長距離頂管工程中注漿減摩作用機(jī)理及效果分析

簡崇林,馬孝春

(中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉,北京 100083）

長距離頂管工程中注漿減摩作用機(jī)理及效果分析

簡崇林,馬孝春

(中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉,北京 100083）

長距離頂管施工中除了克服迎面阻力外,尚需克服巨大的側(cè)面摩擦阻力,故直接頂進(jìn)非常困難。探討了利用膨潤土泥漿注漿以減小頂進(jìn)阻力的技術(shù)。對注漿材料的結(jié)構(gòu)、注漿工藝和減摩機(jī)理進(jìn)行了較為系統(tǒng)的闡述,并結(jié)合工程實(shí)例對長距離頂管中頂進(jìn)力的理論值與實(shí)際值做了比較。結(jié)果表明,注漿減摩效果十分明顯。該技術(shù)值得在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。

長距離頂管;阻力;膨潤土泥漿;注漿減摩;非開挖

0 引言

頂管法是鋪設(shè)城市地下管道的一種非開挖方法。在頂管施工中,不僅要克服掘進(jìn)面處的迎面阻力,還要克服頂進(jìn)距離內(nèi)管道側(cè)面與土體接觸面上的巨大摩擦力。限于頂進(jìn)設(shè)備能力及作業(yè)空間的限制,目前市內(nèi)常用頂管的頂進(jìn)距離非常有限,通常在120 m以內(nèi)。因此,如何在不更新頂進(jìn)設(shè)備的情況下進(jìn)行長距離頂進(jìn),便是許多施工企業(yè)極為關(guān)注的技術(shù)難題。況且在頂進(jìn)過程中若不采取有效措施降低頂進(jìn)力,則對管材的抗壓強(qiáng)度、頂管工作井形式及頂管后座墻承受推力的能力提出了更高要求,在經(jīng)濟(jì)上是不合算的,也增大了施工風(fēng)險。本文探討用注漿方法減少側(cè)向摩擦力,從而實(shí)現(xiàn)長距離頂進(jìn)的原理與方法。

1 注漿材料及性能

根據(jù)國外的施工經(jīng)驗(yàn)和鉆進(jìn)工藝?yán)碚?可用膨潤土或人工合成的高分子材料作為潤滑劑。從成本與環(huán)保角度考慮,應(yīng)首選膨潤土泥漿。它由膨潤土、CMC、純堿和水按一定比例配方組成。

膨潤土是以鉀、鈣、鈉蒙脫石為主要成分(含量一般大于65%）的粘土礦物,具有膨脹性和觸變性。其微觀分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要結(jié)構(gòu)是Si-Al-Si,是由云團(tuán)狀薄層堆疊而成的單體顆粒,顆粒間以鈉離子或鈣離子連接而成[1]。由于晶片層的上下表面均帶負(fù)電,相互排斥,加之鈉離子半徑及化學(xué)價較低,造成膨潤土單位晶片層間的結(jié)合鍵非常弱,水分子極易滲入晶層間隙,使得兩個疊層之間的間距擴(kuò)大到2倍以上,造成晶體內(nèi)部膨脹。膨潤土的膨脹性能取決于薄片蒙脫石微粒的大小和數(shù)量。由于鈉離子提供的結(jié)合能力弱于鈣離子,鈉蒙脫石比鈣蒙脫石易于膨脹,因此,鈉膨潤土比鈣膨潤土更適用于頂管施工。

圖1 膨潤土分子結(jié)構(gòu)式

膨潤土經(jīng)加水?dāng)嚢韬蟪蔀閼腋∫?當(dāng)懸浮液靜止時,薄片狀的蒙脫石微粒會由分散狀態(tài)經(jīng)過絮凝,變成凝膠體。當(dāng)漿液被攪拌、振動時,大多數(shù)微粒結(jié)構(gòu)將被破壞、分散,轉(zhuǎn)變成為具有粘性和流動性的膠狀液體。當(dāng)懸浮液再次處于靜止?fàn)顟B(tài)時,又會形成凝膠體,這種狀態(tài)特性稱為觸變性[2](如圖2所示）,而且其反復(fù)變化是無數(shù)次的。膨潤土泥漿的觸變性,有助于頂進(jìn)管道時,以粘性液體減少摩阻力,靜止時,成為凝膠體起支撐作用,平衡地層壓力。

圖3 泥皮的形成

圖2 膨潤土泥漿觸變性示意圖

2 頂管施工的摩擦阻力及注漿減摩機(jī)理

2.1 頂管的摩擦阻力

頂管時的頂進(jìn)阻力主要有2部分:一部分是工具管的迎面阻力,由工具管外壁阻力和支撐工作面前壁阻力組成;另一部分是管外壁阻力,即在土壓力和頂進(jìn)管節(jié)自重作用下,頂進(jìn)管線與周圍土層產(chǎn)生的摩擦阻力。通常前壁阻力很難通過技術(shù)手段降低,甚至對土壓或泥水平衡頂管來講,前壁阻力是必須的,它能有效地防止塌方和地面沉降。故只有通過最大限度地減少管外壁摩擦阻力,才能有效地減少頂進(jìn)阻力。

