超大斷面矩形頂管隧道觸變泥漿減阻控制技術(shù)

劉常利，張占勝，張 浩，王發(fā)民

（1.中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401123；2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；3.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458）

1 工程概況

頂管是一種利用隧道掘進(jìn)機(jī)和始發(fā)井內(nèi)的推進(jìn)系統(tǒng)在地下進(jìn)行隧道開(kāi)挖的技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于下給排水管道、油氣管道、電力電信管道、人行通道及公路隧道等工程。矩形頂管隧道與圓形頂管隧道相比，面積利用率高20%左右，更為實(shí)用和經(jīng)濟(jì)。因此，目前矩形頂管越來(lái)越普遍，并朝著超大斷面發(fā)展。

嘉興市市區(qū)快速路下穿南湖大道頂管隧道，開(kāi)挖斷面14.82m×9.446m，是已建成斷面最大的天津新八大里黑牛城道頂管隧道（10.40m×7.55m）的1.8 倍，覆跨比僅為0.44，屬超大斷面淺埋矩形頂管隧道。隧道長(zhǎng)度100.5m，隧道南北線凈間距1.2m，先施工北側(cè)隧道，頂管到達(dá)接收井后拆運(yùn)至始發(fā)井二次始發(fā)施工南側(cè)隧道。隧道埋深5.68～6.54m，穿越地層主要有④1 粉質(zhì)黏土和④2 砂質(zhì)粉土，地下穩(wěn)定水位埋深為0.50～2.90m。

超大斷面頂管掘進(jìn)時(shí)將面臨更大的地層摩擦阻力，本文從觸變泥漿、頂管減摩注漿系統(tǒng)、管節(jié)注漿結(jié)構(gòu)及注漿參數(shù)等方面進(jìn)行了研究和優(yōu)化，形成了超大斷面頂管減阻控制技術(shù)，有效降低了掘進(jìn)過(guò)程中的總推力，研究成果將為今后大斷面頂管工程減摩注漿提供理論基礎(chǔ)和借鑒。

2 觸變泥漿配比試驗(yàn)

本工程頂管主要穿越粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)粉土地層，結(jié)合室內(nèi)泥漿配比試驗(yàn)結(jié)果及類(lèi)似工程觸變泥漿應(yīng)用情況，提出本工程觸變泥漿性能指標(biāo)：黏度＞60s、濾失量＜15mL/30min、24h 析水率為零。

選擇市場(chǎng)上頂管工程常用的3 種復(fù)合膨潤(rùn)土制漿劑進(jìn)行觸變泥漿配比試驗(yàn)，材料A 為復(fù)合型納基膨潤(rùn)土，材料B 為復(fù)合型鈣基膨潤(rùn)土，材料C 為復(fù)合型普通膨潤(rùn)土，3 種制漿劑還添加有一定比例的純堿、CMC、PHP 等外加劑。試驗(yàn)時(shí)控制泥漿固液比從2%逐漸增加至16%，測(cè)試不同固液比下泥漿黏度、濾失量及析水率，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。由黏度、濾失量及析水率隨時(shí)間變化曲線可以得出，不同制漿劑配制的泥漿黏度均隨固液比的增大逐漸增加，同時(shí)濾失量逐漸減小，在固液比為8%時(shí)24h 析水率均降至零。對(duì)比泥漿性能指標(biāo)可知制漿劑A 在固液比為10%時(shí)黏度、濾失量和失水量均達(dá)到要求，制漿劑B、C 固液比分別為12%、14%時(shí)性能達(dá)到要求，綜合成本、產(chǎn)量等多方面因素考慮，本工程最終選擇制漿劑A 配制觸變泥漿，泥漿固液比為12%。

圖1 泥漿黏度、濾失量和析水率變化情況

3 注漿系統(tǒng)及注漿參數(shù)優(yōu)化

人工控制觸變泥漿具有不確定性和盲目性，注漿壓力、注漿量、注漿時(shí)間均無(wú)法得到精準(zhǔn)控制。本工程頂管機(jī)采用自動(dòng)減摩系統(tǒng)，利用上位機(jī)及自動(dòng)球閥控制，可設(shè)置固定的注漿間隔時(shí)間及不同的注入模式，實(shí)現(xiàn)觸變泥漿按設(shè)定參數(shù)自動(dòng)注入。系統(tǒng)自動(dòng)控制減少注漿時(shí)的人為控制誤差，節(jié)約泥漿用量，提高注漿減摩效果，從而提高大斷面矩形頂管施工效率。

