富水砂礫層長(zhǎng)距離大直徑頂管減阻施工技術(shù)

謝尚兵

富水砂礫層長(zhǎng)距離大直徑頂管減阻施工技術(shù)

謝尚兵

（中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北廊坊，065201）

目前頂管采用注漿減阻工藝，管外壁的摩阻力主要取決于注漿效果的好壞，減阻工作不到位給施工帶來(lái)諸多弊端。針對(duì)富水砂礫層，對(duì)長(zhǎng)距離大直徑頂管頂進(jìn)注漿減阻施工進(jìn)行了分析，并對(duì)與其相關(guān)的接收井加固及洞門密封等方面加以探討，并提出了有效方法。最終實(shí)現(xiàn)了在砂礫層中一次頂進(jìn)貫通的成功實(shí)踐，對(duì)今后類似工程起到了一定借鑒意義。

長(zhǎng)距離大直徑；富水砂層；減阻；施工技術(shù)

引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的飛躍發(fā)展，大直徑頂管在城市地下綜合管廊等建設(shè)方面，應(yīng)用越來(lái)越廣，但相關(guān)技術(shù)要求、施工標(biāo)準(zhǔn)等將會(huì)越來(lái)越高，頂管施工技術(shù)需要不斷地提高和更新，以滿足社會(huì)不斷發(fā)展的要求。

1　工程注漿減阻不到位缺陷分析

在某地鐵配套地下電纜隧道工程采用頂管法施工中，管節(jié)采用內(nèi)徑3.2 m、外徑3.8 m、壁厚30 cm的鋼筋混凝土管，區(qū)間最長(zhǎng)達(dá)到400 m，此為典型的長(zhǎng)距離大直徑施工。區(qū)間主要穿越中砂、中粗砂、粗砂混礫石地層。始發(fā)、接收端采用Φ850@600三軸攪拌樁加固，加固體長(zhǎng)度3 m，寬度為管外壁上下左右各2 m。

本工程采用土壓掘進(jìn)泥水出渣模式頂管法施工，始發(fā)端洞門采用雙簾幕橡膠止水密封，接收側(cè)為單層簾幕橡膠扇形壓板的形式。

在長(zhǎng)距離頂管施工采用注漿減阻技術(shù)時(shí)，頂進(jìn)阻力過(guò)大會(huì)帶來(lái)許多弊病。例如，液壓泵站過(guò)載油溫高無(wú)法工作，造成砼管材出現(xiàn)裂縫、鋼后靠背變形；頂管機(jī)抱死導(dǎo)致無(wú)法頂進(jìn)，造成頂管失敗。因此，做好減阻工作，有效地控制摩阻力對(duì)順利完成頂管施工非常重要。

2　減阻影響因素及注漿目標(biāo)

注泥漿時(shí)，減阻效果需要考慮以下三方面：一是泥漿減阻效果需要考慮到膨潤(rùn)土的選擇、泥漿配比、泥漿攪拌的充分程度、靜置時(shí)間長(zhǎng)短等；二是注漿方法、注漿順序、注漿壓力、注漿量以及地層疏松密實(shí)程度等因素；三是洞門密封嚴(yán)密程度，特別是敞開式接收端洞門。另外，加固體長(zhǎng)度及強(qiáng)度等因素將會(huì)直接影響到減阻的效果。

施工前，掘進(jìn)面盤開挖直徑較管節(jié)外徑大40 mm（刀盤Φ3 840 mm，管節(jié)外徑Φ3 800 mm，前盾較中盾外徑大20 mm），確保有足夠厚度的泥漿套。

為了確保砂層中觸變泥漿有效地注入，減少土體與管道之間的摩阻力，在管道外壁壓注觸變泥漿，在管道四周形成一圈泥漿套，以達(dá)到減摩效果和減少地層應(yīng)力損失控制地面沉降，在施工期間要求泥漿不失水、不沉淀、不固結(jié)[1]。頂管機(jī)尾部的同步注漿要與管節(jié)頂進(jìn)保持同步，為了補(bǔ)充頂進(jìn)中的泥漿損失，及時(shí)進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償注漿。

3　注漿施工技術(shù)

3.1同步注漿施工方法

同步注漿施工步驟主要有五步：

（1）試壓：在頂管機(jī)尾部、注漿泵位置均安裝壓力表，觀察控制和調(diào)整注漿壓力，在注漿設(shè)備安裝完成并通過(guò)專人檢查后，進(jìn)行注水加壓試驗(yàn)[2]。

（2）泥漿配合比：同步注漿要求使用粘滯度高、失水量小、穩(wěn)定性好的漿液；跟蹤補(bǔ)償注漿要求使用粘滯度較小，流動(dòng)性較大的泥漿。減阻泥漿采用單液注漿，調(diào)配泥漿的組成材料為NV-1鈉基膨潤(rùn)土、水以及一定體積比的外加溶液，具體泥漿配合比見(jiàn)表1。