2.2 注漿減摩機(jī)理

在頂管施工中注漿作用機(jī)理主要為:一是起潤滑作用,二是起填充和支撐作用。泥漿能將管道與土體之間的干摩擦變?yōu)闈衲Σ?從而減小頂進(jìn)時的摩擦阻力。漿液在填充于管道與土體之間空隙的同時,還可在注漿壓力下減小土體變形,使土體穩(wěn)定。

泥漿與土體接觸后,在注漿壓力的作用下,泥漿中的自由水向孔壁的裂隙或孔隙中滲透,使泥漿失水。泥漿在滲透過程中會變成凝膠體而充滿土體的空隙,進(jìn)而與土體形成混合體。隨著漿液滲透越來越多,會在泥漿與混合土體之間形成致密的滲透層,泥漿中的固相顆粒便附著在致密的滲透層上形成滲透性減小的泥皮(圖3）,降低泥漿的失水性。泥皮和致密的滲透層稱為泥漿套[3](圖4）。

在注漿壓力作用下,泥漿套能夠把超過地下水壓力的液體壓力傳遞到土體顆粒之間,成為有效應(yīng)力壓實(shí)土體。同時,泥漿的液壓能夠起到支撐孔壁的作用,使其保持穩(wěn)定。

圖4 泥漿與土體形成泥漿套

當(dāng)注入的膨潤土泥漿各參數(shù)比較理想時,在土層中圍繞管道會形成一個支承環(huán)并保持懸浮液壓力等于土壓力,頂進(jìn)管節(jié)就會在泥漿中懸浮起來,浮力可使管外壁摩阻力減小,管底部由于自重產(chǎn)生的法向力也就減少了。這一效果會對長距離管道的頂進(jìn)十分有利。

實(shí)際施工中,由于受管道外圍環(huán)向空腔不連續(xù)、不均勻、泥漿流失、地下水影響以及壓力注漿工藝等因素影響,可能會對減摩效果產(chǎn)生影響。但大幅度地降低摩擦阻力是勿容置疑的,一般注漿后管道頂進(jìn)時產(chǎn)生的摩阻力可以降低到未注漿前的1/3～1/ 4[4]。

3 注漿工藝及注漿減摩效果分析

3.1 注漿工藝流程

在長距離頂管施工中常用的注漿方法是管內(nèi)注漿法。即將注漿管引入頂管內(nèi)部,在管材內(nèi)壁開注漿孔注漿的方法。注漿孔一般沿環(huán)向按90°或120°設(shè)計(jì)成4個或3個孔,采取點(diǎn)式注漿。注漿系統(tǒng)見圖5。

3.2 泥漿配比

常用的膨潤土泥漿配比[5]見表1。

在泥漿制作過程中,為了使膨潤土充分分散,攪拌應(yīng)充分均勻,泥漿拌和后的停滯時間應(yīng)在12 h以上。

圖5 注漿系統(tǒng)示意圖

表1 膨潤土泥漿常用配比表

3.3 注漿主要技術(shù)參數(shù)及其控制

注漿原則:先壓后頂,隨頂隨壓,及時補(bǔ)漿。

3.3.1 注漿量

注漿量是注漿減摩中重要的技術(shù)指標(biāo),它反映的是頂管的長度和漿膜厚度的量化關(guān)系。頂管過程中可根據(jù)注漿量及頂進(jìn)長度、漿膜厚度對減摩效果進(jìn)行動態(tài)分析。

3.3.2 注漿壓力

注漿壓力應(yīng)平穩(wěn)均勻,開始注漿時壓力不宜過高,壓力過高不僅不易形成泥漿套,還會產(chǎn)生冒漿現(xiàn)象,影響減摩效果。

3.3.3 注漿速度

注漿速度受很多因素影響和制約,如注漿孔的設(shè)置、漿套形成快慢及效果、頂進(jìn)速度等?？筛鶕?jù)實(shí)際工程中減摩效果及注漿壓力對注漿速度進(jìn)行調(diào)節(jié),以適應(yīng)工程需要。

3.4 注漿減摩效果分析

某軟土地區(qū)一污水處理廠管道工程采用頂管施工,設(shè)計(jì)管道為DN2000混凝土管,壁厚22 mm,頂進(jìn)長度為1100 m,管道埋深8.0 m,管頂覆土4～5 m。頂進(jìn)管道所處土層(淤泥質(zhì)粉砂土）的性質(zhì)為:含水率w=28.7%,密度Gs=2.70 g/cm3,容重γ= 18.8 kN/m3,孔隙比e=0.81,飽和度Sr=0.95,粘聚力c=3.0 kPa,內(nèi)摩擦角φ=30.8°。