3.1 設(shè)備組成與控制原理

自動(dòng)注漿系統(tǒng)分為控制中心、制漿站，泵站，注漿管路（含壓力傳感器、閥門(mén)）。注漿控制系統(tǒng)全部由PLC 系統(tǒng)控制，上位機(jī)操作；制漿站包括制漿機(jī)與膨化儲(chǔ)存罐，按照配合比制備完畢后，儲(chǔ)存與儲(chǔ)存罐中分別膨化備用；泵站連接儲(chǔ)漿罐與注漿管路，2 個(gè)泵站分別于兩路注漿管路相連；注漿管路分為頂管機(jī)及管節(jié)前5 環(huán)同步注漿管路系統(tǒng)與5 環(huán)之后的二次補(bǔ)充注漿管路系統(tǒng)。注漿口的傳感器對(duì)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，施工時(shí)根據(jù)壓力及注漿量監(jiān)測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整注漿參數(shù)。同時(shí)，頂管機(jī)及管節(jié)前5 環(huán)的每個(gè)孔注漿壓力和注漿量均可單獨(dú)控制，進(jìn)而提高了注漿質(zhì)量。

3.2 管節(jié)注漿結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本工程對(duì)管節(jié)接頭部位注漿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖2 所示，結(jié)構(gòu)一為鄭州市下穿中州大道隧道工程頂管管節(jié)注漿結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)二為本工程管節(jié)注漿結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)一注漿時(shí)泥漿經(jīng)過(guò)注漿孔單向閥后直接進(jìn)入管節(jié)與地層間隙，將對(duì)已形成的泥漿套產(chǎn)生一定的沖刷和破壞，甚至擊穿地層，造成地表冒漿問(wèn)題。結(jié)構(gòu)二將注漿孔出口隱藏在鋼套環(huán)下，可有效減緩泥漿對(duì)地層的沖擊；外壁上開(kāi)設(shè)有環(huán)繞管節(jié)一周的儲(chǔ)漿槽，注漿時(shí)泥漿首先充滿儲(chǔ)漿槽，之后沿鋼套環(huán)與管節(jié)之間的環(huán)向出漿口均勻進(jìn)入管節(jié)與地層之間的空隙中，完整覆蓋管節(jié)外壁，有效提高了泥漿套形成質(zhì)量。

圖2 管節(jié)接頭部位兩種形式注漿結(jié)構(gòu)對(duì)比

如圖3 所示，本工程采用A、B 兩種型號(hào)管節(jié)（環(huán)寬均為1.5m）交替拼裝，注漿孔最終呈梅花形交錯(cuò)分布，單孔漿液擴(kuò)散半徑1.08m 即可將管節(jié)外壁全部覆蓋，比僅采用單一A 型或B 型管節(jié)時(shí)漿液擴(kuò)散距離減少了13.6%，確保了泥漿套形成質(zhì)量和注漿減摩效果。

圖3 注漿孔交錯(cuò)布置示意圖

3.3 注漿施工控制

減摩注漿分為同步注漿和二次補(bǔ)充注漿，同步注漿范圍為頂管機(jī)及管節(jié)前5 環(huán)，二次補(bǔ)充注漿范圍為5 環(huán)以后的各環(huán)管節(jié)。同步注漿確保頂管在掘進(jìn)過(guò)程中及時(shí)形成完整的泥漿套，二次補(bǔ)充注漿的作用是補(bǔ)充掘進(jìn)過(guò)程中泥漿滲透損失，維持泥漿套的穩(wěn)定和減磨效果。頂管注漿的原則：先壓后頂，隨頂隨壓，及時(shí)補(bǔ)漿。

