超大斷面矩形頂管減阻技術(shù)在鄭州市下穿中州大道隧道工程中的應(yīng)用

楊紅軍， 榮　亮， 徐虎城

(中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州　450000)

?

超大斷面矩形頂管減阻技術(shù)在鄭州市下穿中州大道隧道工程中的應(yīng)用

楊紅軍， 榮亮， 徐虎城

(中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州450000)

摘要：鄭州市下穿中州大道隧道工程采用矩形頂管法進(jìn)行施工，頂管段具有斷面超大、覆土淺、間距小、推進(jìn)距離長(zhǎng)、未采用中繼間等特點(diǎn)，頂管推進(jìn)推力大。為有效控制頂管推力，研究了注漿孔布置、觸變泥漿配制、注漿管路優(yōu)化設(shè)計(jì)和管節(jié)表面涂蠟等頂管減阻技術(shù)。結(jié)果表明，本工程采用的減阻技術(shù)效果良好。

關(guān)鍵詞：超大斷面； 矩形頂管； 注漿減阻； 頂管推力； 觸變泥漿

0引言

頂管施工過(guò)程中，由于管道受到周?chē)翆拥淖饔枚a(chǎn)生摩阻力，影響管道的前進(jìn)，故在頂管施工過(guò)程中需施加較大的推力來(lái)克服管道與地層間的摩阻力；特別是對(duì)于長(zhǎng)距離、大斷面頂管推進(jìn)，所需的推力會(huì)更大。如何克服和最大程度地減小頂管施工中的巨大推力已成為頂管施工的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[1-4]介紹了頂管施工過(guò)程中的推力計(jì)算，通過(guò)與實(shí)際值對(duì)比，對(duì)計(jì)算時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題和頂管施工的關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行了說(shuō)明；文獻(xiàn)[5-7]主要介紹了頂管頂進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)頂力不足、推力不足和塌方等問(wèn)題的主要控制措施；文獻(xiàn)[8]主要介紹了長(zhǎng)距離頂管施工中應(yīng)如何配置優(yōu)質(zhì)觸變泥漿；文獻(xiàn)[9]介紹了土艙壓力和頂管頂進(jìn)推力的關(guān)系及推力控制措施；文獻(xiàn)[10]介紹了潤(rùn)滑劑摩擦特性及其對(duì)頂管推力和管-土相互作用的影響；文獻(xiàn)[11-12]介紹了相鄰水平平行頂管推進(jìn)引起的附加荷載。以上研究針對(duì)頂管推力計(jì)算、推力控制措施的一個(gè)或幾個(gè)方面進(jìn)行了介紹，而對(duì)超大斷面矩形頂管推力控制的整套技術(shù)，可供參考的文獻(xiàn)并不多。本文以鄭州市下穿中州大道隧道工程為依托，對(duì)超大斷面矩形頂管推進(jìn)過(guò)程中有效控制頂進(jìn)推力的減阻技術(shù)開(kāi)展了深入研究。

1工程概況

鄭州市下穿中州大道隧道工程起于紅專(zhuān)路與姚寨路交叉口，沿紅專(zhuān)路向東下穿中州大道，終點(diǎn)位于紅專(zhuān)路與龍湖外環(huán)路交叉口，工程全長(zhǎng)801.263 m。其中，下穿中州大道段采用矩形土壓平衡頂管法施工，長(zhǎng)度105 m。頂管段隧道為4條隧道平行布置，隧道間凈間距1 m。中間2孔為機(jī)動(dòng)車(chē)道，頂管斷面為10.10 m×7.25 m(寬×高)，兩側(cè)2孔為非機(jī)動(dòng)車(chē)道，頂管斷面為7.50 m×5.40 m(寬×高)，管節(jié)環(huán)寬為1.5 m。頂管隧道平面和橫斷面布置如圖1和圖2所示。

圖1　頂管段隧道平面布置圖(單位： m)

圖2　頂管段隧道橫斷面布置圖(單位： m)

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，本工程所處地貌單元為黃河沖積平原，地形起伏較小。勘探深度范圍內(nèi)地基土屬第四系(Q)沉積地層，分布較為規(guī)律，其縱橫向展布較均勻，起伏變化不大，主要為人工填土、第四系全新統(tǒng)(Q4)粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂及細(xì)砂等，工程地質(zhì)縱斷面見(jiàn)圖3。

