淺析長(zhǎng)距離頂管過(guò)程中觸變泥漿技術(shù)應(yīng)用研究

童聰 韓軍偉

摘? 要：在長(zhǎng)距離頂管工程中，使用觸變泥漿技術(shù)可減小單位長(zhǎng)度頂管頂力，對(duì)控制工程投資、提高建設(shè)效率具有重要意義。本文結(jié)合昆明市某排水工程頂管案例，對(duì)頂管工程觸變泥漿作用機(jī)理進(jìn)行研究，對(duì)比分析了在優(yōu)化工藝條件下觸變泥漿對(duì)頂力的影響，得出觸變泥漿技術(shù)對(duì)減小頂管頂力具有關(guān)鍵作用的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：頂管;觸變泥漿;頂力;減阻

中圖分類(lèi)號(hào)：U455? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2020）07-0000-00

1 工程概況

昆明市環(huán)湖東路轉(zhuǎn)輸通道工程全長(zhǎng)約4.831km，共設(shè)置14座沉井，13個(gè)頂管段。本工程采用泥水平衡頂管機(jī)作業(yè)，頂管機(jī)頭直徑為3.1m，管道外徑為3m。頂管層埋深在13.5～15.8m，管線(xiàn)范圍內(nèi)地質(zhì)情況主要為粉砂層，局部為中密黏土，呈層狀分布。工程區(qū)域地下水位為地表以下0～4.5m。

2 頂管工程觸變泥漿作用機(jī)理

在大直徑頂管施工中，頂管機(jī)頭的直徑一般會(huì)比管道直徑大30～50mm，導(dǎo)致管道與土體之間有一定空隙，在空隙中注入減阻材料，如泥漿、膨潤(rùn)土等，可有效減小管道與土體之間的摩阻力，從而減小頂管總頂力，這是觸變泥漿技術(shù)的基本原理。

膨潤(rùn)土是制作觸變泥漿最常用的材料，膨潤(rùn)土的主要成分是一種叫蒙脫土的粘土礦物。膨潤(rùn)土具有兩個(gè)主要特性：一是遇水膨脹特性，二是膨潤(rùn)土懸浮液的觸變性，即懸浮液靜止時(shí)結(jié)成凝膠，一旦運(yùn)動(dòng)起來(lái)則變成溶膠。這決定了觸變泥漿在頂管施工中具有填充、支撐和潤(rùn)滑作用[1]。

3 理論頂力計(jì)算

目前國(guó)內(nèi)外提出了許多頂管頂力計(jì)算公式，現(xiàn)行的頂力計(jì)算公式是在假設(shè)管軸線(xiàn)不偏移的基礎(chǔ)上建立的。由于本工程管軸線(xiàn)平均坡比是萬(wàn)分之五，近乎水平，且頂進(jìn)過(guò)程中采用觸變泥漿技術(shù)，符合公式適用條件。根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS246：2008），泥水平衡式頂管頂力計(jì)算理論公式如下：

F=πD_1 Lf_k+N_F? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1-1）

N_F=π/4 D_g^2 γ_s H_s? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ?（1-2）

式中： F—總頂力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）;D_1—管道外徑（m）;L—管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度（m）;f_k—管道外壁與土體的平均摩阻力（kN/m2）;N_F—頂管機(jī)迎面阻力（kN）;D_g—頂管機(jī)外徑（m）;γ_s—土的重度（kN/m3）;H_s—覆蓋層厚度（m）。

根據(jù)本工程管道埋深及地質(zhì)資料顯示，管道平均埋深15m，即H_s=15m，粉砂土層土體重度為γ_s=18.72kN/m3，頂管機(jī)外徑D_g=3.1m。根據(jù)公式（1-2）計(jì)算可得，頂管機(jī)迎面阻力N_F=2118.3kN。

本工程實(shí)際所能提供的最大頂力只有25600kN（8個(gè)油缸，每個(gè)油缸3200kN），與長(zhǎng)距離頂管段所需理論頂力相差較遠(yuǎn)。因此如何科學(xué)使用觸變泥漿技術(shù)進(jìn)行有效減阻，進(jìn)而保證實(shí)現(xiàn)頂通目標(biāo)，是本工程面臨的重難點(diǎn)問(wèn)題。

4觸變泥漿對(duì)頂力的影響分析

為研究長(zhǎng)距離頂管觸變泥漿技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題，有效減小長(zhǎng)距離頂管頂力。本工程選取頂進(jìn)長(zhǎng)度最小的頂管段作為試驗(yàn)頂管段，在應(yīng)用觸變泥漿技術(shù)后，對(duì)累計(jì)頂距與頂力的關(guān)系進(jìn)行記錄分析，獲得相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，對(duì)觸變泥漿技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，并將其運(yùn)用到長(zhǎng)距離頂管段，具體分析如下。

4.1試驗(yàn)頂管段

在全線(xiàn)開(kāi)工之前，工程選取13號(hào)井頂與14號(hào)井頂管段（區(qū)間長(zhǎng)度為208m）作為試驗(yàn)段。該段區(qū)間管線(xiàn)最短，即使出現(xiàn)問(wèn)題也能及時(shí)糾正，施工風(fēng)險(xiǎn)較小。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段的研究，獲得本工程頂管摩阻力的實(shí)際取值范圍，總結(jié)觸變泥漿技術(shù)的控制要點(diǎn)，為長(zhǎng)距離頂管段施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

