長(zhǎng)距離大直徑混凝土頂管中的減阻泥漿研究與應(yīng)用*

羅云峰

1. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200433；2. 上海城市非開挖建造工程技術(shù)研究中心 上海 200433

1 減阻泥漿介紹

在頂管施工中，為減小頂進(jìn)時(shí)管外壁所受的摩擦阻力需進(jìn)行注漿減阻。其原理是在管節(jié)外壁注入減阻泥漿，形成泥漿套，減小管壁與土體間的摩阻力[1]。減阻泥漿在頂管工程施工中的主要作用有兩個(gè)：一是起潤(rùn)滑減阻作用，減阻泥漿在輸送和灌注過程中具有流動(dòng)性，呈膠狀液體，將頂進(jìn)管道與土體之間的干摩擦變?yōu)闈衲Σ?，減小頂進(jìn)時(shí)的摩擦阻力；二是起填補(bǔ)和支撐作用，漿液填補(bǔ)施工時(shí)管道與土體之間產(chǎn)生的空隙，減阻泥漿經(jīng)過一定靜置時(shí)間固結(jié)呈膠凝狀，同時(shí)在注漿壓力下，對(duì)土體有支護(hù)作用，減小土體變形，使隧洞變的穩(wěn)定[2-4]。

在長(zhǎng)距離頂管中，減阻泥漿更是不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，減阻泥漿的好壞將是長(zhǎng)距離工程能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵。對(duì)于長(zhǎng)距離頂管，管節(jié)外壁摩阻力遠(yuǎn)大于正面阻力，若在頂進(jìn)中向管節(jié)外注入一定量的減阻泥漿，變固體間的滑動(dòng)摩擦為固液間的滑動(dòng)摩擦，如果能形成良好的減阻泥漿套，其減阻效果將是十分令人滿意的，將極大地減小阻力。減阻泥漿的成功應(yīng)用，可以增加單級(jí)頂進(jìn)長(zhǎng)度，減少中繼間用量，加大工作井與接收井之間距離，從而減少工作井與接收井的數(shù)量，降低工程成本。

現(xiàn)有的減阻泥漿施工配比多靠經(jīng)驗(yàn)確定，導(dǎo)致制備出的泥漿影響實(shí)際施工時(shí)的使用。現(xiàn)有的拌制泥漿的方法拌制速度慢，且攪拌出的泥漿膨潤(rùn)土水化不夠充分，漿液濃度不均，會(huì)影響其性能，需要靜置一段時(shí)間充分水化后才能使用，其質(zhì)量和數(shù)量都無(wú)法滿足長(zhǎng)距離大直徑頂管快速頂進(jìn)施工時(shí)的用漿需求。

在長(zhǎng)距離大直徑頂管中，除了制備出足夠量的性能指標(biāo)好的減阻泥漿，注漿工藝也是決定頂管成敗的關(guān)鍵性因素之一[5]。只有采取積極有效的注漿措施，才能保證長(zhǎng)距離大直徑頂管全程全斷面都能形成較好的泥漿套，起到良好的減阻效果。

2 工程概況

上海市污水治理白龍港片區(qū)南線輸送干線完善工程，主要建設(shè)內(nèi)容為長(zhǎng)約26.21 km的污水輸送干管。全線干管采用頂管法施工，敷設(shè)方式采用平行雙管，管道材質(zhì)為鋼筋混凝土頂管，每節(jié)管的長(zhǎng)度為2.5 m。管道內(nèi)徑4 000 mm，外徑4 640 mm，為國(guó)內(nèi)最大直徑頂管。工程分為6 個(gè)標(biāo)段，SST2.2標(biāo)段頂管工程為外環(huán)8#井至迎賓3#井之間的輸送干管，西臨申江路立交（外環(huán)8#頂管工作井），東臨唐黃路（迎賓3#接收井），總長(zhǎng)7 890.71 m。其中迎賓1#～3#區(qū)間內(nèi)頂管單次頂進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)2 039.82 m，為同直徑最長(zhǎng)距離頂管，如圖1所示。