3.3.1 注漿順序控制

頂管機(jī)及管節(jié)前5 環(huán)的同步注漿采用跳點(diǎn)循環(huán)壓注，圖4 為前盾和尾盾注漿孔布置，圖5 為管節(jié)注漿孔布置，按編號(hào)將注漿孔分為3 組，第一組為1、4、7…，第二組為2、5、8…，第組為3、6、9…，施工時(shí)3 組依次進(jìn)行循環(huán)注漿。5 環(huán)以后管節(jié)二次補(bǔ)充注漿時(shí)采取全斷面壓注方式。

圖4 前盾和尾盾注漿孔布置

圖5 管節(jié)注漿孔布置形式

3.3.2 注漿時(shí)機(jī)控制

為確定頂管掘進(jìn)時(shí)的最佳注漿時(shí)間，在14～17 環(huán)進(jìn)行了注漿試驗(yàn)，圖6 為各環(huán)總推力在注漿和停止注漿后的變化情況。由圖6(a)可以看出，總推力隨著注漿時(shí)間的增加而逐漸減小，第14 環(huán)在注漿80s 時(shí)總推力降至4 500t 左右，之后趨于平穩(wěn)，第15 環(huán)在注漿100s時(shí)、第16、第17環(huán)在注漿120s 時(shí)，總推力下降至較小值，因此，設(shè)定觸變泥漿注入時(shí)間為上述4 環(huán)最大值120s。由圖6(b)可知，在停止注漿后的30s 內(nèi)總推力緩慢增加，30～45s 內(nèi)總推力迅速增大，增大幅度為100～200t，45s后總推力在較大值附近波動(dòng)。因此，根據(jù)停止注漿后總推力變化情況，設(shè)定注漿間隔時(shí)間為30s。綜上，在頂管掘進(jìn)過(guò)程中同步注漿采取每注漿120s，間歇30s 的方式循環(huán)注漿。

圖6 總推力隨時(shí)間變化規(guī)律

3.3.3 注漿量和注漿壓力控制

頂管機(jī)外殼直徑較管節(jié)大2cm，留有建筑空隙由觸變泥漿填充，在減阻的同時(shí)，依靠自身承壓性支撐土體以及降低背土效應(yīng)，注漿量和注漿壓力也是影響泥漿減摩效果的關(guān)鍵因素。

頂管掘進(jìn)過(guò)程中為有效填充建筑空隙，同時(shí)考慮頂管頂部3cm 的超挖量，每掘進(jìn)1 環(huán)的同步注漿量取理論空隙體積的2.5～4 倍，即控制在3.12～5.15m3之間，注漿壓力取注漿孔所在位置地層土壓力的1.2～1.35 倍，不同區(qū)域同步注漿量和注漿壓力范圍如表1 所示。施工過(guò)程中當(dāng)實(shí)際出渣量大于理論出渣量時(shí)注漿量和注漿壓力均取較大值，出渣量正常時(shí)取較小值；當(dāng)開(kāi)挖地層砂性土層占比大時(shí)，由于砂性地層泥漿滲透損失大，因此注漿量取較大值，同時(shí)注漿壓力取較小值，而當(dāng)粘性土地層占比大時(shí)注漿量取較小值，注漿壓力取較大值。5 環(huán)之后的二次補(bǔ)充注漿量為單環(huán)同步注漿量的1/30～1/20，注漿壓力為地層土壓力的1.3 倍。

表1 管節(jié)外不同區(qū)域注漿參數(shù)

4 頂管總推力理論值與實(shí)測(cè)值

4.1 頂管總推力理論值

總推力由推進(jìn)機(jī)前端的迎面阻力和管壁外周摩阻力決定，總推力隨頂進(jìn)距離的增加而增大。在正常推進(jìn)中，總推力的增大是緩慢的，在到達(dá)接收端時(shí)達(dá)到最大。

本工程頂管機(jī)自重7 700kN，單環(huán)管節(jié)自重1 350kN，通過(guò)計(jì)算掘進(jìn)不同距離時(shí)所需的總推力，得到總推力隨掘進(jìn)距離變化曲線（圖7），其中開(kāi)挖面地層反力為23 424.25kN。頂管隧道掘進(jìn)完成時(shí)的最大總推力為138 136.39kN。