圖3　頂管隧道地質(zhì)縱斷面圖

本場(chǎng)地勘察期間，地下水位埋深為7.7～9.0 m，根據(jù)區(qū)域資料，場(chǎng)地地下水位年變幅為1～2 m。地表高程為89.67～92.89 m，其中大頂管中心埋深為6.7～7.9 m，小頂管中心埋深為5.7～6.9 m。

2頂管機(jī)介紹

4條頂管隧道采用2臺(tái)頂管機(jī)進(jìn)行施工，其中機(jī)動(dòng)車(chē)道頂管機(jī)(見(jiàn)圖4(a))斷面為10.12 m×7.27 m(寬×高)，非機(jī)動(dòng)車(chē)道頂管機(jī)(見(jiàn)圖4(b))斷面為7.52 m×5.42 m(寬×高)。2臺(tái)土壓頂管機(jī)均采用6刀盤(pán)切削土體，2臺(tái)螺旋機(jī)出土，頂推系統(tǒng)設(shè)置在始發(fā)井內(nèi)，推進(jìn)油缸布置如圖5所示，推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

(a) 大頂管機(jī)

(b) 小頂管機(jī)

(b) 大頂管推進(jìn)油缸

表1　推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)表

3觸變泥漿減阻機(jī)制

觸變漿液配置完成后為懸浮液，當(dāng)懸浮液靜止時(shí)，會(huì)絮凝成凝膠體。當(dāng)漿液被攪拌、振動(dòng)或泵送時(shí)，轉(zhuǎn)變成黏性液體; 當(dāng)其再次處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，又會(huì)形成凝膠體。這種液體和凝膠體之間的交替可以發(fā)生多次，這類(lèi)特性稱(chēng)為觸變性。觸變泥漿的觸變性有助于減小頂管阻力。

如果注入的觸變泥漿能在管道外周形成一個(gè)比較完整的泥漿套，則接下來(lái)注入的泥漿不能向外滲透，留在管道與泥漿套的空隙處，管節(jié)在泥漿的包圍之中頂進(jìn)，其減阻效果顯著。

4觸變泥漿制作及注漿控制

4.1觸變泥漿的制作

目前在頂管施工過(guò)程中應(yīng)用的觸變泥漿是由膨潤(rùn)土、CMC、純堿、PHP(丙烯酰胺)和水按一定的比例配制而成。根據(jù)膨潤(rùn)土的性能、地層和注漿設(shè)備等參數(shù)進(jìn)行配比試驗(yàn)，得到既能適應(yīng)工程又能滿(mǎn)足一定經(jīng)濟(jì)合理性的配合比。觸變泥漿配合比及相應(yīng)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。配制所得觸變泥漿(見(jiàn)圖6)性能穩(wěn)定，且性能指標(biāo)較高。特別注意，觸變泥漿必須經(jīng)過(guò)12 h膨化后方可使用。

表2　觸變泥漿配合比及性能指標(biāo)

(a) 觸變泥漿現(xiàn)場(chǎng)膨化

(b) 注漿管道內(nèi)的觸變泥漿

4.2注漿設(shè)備及管路

選擇適宜的注漿設(shè)備是注漿減阻成功的保障。由于隧道覆土較淺，注漿設(shè)備選用螺桿泵，注漿過(guò)程中無(wú)脈動(dòng)，自吸能力強(qiáng)，注漿壓力均勻平穩(wěn)。注漿設(shè)備工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　注漿設(shè)備工藝參數(shù)

注漿孔沿管節(jié)周圈進(jìn)行布置，其中機(jī)動(dòng)車(chē)道管節(jié)布置18個(gè)DN25減阻注漿孔，非機(jī)動(dòng)車(chē)道管節(jié)布置16個(gè)DN25減阻注漿孔，見(jiàn)圖7。注漿管路分為總管和支管，其中總管采用DN50的鋼管，支管采用DN25的膠管。在每根支管與總管連接處設(shè)置1個(gè)球閥，隧道內(nèi)管路連接如圖8所示。

4.3注漿控制

注漿分為同步注漿和二次補(bǔ)漿。同步注漿的主要目的是形成良好的泥漿套，二次補(bǔ)漿的主要目的是保證泥漿套的完好性。頂管注漿的原則為： 先壓后頂，隨頂隨壓，及時(shí)補(bǔ)漿。

