鄭州黃河頂管工程注漿減阻技術的應用

閻向林

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100)

0 引言

頂管施工控制頂力上升一直是頂管施工的難題，特別是在富水流砂卵石地層環境下掘進時的注漿減阻控制頂力更是難題。目前國內相關研究主要是短距離中小孔徑的頂管，大多是以采取傳統的膨潤土觸變泥漿減阻護壁的施工措施來滿足施工要求。文獻［1］探討了頂管頂進及施工結束后的注漿工藝;文獻［2］分析了膨潤土在頂管施工中的作用機制及其在頂管施工中的有效應用;文獻［3］探討了頂管頂進及結束后的注漿工藝;文獻［4］闡述了混凝土管頂管的施工步驟及施工工藝;文獻［5］分析了鋼頂管施工中存在問題及其解決措施;文獻［6-7］通過收集和篩選進行頂力及各參數的計算;文獻［8］根據頂力變化規律，提出中繼間的設計選擇原則;文獻［9］對長距離大口徑鋼管頂管施工中漿液與管道以及周圍土體之間的相互作用機制進行了分析，探討了注漿減阻施工工藝。而長距離大口徑復雜地層頂管的效果取決于減阻效果，對漿液的要求很高，目前國內研究相對較少。本文以西氣東輸黃河頂管工程為例，主要從注漿減阻進行研究，總體籌劃選擇注漿材料和注漿工藝。在富水復雜地質、超長距離、大深度、大口徑、高精度、自動化泥水平衡頂管技術領域研究出了新的注漿減阻技術，為長大輸氣管道施工提供了一條快速高效環保的新途徑，解決了類似地質條件頂管技術難點。

1 工程概況

西氣東輸管道工程是我國實施西部大開發戰略的標志性工程之一，鄭州黃河頂管工程是西氣東輸管道工程的咽喉工程，工程地點位于鄭州黃河公路大橋上游30km處黃河孤柏嘴至官莊峪河段的主河槽內。管道呈西北至東南走向，全長3 600 m，埋深約25 m，內徑1．8 m，壁厚22 mm。整個工程由4座沉井(原設計5座，后變更取消2#井)和3個頂進區間組成:1，5#井為工作井，4#井為接收井，3#井既是工作井又是接收井;3個頂進區間是1—3#井(1 175 m)、3—4#井(1 166 m)和5—4#井(1 259 m)。工程采用泥水加壓平衡頂管施工工法，設備使用日產DH-1500型泥水加壓平衡頂管掘進機。

2 工程地質及水文地質

根據鉆探揭露，頂管穿越斷面40．0 m深度以內的地層主要由第四系全新統沖積的粉土、粉砂、中砂、黏性土、礫砂、坡積黃土狀土以及第四系上更新紀沖積黃土狀土，中更新新統殘積粉質黏土(古土壤)和沖積粉質黏土組成。

根據勘察資料，鉆孔均遇見了地下水，該地下水屬潛水類型，河床局部地段為黃河水所覆蓋，水深0．5～2．5m，與地下水連通，穩定水位標高為98．55 ～100．80 m，其補給來源為黃河水。

3 總體籌劃

本工程屬于超長距離頂管，最長一段穿越1 259 m，首先是穿越長約350m的砂礫層，礫石含量多、粒徑大，鈣化程度高;接著是穿越黃河主河槽約800 m的急流段，地下水壓力大，長距離和曲線頂進，機頭和管道方向較難控制。頂進過程中可以使用中繼間和注漿減阻，但中繼間的增加會加大設備的投入和延長工期，同時給供電帶來較多的困難。如果注漿系統控制得好，減阻效果明顯，會延長中繼間之間的距離，減少中繼間數量。因此，注漿減阻是此次頂管施工成功與否的一個極其重要的關鍵環節。影響注漿減阻效果的因素有漿液配比、靜置時間、加漿壓力、注漿泵的選擇和注漿孔的設置等。必須合理地選擇注漿材料和注漿工藝，若泥漿配比適當，壓力控制合適，在砂層中的減阻效果就可以達到在黏土層中的減阻效果。