表1　泥漿配合比

（3）注漿管路系統(tǒng)：為了使頂管外壁能形成更好的潤(rùn)化泥漿減阻套，在管節(jié)內(nèi)宜設(shè)兩套獨(dú)立注漿系統(tǒng)。一套為壓入頂管機(jī)尾部的同步注漿系統(tǒng)，另一套為頂進(jìn)管節(jié)外壁補(bǔ)償注漿系統(tǒng)。

（4）注漿孔的布置：同步注漿以機(jī)頭尾部注漿孔以及尾部后5節(jié)管道上的注漿孔為主，每節(jié)管道預(yù)留4只注漿孔壓漿（如圖1所示），相鄰注漿斷面的孔位平行布置，以后補(bǔ)償注漿孔每隔1節(jié)預(yù)留注漿孔。在注漿軟管與管節(jié)注漿孔間安裝一個(gè)單向止回閥，阻止管壁外的砂倒灌，導(dǎo)致注漿孔堵塞而出現(xiàn)無(wú)法正常注入的情況，且能避免回漿現(xiàn)象造成泥漿套殘缺[3]。

（5）壓漿方法：同步注漿必須先注后頂。頂管施工過(guò)程中由于機(jī)頭向前移動(dòng)，泥漿套容積不斷擴(kuò)大，如不及時(shí)注漿，泥漿套壓力下降，產(chǎn)生抽吸作用，極易造成管壁外建筑間隙的坍塌，土體塌入泥漿套，導(dǎo)致泥漿套殘缺不全。

圖1　管節(jié)注漿孔布置

壓漿時(shí)必須遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時(shí)補(bǔ)漿”的原則，因此同步注漿必須先注后頂，并且由下往上注漿。

補(bǔ)漿的順序必須保持由后向前。在頂進(jìn)一百米范圍以后的補(bǔ)漿斷面上可每間隔12 h進(jìn)行補(bǔ)漿。

3.2注漿施工參數(shù)

（1）注漿壓力：同步注漿時(shí)要求在地層中的漿液壓力大于該點(diǎn)的靜止水土壓力之和，盡量做到填補(bǔ)而不宜劈裂地層。注漿壓力過(guò)大時(shí)，漿液擾動(dòng)管節(jié)外壁地層，造成地表隆起并會(huì)出現(xiàn)淺埋段跑漿的情況；而注漿壓力過(guò)小時(shí)，漿液注入速度過(guò)慢，填充不充分從而破壞泥漿套的完整性，極易出現(xiàn)阻力增大和地表沉降過(guò)大。

根據(jù)計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)，本工程管節(jié)注漿孔口理論注漿壓力取值為0.12～0.15 MPa?？紤]在頂進(jìn)過(guò)程中，注漿壓力和注漿量可根據(jù)地面變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做適當(dāng)調(diào)整。

（2）注漿量：一般壓漿量為管道外周環(huán)形空隙2～3倍，根據(jù)計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)，每節(jié)管道外注漿量為1.2～1.8 m3；

補(bǔ)漿數(shù)量：補(bǔ)漿的數(shù)量控制在建筑間隙的0.15倍，根據(jù)計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)，每節(jié)管道外圍補(bǔ)漿0.1～0.12 m3。

（3）注漿時(shí)間及速率：同步注漿速度宜與頂進(jìn)的速度相匹配，根據(jù)頂管機(jī)頂進(jìn)速度，每循環(huán)的總注漿量宜勻速、均勻地注入。注漿泵采用BW-250型泥漿泵，最小流量為35 L/min。根據(jù)相關(guān)盾構(gòu)隧道的施工經(jīng)驗(yàn)，預(yù)測(cè)頂管機(jī)頂推速度為40 mm/min左右，頂管機(jī)頂進(jìn)一環(huán)需要約60 min，按每節(jié)管壁后注入1 200 L泥漿計(jì)算，注漿泵需要連續(xù)注入34 min，即按73 mm/min的頂進(jìn)速率進(jìn)行同步注漿。但實(shí)際注漿速度以及掘進(jìn)速度需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況不斷地進(jìn)行調(diào)整確定。

（4）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：采用注漿壓力和注漿量雙控標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定值，或注漿量達(dá)到計(jì)算量時(shí)，視為注漿滿足要求，但在實(shí)際操作過(guò)程中宜以注漿量控制為主。

最后進(jìn)行注漿效果檢查：①注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力值后，停止注入；②注漿壓力未達(dá)到設(shè)計(jì)壓力值，但注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量；③根據(jù)監(jiān)測(cè)情況判斷是否需要繼續(xù)注漿；④可根據(jù)頂推力變化數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，判斷是否補(bǔ)漿，對(duì)未滿足要求的，應(yīng)進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿。

聚類分析是數(shù)據(jù)挖掘中的一種分析方法，根據(jù)樣本對(duì)象關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)相似性自動(dòng)分為多類，同一類中的樣本對(duì)象有較高的相似度，類間的樣本對(duì)象相異。聚類的方法主要有：以劃分為基礎(chǔ)的K-means聚類算法，以層次為基礎(chǔ)的聚類算法，以密度為基礎(chǔ)的方法等［3］，筆者將采用K-means聚類算法進(jìn)行成績(jī)定性評(píng)價(jià)。