(a) 非機(jī)動(dòng)車(chē)道

(b) 機(jī)動(dòng)車(chē)道

圖8　隧道內(nèi)管路連接實(shí)景圖

4.3.1注漿位置及順序

泥漿套在同步注漿過(guò)程中形成，為保證形成完好的泥漿套，同步注漿范圍為頂管機(jī)及其后方的4環(huán)管節(jié)。掘進(jìn)過(guò)程中，頂管機(jī)和4環(huán)管節(jié)同時(shí)進(jìn)行注漿，其中頂管機(jī)沿周圈全部進(jìn)行注漿，4環(huán)管節(jié)在頂部及兩側(cè)進(jìn)行注漿。

泥漿套在地層中會(huì)因失水、固結(jié)等作用造成泥漿套被破壞，為此在掘進(jìn)過(guò)程中必須及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充注漿，確保泥漿套完好。補(bǔ)充注漿的范圍為拼裝完成的整條頂管隧道，在掘進(jìn)過(guò)程中循環(huán)進(jìn)行補(bǔ)充注漿。施工過(guò)程中，按從洞門(mén)處管節(jié)至頂管機(jī)后第5環(huán)管節(jié)的順序每1環(huán)或2環(huán)進(jìn)行補(bǔ)充注漿，且一般只在管節(jié)頂部進(jìn)行補(bǔ)充注漿，當(dāng)頂部注漿無(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí)，可適當(dāng)在管節(jié)兩側(cè)或底部進(jìn)行補(bǔ)充注漿。

4.3.2注漿量的控制

注漿量是保證觸變泥漿套完好性的重要指標(biāo)之一。注漿量與頂管管材、地質(zhì)參數(shù)、地層含水率和觸變泥漿性能等因素有關(guān)，一般每環(huán)同步注漿量為理論注漿量的 3～4倍，每環(huán)二次補(bǔ)漿量一般為同步注漿量的0.2～0.3倍。施工過(guò)程中以注漿量控制為主，注漿壓力控制為輔。頂管施工過(guò)程中，必須做好注漿量、頂進(jìn)長(zhǎng)度、頂進(jìn)推力和注漿壓力等現(xiàn)場(chǎng)記錄，并及時(shí)進(jìn)行分析、總結(jié)，對(duì)比理論推力和實(shí)際推力的差別，以確保注漿減阻的作用效果。

4.3.3注漿壓力的控制

合適的注漿壓力應(yīng)使觸變泥漿能順利地注入管節(jié)外壁，又不嚴(yán)重?cái)_動(dòng)地層。注漿壓力較低時(shí)，不能保證注漿量和注漿滲透半徑，無(wú)法形成泥漿套。注漿壓力過(guò)高時(shí)，易產(chǎn)生地層冒漿，不易形成泥漿套。合適的注漿壓力一般為地層壓力的1.2～1.3倍。為確保注漿壓力的準(zhǔn)確性，在注漿泵出口處和注漿孔端部安裝壓力表，并在施工過(guò)程中做好記錄，分析、總結(jié)注漿壓力和注漿量的關(guān)系，進(jìn)而確定合適的注漿壓力。

5觸變泥漿管結(jié)構(gòu)及位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在預(yù)埋管節(jié)內(nèi)的注漿管兩側(cè)增加DN25單向閥和DN25球閥，單向閥安裝在管節(jié)外壁上(見(jiàn)圖9(a))，球閥安裝在管節(jié)內(nèi)壁上。單向閥可防止觸變泥漿倒流，球閥可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定位注漿。預(yù)埋注漿管路設(shè)置在管節(jié)承插口內(nèi)(見(jiàn)圖9(b))，可有效防止單向閥失效。

6管節(jié)表面涂蠟

對(duì)管節(jié)表面進(jìn)行涂蠟(見(jiàn)圖10)，可減少土層與管壁直接接觸的機(jī)會(huì)，進(jìn)一步起到減阻作用。管節(jié)表面涂蠟后，必須用火烘烤，使石蠟完全滲透在混凝土表面。

7頂管隧道止退及防栽頭措施

由于頂管隧道推進(jìn)過(guò)程中前端阻力很大，即使頂進(jìn)較長(zhǎng)距離后，每次管節(jié)拼裝時(shí)，機(jī)頭和管節(jié)會(huì)后退20～30 cm，造成土艙壓力下降，易造成地表沉降及頂管機(jī)“栽頭”現(xiàn)象。為此，在始發(fā)基座上安裝一套止退裝置(如圖11所示)，將管節(jié)和機(jī)頭穩(wěn)住，同時(shí)頂管機(jī)和管節(jié)間采用螺栓連接(見(jiàn)圖12)，管節(jié)間采用自鎖型連接銷(xiāo)進(jìn)行連接(見(jiàn)圖13)，使頂管隧道與頂管機(jī)形成一個(gè)整體，防止頂管機(jī)“栽頭”。