4 漿液選材

目前，常用的頂管注漿潤滑材料有2種類型:一類是以膨潤土為主，另一類是以人工合成的高分子材料為主。

國內以膨潤土材料為主，也有在膨潤土漿液中加入高分子膠凝劑的，這些都是用在短距離小口徑頂管。加入高分子凝膠劑可以使漿液始終保持在一種膠凝的狀態下，從而可防止地下水對漿液的稀釋和防止漿液在土中的擴散。該高分子膠的顆粒相對密度為2．69，pH 為 5．9。

除了膨潤土系的潤滑材料外，國外還研究出了許多高分子化學減摩劑。如日本生產的專門供長距離頂管用的ⅠMC減摩材料，它是一種高分子吸水材料，可與水攪拌配成漿液，單獨使用。在吸水前，它是一種微小的顆粒;吸水后，直徑可膨脹到0．5～2 mm，質量增加到原來的數百倍。這種潤滑漿有以下特點:1)具有一定的彈性，減摩效果非常顯著。2)與膨潤土系漿液比較，它在停止較長時間后再推進時，起動的推力增加不太明顯(膨潤土系漿液起動時推力增加較大)。3)主要由顆粒狀物體組成，吸水以后直徑變大，不易在土中擴散，即使在滲透系數比較大的地層中其減摩作用也相當明顯。4)配制十分簡單，只需加水攪拌即可，操作也十分方便。

注漿材料的選擇是由本工程特殊的地質條件決定的。由于黃河頂管穿越的地層為透水性較強的中砂地層，5#井附近存在卵石層，泥漿易在這種地層里滲透和吸水，這些都會給鋼管周圍泥漿套的形成帶來較大的難度，特別是在卵石層中難度更大。超長距離頂管頂力控制的關鍵是最大限度地降低頂進阻力，而降低頂進阻力的有效方法是在鋼管外壁與土層之間形成一條完整的環狀泥漿套。

為了確保本項目頂進的成功，引進了專門用于砂層中頂進粉狀一體型潤滑材料(Bios EXCEED)，其優點是:能很簡單地調配成漿液;能有效地防止向土層的滲透;隨著時間的變化，黏性提高;含有NaCl等電解質，對土質有較好的潤滑效果。

采用這種材料后鋼管與周圍砂層的摩擦阻力可由原來的5 kN/m2降低到1．5 kN/m2。

5 技術措施

根據以往施工經驗，除控制好漿液配比、靜置時間和加漿壓力等因素外，注漿泵的選擇和注漿孔位置也很重要。管道外漿套如圖1所示。

圖1 管道外漿套示意圖Fig．1 Grout cover

為了在鋼管外壁與砂層之間形成一條完整的環狀泥漿套，采取方法如下:

1)合理布置壓漿孔。在管節斷面一側安裝壓漿總管，壓漿總管采用2″鍍鋅管，除頂管機及隨后的4節鋼管全都開設注漿孔外，總管上每隔10．8 m裝1只球閥，再用壓漿軟管接至壓漿孔處。每節管子布置4個孔，孔徑為90°均布，壓漿孔設置如圖2所示。

2)合理制定壓漿工藝。頂管可依次分為成套段、飽和段和維持段3個壓漿段。泥漿成套段直接全程壓漿，泥漿飽和段和維持段采用跟蹤注漿。頂管頂進時與頂管機后相連接的4根鋼管的12個注漿孔應全部打開進行同步注漿，后面鋼管的壓漿孔采用人工跟蹤注漿。管出洞后，泥漿除了在下管焊管時不補漿外，其他時間應全部補漿。

圖2 壓漿孔設置圖Fig．2 Layout of grouting holes

頂進時應貫徹同步壓漿及補壓漿相結合的原則，工具管尾部的壓漿孔應及時有效地進行跟蹤注漿，確保能形成完整有效的泥漿環套。管道內的壓漿孔應進行一定的補壓漿，補壓漿的次數及壓漿量根據施工情況而定。

為使頂進時形成的間隙能及時用潤滑泥漿補充形成泥漿套，從而達到減少摩阻力的目的，壓漿時必須堅持“先壓后頂，隨頂隨壓，及時補漿”的原則，歇班后再開頂前應全線壓漿一遍。

頂管機頭的同步加漿非常重要，在機頭頂進時要觀察注漿壓力和流量，并作記錄。每次下管后頂進前，要開啟泥漿與排泥管聯通閥門5～15 s，以使管內觸變泥漿由凝膠變成膠體，減少壓力損失。當發生觸變泥漿無流量或注漿壓力突然增大時，應立即停止注漿和頂進，檢查注漿管路是否有堵塞，排除故障后再頂進。