本工程頂管覆土厚度約為6～11 m，頂管主要位于③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和④層淤泥質(zhì)黏土，僅于局部頂管遇及②3砂質(zhì)粉土。③層、④層為軟黏性土層，厚度較厚，其強(qiáng)度低、滲透性差、含水量高、壓縮性高、靈敏度高，具觸變性和流變性，施工易受擾動(dòng)。場(chǎng)地地下水埋藏較淺，地下水對(duì)頂管施工影響很大。淺層潛水由于頂管開挖出土產(chǎn)生水頭差而滲流，導(dǎo)致粉性土產(chǎn)生流砂，對(duì)頂管施工不利。總的來(lái)說，頂管施工受地質(zhì)水文條件影響較大。

在本頂管施工過程中，工具管刀盤比管段外徑大1 cm左右，工具管穿越土體后會(huì)在土體與管段之間產(chǎn)生一空隙，產(chǎn)生的空隙需要泥漿來(lái)填充彌補(bǔ)，即泥漿形成支撐面，若支撐不足則土體就會(huì)塌落于管外壁使滑動(dòng)摩擦主要作用因素為干摩擦，此時(shí)整個(gè)管段摩阻力會(huì)大幅上升；如果注入的潤(rùn)滑泥漿能在管子的外圍形成一個(gè)比較完整的漿套，一般情況摩阻力可由12～30 kN/m2減至3～5 kN/m2。本長(zhǎng)距離大直徑頂管過程必須十分小心地選擇減阻泥漿材料配比和完善注漿工藝，注漿減阻的好壞將是該頂管成功與否的一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)。

圖1 工程示意

3 減阻泥漿配比及制漿方法的確定

3.1 減阻泥漿配比確定

在頂管工程開始頂進(jìn)之前，先進(jìn)行了泥漿配比試驗(yàn)。本文的泥漿配比試驗(yàn)主要是采用膨潤(rùn)土、純堿和CMC以不同的配合比配制泥漿。通過試驗(yàn)來(lái)尋找性能指標(biāo)良好的泥漿材料配比，充分掌握泥漿材料性能，研究分析不同配比泥漿的性能指標(biāo)。在配制泥漿的這些材料中，純堿的作用為利用其鈉離子的同相置換作用增大膨潤(rùn)土顆粒的遇水膨脹性能，增加其吸附能力及膨脹性；CMC主要作為增黏劑，增強(qiáng)泥漿的支撐性能。

泥漿的性能是泥漿的組成以及其各組分間相互物理化學(xué)作用的宏觀反映，是反映泥漿質(zhì)量的具體參數(shù)。泥漿性能及其變化直接影響著減阻潤(rùn)滑等問題。泥漿的主要性能有泥漿的相對(duì)密度、泥漿的流變特性、泥漿的慮失性能以及泥漿的含砂量、潤(rùn)滑性、膠體率和pH值等。本工程主要關(guān)注的泥漿性能有泥漿的相對(duì)密度、流變特性和慮失性能等，故進(jìn)行泥漿配比試驗(yàn)時(shí)重點(diǎn)加強(qiáng)相對(duì)密度、黏度、失水量、泥皮厚度等4 項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)的測(cè)定。

本頂管工程主要穿越土質(zhì)為第④層淤泥質(zhì)黏性土，該層土滲透系數(shù)低，土壤顆粒小，基本不需要過高的黏度。但由于地下水位高，土層含水量大，要求泥漿泥皮形成良好，失水量小，因此，泥漿黏度控制在20～25 s、相對(duì)密度控制在1.05～1.07、失水量控制在5～10 ml、泥皮厚度控制在3～5 mm為宜。結(jié)合工程實(shí)際和泥漿配比試驗(yàn)的情況，在數(shù)種配比中選擇了水∶鈉基膨潤(rùn)土∶純堿∶CMC=1 000∶100∶6∶2的方案來(lái)作為背景工程的施工配合比使用。