(a) 單向閥

(b) 注漿孔位置圖

圖10　管節(jié)涂蠟

圖11　止退裝置

圖12　管節(jié)與頂管機(jī)螺栓連接

Fig. 12Bolt connection between tube elements and pipe jacking

machine

圖13　管節(jié)間自鎖型連接銷(xiāo)

8工程實(shí)施效果

8.1頂管推力理論計(jì)算公式

目前針對(duì)矩形頂管推力的計(jì)算尚無(wú)規(guī)范可依，可以經(jīng)圓形頂管推力計(jì)算公式進(jìn)行優(yōu)化。

FP=l0lfk+NF。

式中：FP為頂進(jìn)推力，kN；l0為管節(jié)周長(zhǎng)，大管節(jié)長(zhǎng)30.6 m，小管節(jié)長(zhǎng)23.2 m；l為盾構(gòu)頂進(jìn)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，取105 m；fk為管道外壁與土的單位面積平均摩阻力，取8.0 kN/m2；NF為頂管機(jī)的迎面阻力，kN，NF=Sp(S為頂管機(jī)開(kāi)挖面積;p為頂層迎面阻力平均值)。

8.2矩形頂管最大推力計(jì)算

注入觸變泥漿時(shí)，大頂管理論最大推力FP=8.0×30.6×105+67.7×150=35 859 kN； 小頂管理論最大推力FP=8.0×23.2×105+38.5×130=24 493 kN。

8.3實(shí)際推力

4條頂管隧道已于2014年8月30日全部貫通，實(shí)際推力匯總見(jiàn)圖14。

9結(jié)論與討論

針對(duì)超大斷面矩形頂管減阻技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)理論推力和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際推力的對(duì)比，得出如下主要結(jié)論。

1)本工程通過(guò)采用注漿孔布置、觸變泥漿配制、注漿管路優(yōu)化設(shè)計(jì)和管節(jié)涂蠟等減阻技術(shù)，使頂管推力得到了有效控制，減阻效果明顯，可為同類(lèi)工程提供借鑒和參考。

2)正常段頂管推進(jìn)過(guò)程中，頂管推力隨著掘進(jìn)距離的增大呈線性增加，在始發(fā)段、到達(dá)段頂進(jìn)推力發(fā)生突變，主要是由于端頭加固和泥漿泄露等原因造成的。

3)頂管施工中，形成良好的泥漿套是減小頂管推力的關(guān)鍵，如何通過(guò)控制注漿量和注漿壓力，在不同的地層中形成良好的泥漿套，有待今后進(jìn)一步研究。

圖14　4條頂管隧道實(shí)際推力曲線圖

4)觸變注漿孔沿管節(jié)周圈進(jìn)行布置，下部注漿孔在施工過(guò)程中基本未使用，在今后類(lèi)似的工程中，可根據(jù)工程實(shí)際情況減少或取消設(shè)置下部注漿孔。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]安關(guān)峰,殷坤龍,唐輝明.頂管頂力計(jì)算公式辨析[J].巖土力學(xué),2002,23(3): 358-361，367. (AN Guanfeng, YIN Kunlong, TANG Huiming. Discrimination and analysis of formulae for jacking forces in pipe jacking [J]. Rock and Soil Mechanics, 2002,23(3): 358-361，367. (in Chinese))

[2]方偉.淺談市政項(xiàng)目工程施工中的頂管技術(shù)分析[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2011(31): 99. (FANG Wei. Analysis of pipe jacking in municipal engineering construction [J]. Urban Construction Theory Research (Electronic Edition), 2011(31): 99.(in Chinese))

[3]朱錦峰.上海市中山醫(yī)院綜合樓地下通道的頂推施工技術(shù)[J].浙江建筑,2012,29(10): 38-42. (ZHU Jinfeng. The underground passage incremental launching technology of the complex building of Zhongshan Hospital in Shanghai [J].Zhejiang Construction, 2012,29(10): 38-42.(in Chinese))

[4]徐愛(ài)萍.淺談頂管技術(shù)在污水管網(wǎng)工程施工中的應(yīng)用[J].科學(xué)時(shí)代,2013(2): 92-95. (XU Aiping. Application of pipe jacking technology to sewage pipelines construction [J].Science Times, 2013(2): 92-95.(in Chinese))