圖7 頂管掘進(jìn)期間各環(huán)總推力均值變化曲線

4.2 總推力實(shí)測(cè)值

圖8 為頂管掘進(jìn)期間各環(huán)總推力平均值變化曲線。由圖8 可知，在頂管通過(guò)始發(fā)和接受加固區(qū)時(shí)，由于地層加固的原因，總推力急速增大，通過(guò)加固區(qū)后推力迅速下降。其中，北線最大推力116 732kN，南線最大推力118 768kN。南北線最大總推力均小于理論計(jì)算最大值138 136.39kN。總推力理論值與實(shí)際值在出8～30環(huán)二者吻合度較高，30 環(huán)之后理論值大于實(shí)際值，且隨著掘進(jìn)距離的增加二者差值逐漸加大，說(shuō)明采取的各項(xiàng)減阻措施減阻效果較好。

圖8 頂管總推力擬合結(jié)果

對(duì)10～60 環(huán)內(nèi)的總推力進(jìn)行線性擬合，得到北線、南線總推力與掘進(jìn)距離L（包括頂管主機(jī)長(zhǎng)度）的關(guān)系如下。

北線：T北線=(41934.9+468.2L)kN

南線：T南線=(43710.0+487.5L)kN

上式中兩個(gè)常數(shù)41 934.9kN 和43 710.0kN分別為頂管掘進(jìn)過(guò)程中開(kāi)挖面地層反力，是理論計(jì)算值的1.8 倍左右，原因是為控制超挖和地表沉降，掘進(jìn)期間倉(cāng)內(nèi)渣土壓力均設(shè)置在較高值，因此增大了頂管所受地開(kāi)挖面地層反力。頂管每掘進(jìn)1m 總推力增加468.2～487.5kN，即每米管節(jié)受地層摩擦阻力468.2～487.5kN，每米管節(jié)表面積為41.4m2，計(jì)算算得到管節(jié)與地層的實(shí)際平均摩擦系數(shù)為0.086，鄭州市紅專(zhuān)路下穿中州大道頂管隧道計(jì)算的實(shí)際摩擦系數(shù)為0.132，對(duì)比可知本工程觸變泥漿減阻效果較好。

5 結(jié)論

為提高注漿減摩效果,超大斷面矩形頂管下穿南湖大道隧道工程采用了自動(dòng)注漿系統(tǒng)，同時(shí)優(yōu)化了管節(jié)注漿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)觸變泥漿配比試驗(yàn)最終選擇復(fù)合型納基膨潤(rùn)土作為本工程觸變泥漿制漿劑，泥漿固液為12%。對(duì)比分析理論推力和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際推力得出如下主要結(jié)論。

1）本工程頂管機(jī)采用自動(dòng)注漿系統(tǒng)，頂管掘進(jìn)時(shí)注漿壓力、注漿量、注漿時(shí)間均可得到精準(zhǔn)控制，并能結(jié)合注漿孔分布設(shè)定不同的注漿模式。使用自動(dòng)注漿系統(tǒng)避免了人工注漿的不確定性和盲目性，有效節(jié)約了泥漿用量，提高了注漿減摩效果，從而提高頂管施工效率。

2）對(duì)管節(jié)注漿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，在各環(huán)管節(jié)外側(cè)設(shè)計(jì)了沿管節(jié)一周的儲(chǔ)漿槽，避免了漿液直接沖刷地層，同時(shí)采用A、B 兩種注漿孔交替布置的管節(jié)，減小了單孔覆蓋范圍，進(jìn)而提高了注漿的均勻性和泥漿套形成質(zhì)量。通過(guò)分析不同注漿時(shí)間下總推力變化情況，確定了泥漿的注入時(shí)間和間隔時(shí)間，保障注漿減摩效果的同時(shí)降低了泥漿用量。

3）頂管頂進(jìn)總推力均隨掘進(jìn)距離線性增加，左、右線最大值分為116 732kN和118 768kN，開(kāi)挖面地層反力的大小約為41 934.9～43 710.0kN，管節(jié)與地層實(shí)際摩擦系數(shù)僅有0.086。對(duì)比總推力理論值和實(shí)際值可以得出，本工程采用的各項(xiàng)措施提高了注漿減摩效果，有效降低了超大斷面矩形頂管的總推力，可為今后同類(lèi)大斷面頂管工程提供借鑒和參考。