4　減阻作用

4.1雙簾幕橡膠+壓環(huán)止?jié){

止?jié){裝置安裝在頂進(jìn)井洞口預(yù)埋鋼環(huán)上，防止地下水、流砂或減阻泥漿從管節(jié)外壁與洞門的間隙處滲出[4]，本工程采用雙簾幕橡膠止水圈+壓環(huán)的洞門密封形式（制作示意及效果如圖2和圖3所示），它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用雙簾幕橡膠止?jié){，兩道簾幕橡膠間填充惰性漿液隔離，防漏漿效果好；

（2）壓環(huán)整體性好，受力較扇形壓板好；

（3）壓環(huán)與管節(jié)間縫隙小，可有效地避免因注漿壓力大使簾幕橡膠外翻情況，止?jié){效果明顯，洞門注漿減阻效果好。

圖2　雙簾幕橡膠+壓環(huán)制作示意圖

圖3　雙簾幕橡膠+壓環(huán)止水效果圖

4.2減阻與加固體、機(jī)頭出洞間關(guān)系

頂管主機(jī)位于加固體中時(shí)，頂推力會(huì)出現(xiàn)偏大的情況，同步注入的泥漿從洞口滲出，注漿減阻作用減弱，出洞風(fēng)險(xiǎn)高，解決方法有：

（1）在前期土體加固時(shí)，可考慮適當(dāng)降低加固體強(qiáng)度；

（2）適當(dāng)加大刀盤直徑，加厚刀盤耐磨層厚度；

（3）施工過(guò)程中利用導(dǎo)向油缸調(diào)向，調(diào)整出洞姿態(tài)；

（4）利用導(dǎo)向油缸的牽引力出洞；

（5）啟用中繼間；

（6）采用密封的套筒接收方式。

解決出洞頂推力與注漿減阻、頂管姿態(tài)、加固體相互關(guān)系的方法，是頂管探討、研究的重點(diǎn)。

5　效果對(duì)比

根據(jù)砂層特性、地下水位等不斷地進(jìn)行配比試驗(yàn)，總結(jié)出了各類砂層中的泥漿性能指標(biāo)，具體如圖4所示。施工過(guò)程中加入了漿液體積1%～3%聚丙烯酰胺高分子聚合物溶液[5]，提高泥漿性能的作用明顯。

圖4　區(qū)間頂推頂力曲線圖

6　結(jié)束語(yǔ)

在工程實(shí)踐中得出以下經(jīng)驗(yàn)，供同行借鑒：

（1）選擇優(yōu)質(zhì)的膨潤(rùn)土材料，根據(jù)砂層特性配制出適用于不同砂層的泥漿，并添加一定比例的聚合物溶液，能夠使得泥漿在頂進(jìn)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)均可以保持良好的觸變性；

（2）頂管進(jìn)洞至出洞的整個(gè)推進(jìn)過(guò)程中，盡可能確保頂管設(shè)備性能的完好性，達(dá)到連續(xù)、不間斷性施工，使泥漿觸變性能達(dá)到最佳化；

（3）采用半自動(dòng)或自動(dòng)化水平程度較高的同步注漿和二次補(bǔ)漿的操作系統(tǒng)，并輔以人工巡查，在長(zhǎng)距離大直徑頂管施工中作用明顯；

（4）在富水砂層注漿減阻施工過(guò)程中，特別注意洞門密封以及接收方式，將會(huì)直接影響到減阻效果。

[1]田路, 王靜靜. 淺談市政工程頂管施工[J]. 科技致富向?qū)? 2012(17): 225.

[2]鐘曉暉. 長(zhǎng)距離管道頂進(jìn)注漿減阻施工技術(shù)應(yīng)用[J]. 建筑施工, 2010, 32(11): 1155-1157.

[3]馬保松. 頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范(試行)[S]. 中國(guó)非開挖技術(shù)協(xié)會(huì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),2006: 46-48.

[4]劉燦生,黃毅軒. 給排水工程施工手冊(cè):第二版[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002: 437-439.

[5]余彬泉,陳傳燦. 頂管施工技術(shù)[M]. 北京: 人民交通出版社,2007: 164-166.

Resistance Reduction Construction Technology of Long Distance and Large Diameter Pipe in Rich Water Sand and Gravel Layer

XIE Shang-bing
(China Railway No.2 Tunnel Group Co., Ltd., Langfang, Hebei, 065201, China)

At present, pipe jacking adopts injected resistance reduction, so frictional resistance of outer tube wall mainly depends on the injection effect. Unfulfillment of resistance reduction brings out disadvantages of project. Factors in layers of rich water sand and gravel, such as jacking injection grouting resistance reduction for long distance and large diameter pipe, reinforcement of receiving well, and portal sealing are analyzed, and feasible methods are carried out. Finally, a success practice of once top through in sand layer is realized, indicating referential significance for similar projects afterwards.

Long Distance and Large Diameter; Rich Water Sand; Drag Reduction; Construction Technique

TV554+.5

A

2095-8412 (2016) 05-969-04工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.038

謝尚兵(1979-)，男，工程師，本科。研究方向：地下工程。

E-mail: 452627960@qq.com