[5]閔培雄,王鑫,劉桂榮.在砂質(zhì)土中的頂管施工技術(shù)[J].建筑施工,2008,30(1): 45-46. (MIN Peixiong, WANG Xin, LIU Guirong. Construction technology of pipe jacking in condition of sandy soil [J]. Building Construction, 2008,30(1): 45-46.(in Chinese))

[6]楊洋昶.土壓平衡頂管法穿越粉質(zhì)黏土夾粉砂層的應(yīng)用[J].商品與質(zhì)量： 建筑與發(fā)展,2013(9): 28-29. (YANG Yangchang. Pipe jacking technology based on EPB (earth pressure balance) principle to silty clay strata with silty sand [J].The Merchandise and Quality,2013(9): 28-29.(in Chinese))

[7]劉淑萍.長(zhǎng)距離頂管施工中存在的問(wèn)題及解決措施[J].山西建筑,2013,39(5): 72-74. (LIU Shuping. The existed problems and solutions of long distance pipe-jacking construction [J]. Shanxi Architecture,2013,39(5): 72-74.(in Chinese))

[8]王春婷,隆威.大口徑長(zhǎng)距離頂管工程泥漿配方試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,11(1): 106-111.(WANG Chunting, LONG Wei. Experimental study on the slurry formulation used for the large diameter long distance pipe-jacking project [J].Journal of Railway Science and Engineering, 2014,11(1): 106-111.(in Chinese))

[9]高彬.城市供水管道工程頂管施工技術(shù)初探[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2014(23): 3150-3151. (GAO Bin. Pipe jacking construction technology in urban water supplying pipeline engineering [J]. Urban Construction Theory Research (Electronic Edition), 2014(23): 3150-3151.(in Chinese))

[10]SHOU K, Yen J, LI M. 潤(rùn)滑劑摩擦特性及其對(duì)頂管推力和管-土相互作用的影響[C]// 2011年非開(kāi)挖技術(shù)會(huì)議論文集. 胡成超，譯.武漢：中國(guó)非開(kāi)挖技術(shù)協(xié)會(huì),2011(2): 82-90. (SHOU K, YEN J, LI M. Lubricant friction characteristics and its infulence on pipe jacking thrusting force and pipe-soil interaction [C]// Proceedings for the 2011 Trenchless Technology. Translator: HU Chengchao. Wuhan: China Society for Trenchless Technology, 2011(2): 82-90.(in Chinese))

[11]魏綱,魏新江.相鄰水平平行頂管推進(jìn)引起的附加荷載分析[J].巖土力學(xué),2006,27(11): 1992-1996. (WEI Gang, WEI Xinjiang. Analysis of superimposed load induced by propulsion of adjacent level parallel pipe-jacking [J]. Rock and Soil Mechanics, 2006,27(11): 1992-1996.(in Chinese))

[12]胡昕,黃宏偉.相鄰平行頂管推進(jìn)引起附加荷載的力學(xué)分析[J].巖土力學(xué),2001,22(1): 75-77. (HU Xin， HUANG Hongwei. Mechanical analysis of superimposed load introduced by propulsion of adjacent parallel pipe [J]. Rock and Soil Mechanics, 2001,22(1): 75-77.(in Chinese))

Application of Drag Reduction Technology to Extra-large Cross-sectional Rectangular Pipe Jacking: Case Study of Tunnel Crossing Underneath Zhongzhou Road in Zhengzhou

YANG Hongjun, RONG Liang, XU Hucheng

(ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China)

Abstract:The tunnel crossing underneath Zhongzhou Road in Zhengzhou is constructed by rectangular pipe-jacking. The thrusting force of the pipe-jacking is large due to its extra-large cross-section, shallow overburden, small spacing, long advancing distance and without using relaying chamber. In order to control the thrusting force effectively,the layout of grouting holes, preparation of thixotropic slurry, optimized design of grouting pipe and waxing of pipe surface are studied in detail. The results show that the drag reduction technologies used can achieve good effect.

Keywords:extra-large cross-section; rectangular pipe jacking; grouting drag reduction; pipe-jacking thrusting force; thixotropic slurry

中圖分類(lèi)號(hào)：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)04-0458-07

DOI:10.3973.j/issn.1672-741X.2016.04.014

第一作者簡(jiǎn)介：楊紅軍(1979—)，男，陜西岐山人，2003年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)，無(wú)機(jī)非金屬材料工程專(zhuān)業(yè)，本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事地下工程施工技術(shù)管理工作。E-mail: 155075247@qq.com。

收稿日期：2015-07-08； 修回日期： 2016-02-26