3.2 制漿方法確定

泥漿中膨潤(rùn)土的膨脹性能是否充分發(fā)揮主要取決于攪拌時(shí)間。攪拌越充分則越可縮短泥漿靜置等待膨脹的時(shí)間，特別是在溫度較低的情況下攪拌更應(yīng)該加長(zhǎng)時(shí)間。拌制泥漿過程也是非常重要的，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用時(shí)，拌制出的泥漿性能指標(biāo)能否達(dá)到配比試驗(yàn)時(shí)的性能指標(biāo)也是一個(gè)重要的問題。此外，由于本工程尤其是迎賓1#井側(cè)頂管施工，進(jìn)度極快，泥漿需求量大?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)拌制泥漿的方法一般是在一個(gè)攪拌桶內(nèi)用攪拌機(jī)進(jìn)行拌制，每個(gè)攪拌桶一次只能拌制1～2 m3泥漿，拌制速度慢，遠(yuǎn)達(dá)不到工程快速施工用漿量的要求。

為滿足本工程頂管施工對(duì)減阻泥漿的要求，本工程采用剪切泵來(lái)拌制泥漿，拌漿設(shè)備示意如圖2所示，通過泥漿不斷的在這個(gè)系統(tǒng)中的循環(huán)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)泥漿的拌制。剪切泵是一種能夠快速配置和處理泥漿的固控設(shè)備，能滿足配置高性能泥漿的要求。

圖2 拌漿設(shè)備示意

當(dāng)采用剪切泵拌制泥漿時(shí)，先向儲(chǔ)漿箱中灌注18 m3左右的水，打開輸漿管上的閥門，開啟剪切泵，按既定的材料配比分別把鈉基膨潤(rùn)土、純堿和CMC投入加料漏斗，運(yùn)行30 min后關(guān)閉剪切泵，關(guān)閉閥門，儲(chǔ)漿箱中即有20 m3左右減阻泥漿可供工程實(shí)際使用。

在制備泥漿時(shí)還應(yīng)注意：新配置的泥漿或多或少會(huì)含有顆粒狀物，可在泥漿箱上部覆蓋細(xì)密的鋼絲網(wǎng)，用來(lái)過濾泥漿中的顆粒物，防止顆粒物進(jìn)入泥漿輸送管，致使泥漿輸送管堵塞；當(dāng)泥漿靜置后，會(huì)出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象，導(dǎo)致漿液濃度不均。

因此在壓漿使用前，需開啟制漿設(shè)備對(duì)漿液進(jìn)行循環(huán)3 min左右，以保證泥漿濃度的均勻。

范氏、中行氏反易天明，斬艾百姓，欲擅晉國(guó)而滅其君。寡君恃鄭而保焉。今鄭為不道，棄君助臣，二三子順天明，從君命，經(jīng)德義，除詬恥，在此行也?？藬痴?，上大夫受縣，下大夫受郡，士田十萬(wàn)，庶人工商遂，人臣隸圉免。志父無(wú)罪，君實(shí)圖之！若其有罪，絞縊以戮，桐棺三寸，不設(shè)屬辟，素車樸馬，無(wú)入于兆，下卿之罰也。[8](P1613-1615)

4 長(zhǎng)距離大直徑頂管注漿工藝研究

頂管注漿的工藝流程為：施工準(zhǔn)備→拌漿送漿→同步注漿→跟蹤補(bǔ)漿。頂管頂進(jìn)結(jié)束后，對(duì)已形成的泥漿套的漿液進(jìn)行置換。

4.1 注漿設(shè)備布置

為滿足本工程泥漿減阻的需求，泥漿系統(tǒng)設(shè)備具體配置如下：

（a）工具管尾部環(huán)向設(shè)1 道同步注漿環(huán)，工具管后3 節(jié)管段每節(jié)設(shè)置1 道同步注漿環(huán)，減阻泥漿由此在工具管向前頂進(jìn)的過程中及時(shí)在后管外壁形成泥漿套。其后的跟蹤注漿環(huán)每隔3 管節(jié)設(shè)置1 環(huán)，在頂進(jìn)時(shí)起分段、同時(shí)補(bǔ)漿的作用。每道補(bǔ)漿環(huán)有獨(dú)立的閥門控制，并能承受外水壓，漿液壓力維持至它被水泥漿替換。

（b）由于本工程管徑超大，為提高注漿效率的同時(shí)，便于注漿控制，注漿供給采用2 路管路，分別與各注漿環(huán)連接。每管供應(yīng)單側(cè)（左側(cè)或者右側(cè)）的3 個(gè)注漿孔，注漿孔環(huán)形布置，每環(huán)6 個(gè)壓漿孔，每個(gè)壓漿孔之間呈60°布置（圖3）。