制定合理的壓漿工藝，嚴格按壓漿操作規程進行。壓漿順序為:地面拌漿—啟動壓漿泵—總閥門打開—管節閥門打開—送漿(頂進開始)—管節閥門關閉(頂進停止)—總管節閥關閉—井內快速接頭拆開—下管節—接總管—循環復始。

6 漿液控制

6．1 滑材配比

滑材在制作過程中，攪拌要充分均勻，泥漿質量比為滑材∶水 =5∶195。

6．2 注漿壓力控制

注漿壓力大于地下水壓力，泥漿會以溶膠狀滲入土層，靜止后會以凝膠狀封住土層孔隙;注漿壓力大于主動土壓力，潤滑泥漿會托住土層;注漿壓力大于被動土壓力，土層會破壞。潤滑泥漿壓力設定在主動土壓力加水壓與被動土壓力加水壓之間。基準線按管底標高計算。

管底標高為78．1 m，滑動內摩擦角φ取平均值22．30°，地面標高為 102．85 m，容重 γt取平均值 20 kN/m3，浮容重 γ'為 10 kN/m3，水位標高為 101．5 m。

1)地下水壓。管底的地下水壓pw=(101．5-78．1)γ水=234 kPa。

2)主動土壓力。因土層大部分為無黏性土，按無黏性土計算;又因土壓大對土層穩定有好處，故取最大厚度土層。最大覆土深 H=102．85-78．1=24．75 m;主動土壓力 pa=γ'Htan2(45°-φ/2)=10×24．75×0．45=111．38 kPa。

3)被動土壓力。因達到被動土壓力時土層可能會破壞，為限制最高壓漿壓力，按最不利點即地面最低點(從圖紙查標高為96．70 m)計算。最小覆土深H=96．7-78．1=18．6m;被動土壓力 pp=γ'H tan2(45°+φ/2)=10 ×18．6 ×2．223=413．5 kPa。

4)主動土壓力+地下水壓力。即paw=pa+pw=234+111．38=345．38 kPa。

5)被動土壓力+地下水壓力。即ppw=pp+pw=234+413．5=647．5 kPa。

6)注漿壓力。由4)和5)知，注漿壓力p為345．38～647．5 kPa。

綜合上述分析，泵送注漿出口處壓力控制為0．3～0．6 MPa。

注漿時壓力不宜太高，否則容易產生冒漿，不易形成漿套;過高的壓力作用在管子上時，會增加管子四周的正壓力，反而使頂進時的推力增大。當覆土深且又在黏土層中施工時，這種情況往往被忽視。

6．3 注漿設備

1)壓漿總管采用2″鍍鋅鋼管，除頂管機及隨后的4節鋼管外，總管上每隔1節裝1只球閥，再用壓漿軟管接至壓漿孔處。輸送管道在工作井下設閘門，頂管內每個中繼間后設1個閘門，下管時關閉工作井內閘門和管內第1個閘門，拆除膠管和潤滑泥漿管就不會影響下管，鋼管不夠長時要續接，鋼管采用管螺紋聯接，在中繼間處設2″×1″三通，裝單向閥和閘閥并用膠管與中繼間補漿管聯接，潤滑泥漿2″鋼管在中繼間附近裝高壓軟管補償因中繼間伸縮引起的管道伸縮。總管上每隔200 m安裝1只球閥，在每次換接管時關閉，防止漿液流出過多。

2)泥漿罐由壓力恒定罐壓力表控制，向泥漿罐壓泥漿，壓力恒定罐壓力表上下壓力可由人工設定，設定后低于設定下限泵自動工作，高于設定上限泵自動停止工作，壓力恒定罐內有氣，能在泥漿泵停止工作時向管道輸送壓力泥漿。

3)每節管子布置4個孔，孔徑為90°均布，除了注漿孔設置好以外，在注漿孔中應該裝1只單向閥，這樣漿液出去后就不可能返回，外面的土砂同樣也不能進入而封堵注漿管，以確保注漿管路暢通。

4)為了確保注漿效果處于最佳狀態，注漿泵的選用也很重要。不能選用活塞式脈動比較大的注漿泵而應選脈動較小的螺桿泵，注漿設備采用耐弛泵，注漿流量為5 m3/h，采用變頻電機控制。因為漿液在脈動的峰值壓力較高時，往往會擴散到土中去;而螺桿泵的脈動較小，漿液幾乎是從空隙中被擠出來的，漿套容易形成且容易保持。注漿系統如圖3所示。

