆按设定参数自动注入。系统自动控制减少注浆时的人为控制误差，节约泥浆用量，提高注浆减摩效果，从而提高大断面矩形顶管施工效率。

3.1 设备组成与控制原理

自动注浆系统分为控制中心、制浆站，泵站，注浆管路（含压力传感器、阀门）。注浆控制系统全部由PLC 系统控制，上位机操作；制浆站包括制浆机与膨化储存罐，按照配合比制备完毕后，储存与储存罐中分别膨化备用；泵站连接储浆罐与注浆管路，2 个泵站分别于两路注浆管路相连；注浆管路分为顶管机及管节前5 环同步注浆管路系统与5 环之后的二次补充注浆管路系统。注浆口的传感器对压力进行实时监测，施工时根据压力及注浆量监测结果动态调整注浆参数。同时，顶管机及管节前5 环的每个孔注浆压力和注浆量均可单独控制，进而提高了注浆质量。

3.2 管节注浆结构优化

本工程对管节接头部位注浆结构进行了优化，如图2 所示，结构一为郑州市下穿中州大道隧道工程顶管管节注浆结构形式，结构二为本工程管节注浆结构形式。结构一注浆时泥浆经过注浆孔单向阀后直接进入管节与地层间隙，将对已形成的泥浆套产生一定的冲刷和破坏，甚至击穿地层，造成地表冒浆问题。结构二将注浆孔出口隐藏在钢套环下，可有效减缓泥浆对地层的冲击；外壁上开设有环绕管节一周的储浆槽，注浆时泥浆首先充满储浆槽，之后沿钢套环与管节之间的环向出浆口均匀进入管节与地层之间的空隙中，完整覆盖管节外壁，有效提高了泥浆套形成质量。

图2 管节接头部位两种形式注浆结构对比

如图3 所示，本工程采用A、B 两种型号管节（环宽均为1.5m）交替拼装，注浆孔最终呈梅花形交错分布，单孔浆液扩散半径1.08m 即可将管节外壁全部覆盖，比仅采用单一A 型或B 型管节时浆液扩散距离减少了13.6%，确保了泥浆套形成质量和注浆减摩效果。

图3 注浆孔交错布置示意图

3.3 注浆施工控制

减摩注浆分为同步注浆和二次补充注浆，同步注浆范围为顶管机及管节前5 环，二次补充注浆范围为5 环以后的各环管节。同步注浆确保顶管在掘进过程中及时形成完整的泥浆套，二次补充注浆的作用是补充掘进过程中泥浆渗透损失，维持泥浆套的稳定和减磨效果。顶管注浆的原则：先压后顶，随顶随压，及时补浆。

3.3.1 注浆顺序控制

顶管机及管节前5 环的同步注浆采用跳点循环压注，图4 为前盾和尾盾注浆孔布置，图5 为管节注浆孔布置，按编号将注浆孔分为3 组，第一组为1、4、7…，第二组为2、5、8…，第组为3、6、9…，施工时3 组依次进行循环注浆。5 环以后管节二次补充注浆时采取全断面压注方式。

图4 前盾和尾盾注浆孔布置

图5 管节注浆孔布置形式

3.3.2 注浆时机控制

为确定顶管掘进时的最佳注浆时间，在14～17 环进行了注浆试验，图6 为各环总推力在注浆和停止注浆后的变化情况。由图6(a)可以看出，总推力随着注浆时间的增加而逐渐减小，第14 环在注浆80s 时总推力降至4 500t 左右，之后趋于平稳，第15 环在注浆100s时、第16、第17环在注浆120s 时，总推力下降至较小值，因此，设定触变泥浆注入时间为上述4 环最大值120s。由图6(b)可知，在停止注浆后的30s 内总推力缓慢增加，30～45s 内总推力迅速增大，增大幅度为100～200t，45s后总推力在较大值附近波动。因此，根据停止注浆后总推力变化情况，设定注浆间隔时间为30s。综上，在顶管掘进过程中同步注浆采取每注浆120s，间歇30s 的方式循环注浆。