（c）在工具管后部設(shè)置泥漿箱，能供應(yīng)同步注漿所需泥漿。漿箱容積為3 m3，配置BW160型壓漿泵2 臺(tái)。其后每隔200 m設(shè)置1 個(gè)泥漿中繼站，泥漿中繼站設(shè)置泥漿箱2 只（1.5 m3）及BW160壓漿泵2 臺(tái)。工作井地面設(shè)置3 臺(tái)BW250壓漿泵（1 臺(tái)備用），泥漿箱配套使用BM250壓漿泵負(fù)責(zé)同步注漿。

圖3 注漿孔設(shè)置示意

本工程中，為了保證管壁外泥漿套的效果，采用自動(dòng)壓漿控制系統(tǒng)來(lái)全面管理壓漿工序，來(lái)有效控制注漿量及注漿壓力，減小因注漿對(duì)土體的擾動(dòng)。同時(shí)，結(jié)合地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，若壓力過高，應(yīng)適當(dāng)降低注漿壓力；若泥漿壓力較低，適當(dāng)提高注漿壓力；若泥漿壓力消失，則說明泥漿固結(jié)失效或漿量嚴(yán)重缺失，必須進(jìn)行大量注漿。

4.2 注漿壓力及注漿量

工具管刀盤直徑大于混凝土管1 cm，穿越土體后產(chǎn)生的空隙需要減阻泥漿來(lái)填充彌補(bǔ)。如果在這一環(huán)套和頂進(jìn)管之間保持一個(gè)相當(dāng)于土壓力的減阻泥漿壓力，減阻泥漿便承受著全部的土壓力，致使土壓力間接地加荷于管壁。

4.2.1 注漿壓力設(shè)定

本工程頂管覆土厚度約為6～11 m，則按照管底水土壓力計(jì)算P壓力=1.1γh=0.27 MPa。

安全閥的壓力設(shè)定不僅要滿足注漿孔注漿壓力的要求，還要滿足長(zhǎng)距離輸送的水頭損失、考慮沿程水頭損失等情況，可以將安全閥標(biāo)定在0.40 MPa，并在一個(gè)級(jí)別±0.05 MPa中進(jìn)行多級(jí)調(diào)整。

4.2.2 注漿量確定

頂管工程壓漿由2 個(gè)部分組成，一個(gè)工具頭后部的同步注漿，另一個(gè)是管道內(nèi)的跟蹤補(bǔ)漿。采用重疊壓漿機(jī)理來(lái)控制注漿量，即每個(gè)壓漿環(huán)壓出去的漿都和下個(gè)壓漿環(huán)的壓漿范圍重疊，壓漿量控制在6 倍建筑空隙以內(nèi)，加上重疊范圍，總體上壓漿量為8 倍建筑空隙。

管段壓漿量控制為：同步注漿時(shí)，每節(jié)管節(jié)壓漿量為1.46 m3；跟蹤注漿段，即每200 m補(bǔ)漿1.46 m3。

為確保能形成完整有效的泥漿環(huán)套，管道內(nèi)的補(bǔ)壓漿的次數(shù)及壓漿量根據(jù)管壁為泥漿反壓、外壁摩阻力變化情況結(jié)合地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)減阻泥漿應(yīng)用于頂管的重要性，尤其是在長(zhǎng)距離頂管施工的重要性進(jìn)行了闡述，并以目前國(guó)內(nèi)最大直徑且同直徑最長(zhǎng)距離混凝土頂管工程——白龍港工程為依托，對(duì)適合該工程用減阻泥漿配比試驗(yàn)、制漿方法和注漿工藝等進(jìn)行了研究。根據(jù)記錄的頂力數(shù)據(jù)計(jì)算出施工階段的平均摩阻力在0.5～0.8 kN/m2（最小值0.3 kN/m2）之間，僅為規(guī)范規(guī)程規(guī)定的施加減阻泥漿后的平均摩阻力1/4～1/3，效果良好。在減小頂管頂進(jìn)摩阻力的同時(shí)，也增大了頂進(jìn)速度，提高了施工效率，節(jié)省了工期和節(jié)約了施工成本。