圖3 注漿系統示意圖Fig．3 Grouting system

6．4 注漿量

6．4．1 潤滑泥漿注入量計算

根據預計每天頂進13m，需加漿液體積

式中:D為頂管機外徑，取1 900 mm;d為管外徑，取1 844 mm。

計算可得 V=2．14 m3。

若摻入量按1倍加漿量計(2．14 m3)，則每天需加觸變泥漿量 Q=2．14+2．14=4．28 m3。

在注漿漿液制作過程中，攪拌要充分均勻。為保證潤滑泥漿的穩定，確保泥漿滿足施工要求，每次攪拌的泥漿應進行測試;為保證每天的漿液有24 h的靜置時間，做2個儲漿罐輪流使用。儲漿罐為2．4 m×2 m(直徑×高)的圓筒。6．4．2 注漿量控制

每100 m漿液用量Q=πd×0．03(泥漿套厚為3 cm)×100=3．14 ×1．844 ×0．03 ×100=17 m3。

最大供泥量按頂進時同步量的2倍計，最大頂進速度按70 mm/min計，則 Qmax=2×0．07×17/100=0．023 m3/min。

采用2″鍍鋅鋼管輸送，2″鍍鋅鋼管斷面積W=0．001 96m2，則流速 V=0．023/0．001 96=11．73 m/min(合0．2 m/s)。

漿液經過攪拌后，已具備膠體性質，流速如果按0．2 m/s計算，誤差會比較大，故需按經驗取值。2″鍍鋅鋼管，流速(經驗值)為0．5 m/s，每 km損失150 kPa，則在全程頂進(1 259 m)時壓力損失為190 kPa。

因管路損失遠遠小于被動土壓力與主動土壓力的差值，泥漿壓力在主動土壓力與被動土壓力之間即可。

泥漿恒壓罐內壓力設定:浮容重γ'=10 kN/m3;下限 p下=paw-(103-78．1)γ'+190=345．38-249+190=286．38 kPa;上限 p上=ppw-(103-78．1)γ'=647．5-249=398．5 kPa。

對于注漿量的控制，應通過控制螺桿泵的電機轉速來控制輸出量。計算如下:

機頭直徑D=1．9 m，鋼管直徑 d=1．844 m，泵電機額定轉速n=1 420 r/min，1 h輸出5 m3，注漿量控制為150%，則注漿厚度為(D-d)/2=0．028m，1m鋼管注漿量Q'=π(D2-d2)/4 ×150%=0．248m3，泵1min輸出量 V=5/60=0．083 m3/min。

電機每轉輸出量V'=0．083/1 420=5．845×10-5m3/r，泵與電機的變速比為1∶3，則頂速為1 cm/min時，電機的轉數為0．248/100/(5．845 ×10-5)=42．43 r，調節器顯示 42．43/3=14．14。當頂速為 4 cm/min時，泵的轉數為42．43 ×4=169．72，調節器顯示14．14 ×4=57。依此類推，頂進速度與調節器顯示關系如表1所示。

表1 頂進速度與調節器顯示關系表Table 1 Relationship between jacking speed and adjuster reading

由于存在泥漿流失及地下水的作用，泥漿的實際用量比理論用量大，一般可達理論值的1．5～2倍，施工中還要根據土質、頂進情況和地面沉降的要求等適當調整。

注漿應設專人開關閘門。頂進開始時，觀察潤滑泥漿流量，無流量時立即停頂，檢查管路，管路正常再繼續頂進。

6．5 確保注漿減阻效果的幾個關鍵措施

1)在頂管機后部設置注漿筒，每個注漿筒上設置24個注漿孔，及時進行跟蹤注漿，保證在頂管機后部形成完整有效的泥漿套。

2)在中繼間上設置8個注漿孔，在頂進時進行同步注漿。

3)在頂管機后部4節鋼管均設置4個注漿孔，再往后每隔一節管子進行開孔處理，頂進時及時進行補壓漿。

4)壓漿時必須堅持“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”的原則，歇班后再開頂前應全線壓漿一遍。