图6 总推力随时间变化规律

3.3.3 注浆量和注浆压力控制

顶管机外壳直径较管节大2cm，留有建筑空隙由触变泥浆填充，在减阻的同时，依靠自身承压性支撑土体以及降低背土效应，注浆量和注浆压力也是影响泥浆减摩效果的关键因素。

顶管掘进过程中为有效填充建筑空隙，同时考虑顶管顶部3cm 的超挖量，每掘进1 环的同步注浆量取理论空隙体积的2.5～4 倍，即控制在3.12～5.15m3之间，注浆压力取注浆孔所在位置地层土压力的1.2～1.35 倍，不同区域同步注浆量和注浆压力范围如表1 所示。施工过程中当实际出渣量大于理论出渣量时注浆量和注浆压力均取较大值，出渣量正常时取较小值；当开挖地层砂性土层占比大时，由于砂性地层泥浆渗透损失大，因此注浆量取较大值，同时注浆压力取较小值，而当粘性土地层占比大时注浆量取较小值，注浆压力取较大值。5 环之后的二次补充注浆量为单环同步注浆量的1/30～1/20，注浆压力为地层土压力的1.3 倍。

表1 管节外不同区域注浆参数

4 顶管总推力理论值与实测值

4.1 顶管总推力理论值

总推力由推进机前端的迎面阻力和管壁外周摩阻力决定，总推力随顶进距离的增加而增大。在正常推进中，总推力的增大是缓慢的，在到达接收端时达到最大。

本工程顶管机自重7 700kN，单环管节自重1 350kN，通过计算掘进不同距离时所需的总推力，得到总推力随掘进距离变化曲线（图7），其中开挖面地层反力为23 424.25kN。顶管隧道掘进完成时的最大总推力为138 136.39kN。

图7 顶管掘进期间各环总推力均值变化曲线

4.2 总推力实测值

图8 为顶管掘进期间各环总推力平均值变化曲线。由图8 可知，在顶管通过始发和接受加固区时，由于地层加固的原因，总推力急速增大，通过加固区后推力迅速下降。其中，北线最大推力116 732kN，南线最大推力118 768kN。南北线最大总推力均小于理论计算最大值138 136.39kN。总推力理论值与实际值在出8～30环二者吻合度较高，30 环之后理论值大于实际值，且随着掘进距离的增加二者差值逐渐加大，说明采取的各项减阻措施减阻效果较好。

图8 顶管总推力拟合结果

对10～60 环内的总推力进行线性拟合，得到北线、南线总推力与掘进距离L（包括顶管主机长度）的关系如下。

北线：T北线=(41934.9+468.2L)kN

南线：T南线=(43710.0+487.5L)kN

上式中两个常数41 934.9kN 和43 710.0kN分别为顶管掘进过程中开挖面地层反力，是理论计算值的1.8 倍左右，原因是为控制超挖和地表沉降，掘进期间仓内渣土压力均设置在较高值，因此增大了顶管所受地开挖面地层反力。顶管每掘进1m 总推力增加468.2～487.5kN，即每米管节受地层摩擦阻力468.2～487.5kN，每米管节表面积为41.4m2，计算算得到管节与地层的实际平均摩擦系数为0.086，郑州市红专路下穿中州大道顶管隧道计算的实际摩擦系数为0.132，对比可知本工程触变泥浆减阻效果较好。

5 结论

为提高注浆减摩效果,超大断面矩形顶管下穿南湖大道隧道工程采用了自动注浆系统，同时优化了管节注浆结构设计，通过触变泥浆配比试验最终选择复合型纳基膨润土作为本工程触变泥浆制浆剂，泥浆固液为12%。对比分析理论推力和现场实际推力得出如下主要结论。

1）本工程顶管机采用自动注浆系统，顶管掘进时注浆压力、注浆量、注浆时间均可得到精准控制，并能结合注浆孔分布设定不同的注浆模式。使用自动注浆系统避免了人工注浆的不确定性和盲目性，有效节约了泥浆用量，提高了注浆减摩效果，从而提高顶管施工效率。

2）对管节注浆结构进行了优化，在各环管节外侧设计了沿管节一周的储浆槽，避免了浆液直接冲刷地层，同时采用A、B 两种注浆孔交替布置的管节，减小了单孔覆盖范围，进而提高了注浆的均匀性和泥浆套形成质量。通过分析不同注浆时间下总推力变化情况，确定了泥浆的注入时间和间隔时间，保障注浆减摩效果的同时降低了泥浆用量。

3）顶管顶进总推力均随掘进距离线性增加，左、右线最大值分为116 732kN和118 768kN，开挖面地层反力的大小约为41 934.9～43 710.0kN，管节与地层实际摩擦系数仅有0.086。对比总推力理论值和实际值可以得出，本工程采用的各项措施提高了注浆减摩效果，有效降低了超大断面矩形顶管的总推力，可为今后同类大断面顶管工程提供借鉴和参考。