試驗(yàn)段觸變泥漿配合比：膨潤(rùn)土﹕水=1﹕10（質(zhì)量比），注漿壓力控制在0.3～0.4Mpa之間。根據(jù)樣品檢測(cè)報(bào)告，膨潤(rùn)土造漿率為38.2m3/t。在不考慮滲流影響情況下，理論上每延米所需觸變泥漿填充量為0.48m3。由于在富水粉砂地層中漿液會(huì)滲透流失，實(shí)際注漿量將遠(yuǎn)大于理論填充量。本段實(shí)際使用膨潤(rùn)土總量為18t，觸變泥漿使用總量為687.6m3，每延米觸變泥漿使用量為3.3m3，是理論填充量的6.9倍。

根據(jù)試驗(yàn)段累計(jì)頂距與頂力數(shù)據(jù)記錄，擬合得到累計(jì)頂距與頂力關(guān)系曲線(xiàn)圖如圖1所示。

4.2長(zhǎng)距離頂管段

本工程的13號(hào)井頂與12號(hào)井頂管段長(zhǎng)度為530.9m，屬于長(zhǎng)距離頂管。按照試驗(yàn)段的平均摩阻力f_k=4.73kN/m2計(jì)算，其最大頂力值為25773.4kN，超過(guò)油缸能提供的最大頂力25600kN。為保證長(zhǎng)距離頂管段順利實(shí)施，采取設(shè)置中繼間和進(jìn)一步優(yōu)化觸變泥漿技術(shù)的雙重保險(xiǎn)方案。結(jié)合試驗(yàn)段總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，觸變泥漿技術(shù)及配套施工工藝優(yōu)化措施如下：（1）做好進(jìn)洞口加固措施，采用雙重橡膠止水圈止水，避免洞口滲水滲漿;（2）嚴(yán)控軌道安裝精度，使頂管油缸軸線(xiàn)與管道軸線(xiàn)偏差在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，確保頂力有效傳遞;（3）落實(shí)施工保障工作，避免停機(jī)，保證頂管連續(xù)施工;（4）管節(jié)外壁噴涂石蠟，利用石蠟的乳化性、潤(rùn)滑性等特性來(lái)使管節(jié)表面光滑，進(jìn)一步減小管道與觸變泥漿之間的剪切應(yīng)力;（5）持續(xù)保持注漿壓力，避免漿液順管流失。由于觸變泥漿在富水粉細(xì)砂地層中會(huì)滲透流失，前期已注入段需定時(shí)補(bǔ)灌注漿，形成持續(xù)穩(wěn)定的泥漿套。本段實(shí)際使用膨潤(rùn)土50t，觸變泥漿使用總量為1910m3，每延米觸變泥漿使用量為3.6m3，大于試驗(yàn)段單位使用量，是理論填充量的7.5倍。

采取以上措施后，本段在未啟動(dòng)中繼間的情況下，順利完成了長(zhǎng)距離頂管施工。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，擬合得到累計(jì)頂距與頂力關(guān)系曲線(xiàn)圖如圖2所示。

根據(jù)曲線(xiàn)圖分析，并對(duì)比試驗(yàn)段成果，得出以下結(jié)論：（1）長(zhǎng)距離頂管段最大頂力為19558.3kN，遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值42126.9kN;（2）通過(guò)優(yōu)化觸變泥漿技術(shù)及配套施工工藝，本段在未啟動(dòng)中繼間的情況下順利頂通，充分驗(yàn)證了觸變泥漿技術(shù)在頂管施工中具有良好的減阻效果[2]; （3）根據(jù)擬合曲線(xiàn)斜率36.402計(jì)算，長(zhǎng)距離頂管段的平均摩阻力為f_k=3.86kN/m2;（4）長(zhǎng)距離頂管段平均摩阻力小于試驗(yàn)段，說(shuō)明本段采取的觸變泥漿技術(shù)優(yōu)化措施是科學(xué)有效的;（5）在控制投資、合理投入、保證頂通的前提下，富水粉細(xì)砂地層頂管采用觸變泥漿技術(shù)，其平均摩阻力至少能達(dá)到3.0～4.0kN/m2。

5結(jié)語(yǔ)

觸變泥漿在長(zhǎng)距離頂管過(guò)程中具有良好的減阻效果，能有效減小總頂力、增加頂距，提高頂管效率，從而減少工程投資。昆明市環(huán)湖東路轉(zhuǎn)輸通道工程通過(guò)試驗(yàn)段的經(jīng)驗(yàn)積累和分析，進(jìn)一步優(yōu)化觸變泥漿使用技術(shù)、完善配套施工工藝，完成了富水粉細(xì)砂地層的長(zhǎng)距離頂管施工。該工程的成功經(jīng)驗(yàn)，為類(lèi)似地質(zhì)條件地層長(zhǎng)距離頂管工程提供了參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)

葛春輝.頂管工程設(shè)計(jì)與施工[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]謝永和，林鳳霞.管壁噴蠟法在頂管施工中的應(yīng)用[J].給水排水，2008（8）：98-99.

收稿日期：2020-06-05

作者簡(jiǎn)介：童聰（1988—），男，湖北武漢人，碩士，工程師，研究方向：工程管理。

Analysis on the Application Research of Thixotropic mud Technology in the Process of Long-distance Pipe Jacking

TONG Cong， HAN Junwei

（China Power Construction Group Kunming Survey， Design and Research Institute Co.， Ltd.， Kunming? Yunnan? 650051）

Abstract：In long-distance pipe jacking projects， the use of thixotropic mud technology can reduce the jacking force per unit length， which is of great significance for controlling project investment and improving construction efficiency.Based on the case of a pipe jacking in a drainage project in Kunming， this paper studies the mechanism of the thixotropic mud in the pipe jacking project， and compares and analyzes the influence of the thixotropic mud on the jacking force under the optimized process conditions.The conclusion that the pipe top force plays a key role.

Keywords： pipe jacking; thixotropic mud; jacking force; drag reduction