5)作為注漿的預備方案，在頂進400 m后設置中繼壓漿泵站增壓，由儲漿箱和注漿泵組合。

6)壓漿總管采用2″鍍鋅管，除頂管機及隨后的4節鋼管外，總管上每隔10．8 m裝1只球閥，再用壓漿軟管接至壓漿孔處。

7)注漿設備采用螺桿泵，其輸送壓力比較穩定。

7 漿孔封堵

頂進段施工結束后，采用螺栓封堵方式對孔口進行封堵，注漿孔內螺紋已在管道制作時預留。注漿孔封堵形式見圖4。

圖4 注漿孔封堵形式示意圖(單位:mm)Fig．4 Sealing of grouting holes(mm)

8 頂管工程漿液使用效果

1)成功頂進1 259 m。最大推進力控制為1 000 kN，沒有啟動中繼間，頂進全程沒有出現頂力突然上升情況。

2)提高了掘進功效。平均每天頂進12 m，正常頂進時每天頂進16 m，創造了日頂進25．2 m的單日最快紀錄。鄭州黃河頂管工程是西氣東輸咽喉控制性工程，采用新的注漿減阻工藝后，不但保障了工程頂進質量，而且縮短了頂進施工工期。

3)社會效益較好。西氣東輸三大控制性工程之一的黃河頂管工程全線貫通，為西氣東輸的全面通氣奠定了堅實的基礎，為長大輸氣管道施工提供了一條快速高效環保的新途徑。

9 頂管工程漿液施工體會

1)在泥水平衡頂管施工中，應重視注漿減阻的設計，根據地質情況選取合適的注漿材料和漿液性能參數。在大口徑超長距離頂管施工中，設計一定要嚴密，方案一定要可靠，參數一定要驗證，嚴格按技術規程操作，確保工程質量。

2)采取觸變泥漿減阻護壁的施工措施(即在管壁與土壁之間注入觸變泥漿)，長距離頂管的效果取決于減阻效果。采用新材料、新技術和新工藝的專項技術方案，可以起到好的施工效果。

3)注漿減阻后，可以增加單級頂進長度，減少中繼站用量。加大工作坑與接收坑之間的距離，可以減少工作坑與接收坑的數量，可降低工程成本。

4)制訂和采用先進、合理和可靠的施工技術工藝方案，是工程控制的重要環節。在黃河頂管工程施工質量控制中，頂管微粒滾動減阻技術起到了關鍵作用。

［1］汪祥云．膨潤土在頂管施工中的應用［J］．山西建筑，2005(19):99-100．(WANG Xiangyun．The application of bentonite in pipe jacking works［J］．Shanxi Architecture，2005(19):99-100．(in Chinese))

［2］廉虎山．污水管道頂管施工技術［J］．山西建筑，2006(18):148-149．(LⅠAN Hushan．Pipe jacking construction technique of sewage conduit［J］．Shanxi Architecture，2006(18):148-149．(in Chinese))

［3］魏綱，鄭金濤．頂管施工中頂力計算公式的探討［J］．市政技術，2008(3):38-40，43．(WEⅠGang，ZHENG Jintao．Discussion on computing formula of jacking force in pipe jacking construction［J］．Municipal Engineering，2008(3):38-40，43．(in Chinese))

［4］陳海波．頂管工藝在市政排水工程中的應用［J］．四川建材，2008(3):334-336．

［5］祁濤，張傳釗．鋼管頂管施工中存在問題探討［J］．城市道橋與防洪，2009(2):8，62-64．(QⅠTao，ZHANG Chuanzhao．Discussion of problems existing in construction of steel pipe jacking［J］．Urban Roads Bridges ＆ Flood Control，2009(2):8，62-64．(in Chinese))

［6］翟杰．市政工程中污水管道頂管施工技術探析［J］．科技資訊，2007(19):68．

［7］郝文峰．頂管工程設計中的頂力計算方法［J］．甘肅科技縱橫，2004(4):133-134．

［8］王衛潔．城市頂管法施工中繼間設計選擇研究［J］．中國科技信息，2005(10):113．

［9］張龍．大口徑鋼管頂管注漿減阻技術的改進［J］．市政技術，2006(2):47-49．(ZHANG Long．An improvement on resistance reduction technique by injection grouting for steel pipe jacking in large diameter［J］．Municipal Engineering Technology，2006(2):47-49．(in Chinese))