工程中采用膨潤土泥漿作為注漿液,其配比為:膨潤土100 kg,CMC 1.2 kg,純堿5 kg,水600 kg。

注漿減摩效果的好壞主要是通過實(shí)際頂管過程中頂力的大小來檢驗(yàn)。本文將通過理論計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和實(shí)測數(shù)據(jù)的對比來檢驗(yàn)注漿在長距離頂管施工中的注漿減摩效果。

3.4.1 不考慮注漿減摩的頂力計(jì)算

根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50268-97）中推薦公式,頂管阻力可按下式計(jì)算:

式中:P——計(jì)算的總頂進(jìn)力,kN;γ——管道所處土層的容重,kN/m3;D1——管道的外徑,m;H——管道頂部以上覆蓋土層的厚度,m;φ——管道所處土層的內(nèi)摩擦角;ω——管道單位長度的自重,kN/m; L——管道的計(jì)算頂進(jìn)長度,m;f——頂進(jìn)時管道表面與其周圍土層之間的摩擦系數(shù),可按表2選取; Ps——頂進(jìn)時頂管掘進(jìn)機(jī)的迎面阻力,kN;K0——靜止土壓力系數(shù),可按公式K0=1-sinφ計(jì)算。

表2 頂進(jìn)管道與其周圍土層的摩擦系數(shù)

3.4.2 經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法

在考慮注漿減摩作用后的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為[6]:

式中:F——頂進(jìn)管道摩阻力,kN;D——管道外徑, m;L——頂管管道長度,m;f——單位面積管壁與土的平均摩阻力,kN/m2,對于軟土地區(qū)當(dāng)L≤100 m時,f=50L-0.5kN/m2;L>100 m時,f=2～5 kN/m2。3.4.3 計(jì)算值與實(shí)測值比較分析

根據(jù)該工程實(shí)測的頂力值和理論經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值繪制了頂力與頂進(jìn)距離關(guān)系圖(圖6）和注漿后單位面積平均摩阻力與頂進(jìn)距離關(guān)系圖(圖7）。

圖6 頂力與頂進(jìn)距離關(guān)系圖

根據(jù)圖6、圖7可得,在該工程頂進(jìn)施工中,注漿后的減摩效果明顯,平均減摩到理論頂力的40%左右。注漿后單位面積平均摩阻力隨頂進(jìn)距離大幅下降,穩(wěn)定后維持在最初的20%左右,使頂管能順利頂進(jìn)。

圖7 注漿后單位面積平均摩阻力與頂進(jìn)距離關(guān)系圖

4 結(jié)論

注漿減摩是頂管施工中非常重要的一個環(huán)節(jié),尤其是在長距離頂管中,注漿效果的好壞,直接關(guān)系到頂管施工的成敗。

在頂管施工中采用注漿減摩技術(shù),可使頂進(jìn)力減少到原來的1/4～1/3,也可在同樣頂進(jìn)設(shè)備時,延長頂進(jìn)距離。

[1] 李萬才.大口徑長距離頂管工程注漿減摩技術(shù)[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2000,(6）:11-18.

[2] 余彬泉,陳傳燦.頂管施工技術(shù)[M].北京:人民交通出版社, 1998.

[3] 魏綱,徐日慶,邵劍明,等.頂管施工中注漿減摩作用機(jī)理的研究[J].巖土力學(xué),2004,(6）.

[4] 馬保松.非開挖工程學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2008.

[5] 張龍.大口徑鋼管頂管注漿減阻技術(shù)的改進(jìn)[J].市政技術(shù), 2006,(2）.

[6] 何蓮,劉燦生,帥華國.頂管施工的頂力設(shè)計(jì)計(jì)算研究[J].給水排水,2001,(7）:87-89.

Analysis on M echan ism and Effects of Slurry I njecting in Reduc ing Friction in Long D istance Pipe Jacking Pro-ject

JIAN Chong-lin,MA Xiao-chun(China University of Geosciences,Beijing 100083,China）

Long distance pipe jacking is very difficult,as both the soilor rocks in the frontof the cutting head and the great side frictional resistance need to be overcome.The article discussed the technique of using bentonite slurry to reduce the jacking resistance;systematically described grouting material structure,grouting technology and the mechanis m of friction reduction and make the comparison be tween theoretical and actual values of jacking force in long distance pipe jacking based on the engineering case.The results showed that the effect of friction reduction by slurry injection was very noticea-ble,which isworth being applied in the similar projects.

long distance pipe jacking;resistance;bentonite slurry;reducing friction through injecting slurry;trenchless technology

TU99

:A

:1672-7428(2010）12-0065-03

2010-06-05

簡崇林(1985-）,男(漢族）,湖北咸寧人,中國地質(zhì)大學(xué)(北京）碩士研究生,地質(zhì)工程專業(yè),從事地質(zhì)工程數(shù)值模擬與信息系統(tǒng)以及非開挖技術(shù)研究工作,北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號中國地質(zhì)大學(xué)(北京）S09工程,465895151@qq.com。