富水砂礫層長距離大直徑頂管減阻施工技術

謝尚兵

富水砂礫層長距離大直徑頂管減阻施工技術

謝尚兵

（中鐵隧道集團二處有限公司，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諸多弊端。針對富水砂礫層，對長距離大直徑頂管頂進注漿減阻施工進行了分析，并對與其相關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。最終實現了在砂礫層中一次頂進貫通的成功實踐，對今后類似工程起到了一定借鑒意義。

長距離大直徑；富水砂層；減阻；施工技術

引言

隨著我國城市化進程的飛躍發展，大直徑頂管在城市地下綜合管廊等建設方面，應用越來越廣，但相關技術要求、施工標準等將會越來越高，頂管施工技術需要不斷地提高和更新，以滿足社會不斷發展的要求。

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，管節采用內徑3.2 m、外徑3.8 m、壁厚30 cm的鋼筋混凝土管，區間最長達到400 m，此為典型的長距離大直徑施工。區間主要穿越中砂、中粗砂、粗砂混礫石地層。始發、接收端采用Φ850@600三軸攪拌樁加固，加固體長度3 m，寬度為管外壁上下左右各2 m。

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

在長距離頂管施工采用注漿減阻技術時，頂進阻力過大會帶來許多弊病。例如，液壓泵站過載油溫高無法工作，造成砼管材出現裂縫、鋼后靠背變形；頂管機抱死導致無法頂進，造成頂管失敗。因此，做好減阻工作，有效地控制摩阻力對順利完成頂管施工非常重要。

2　減阻影響因素及注漿目標

注泥漿時，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土的選擇、泥漿配比、泥漿攪拌的充分程度、靜置時間長短等；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程度等因素；三是洞門密封嚴密程度，特別是敞開式接收端洞門。另外，加固體長度及強度等因素將會直接影響到減阻的效果。

施工前，掘進面盤開挖直徑較管節外徑大40 mm（刀盤Φ3 840 mm，管節外徑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，以達到減摩效果和減少地層應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[1]。頂管機尾部的同步注漿要與管節頂進保持同步，為了補充頂進中的泥漿損失，及時進行跟蹤補償注漿。

3　注漿施工技術

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：在頂管機尾部、注漿泵位置均安裝壓力表，觀察控制和調整注漿壓力，在注漿設備安裝完成并通過專人檢查后，進行注水加壓試驗[2]。

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

表1　泥漿配合比

（3）注漿管路系統：為了使頂管外壁能形成更好的潤化泥漿減阻套，在管節內宜設兩套獨立注漿系統。一套為壓入頂管機尾部的同步注漿系統，另一套為頂進管節外壁補償注漿系統。

（4）注漿孔的布置：同步注漿以機頭尾部注漿孔以及尾部后5節管道上的注漿孔為主，每節管道預留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，以后補償注漿孔每隔1節預留注漿孔。在注漿軟管與管節注漿孔間安裝一個單向止回閥，阻止管壁外的砂倒灌，導致注漿孔堵塞而出現無法正常注入的情況，且能避免回漿現象造成泥漿套殘缺[3]。

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

圖1　管節注漿孔布置

壓漿時必須遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”的原則，因此同步注漿必須先注后頂，并且由下往上注漿。

補漿的順序必須保持由后向前。在頂進一百米范圍以后的補漿斷面上可每間隔12 h進行補漿。

3.2注漿施工參數

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

根據計算和經驗，本工程管節注漿孔口理論注漿壓力取值為0.12～0.15 MPa。考慮在頂進過程中，注漿壓力和注漿量可根據地面變形的監測數據做適當調整。

（2）注漿量：一般壓漿量為管道外周環形空隙2～3倍，根據計算和經驗，每節管道外注漿量為1.2～1.8 m3；

補漿數量：補漿的數量控制在建筑間隙的0.15倍，根據計算和經驗，每節管道外圍補漿0.1～0.12 m3。

（3）注漿時間及速率：同步注漿速度宜與頂進的速度相匹配，根據頂管機頂進速度，每循環的總注漿量宜勻速、均勻地注入。注漿泵采用BW-250型泥漿泵，最小流量為35 L/min。根據相關盾構隧道的施工經驗，預測頂管機頂推速度為40 mm/min左右，頂管機頂進一環需要約60 min，按每節管壁后注入1 200 L泥漿計算，注漿泵需要連續注入34 min，即按73 mm/min的頂進速率進行同步注漿。但實際注漿速度以及掘進速度需要根據現場情況不斷地進行調整確定。

（4）注漿結束標準：采用注漿壓力和注漿量雙控標準，即當注漿壓力達到設定值，或注漿量達到計算量時，視為注漿滿足要求，但在實際操作過程中宜以注漿量控制為主。

最后進行注漿效果檢查：①注漿壓力達到設計壓力值后，停止注入；②注漿壓力未達到設計壓力值，但注漿量達到設計注漿量；③根據監測情況判斷是否需要繼續注漿；④可根據頂推力變化數據的統計結果，判斷是否補漿，對未滿足要求的，應進行二次補強注漿。

聚類分析是數據挖掘中的一種分析方法，根據樣本對象關聯的標準相似性自動分為多類，同一類中的樣本對象有較高的相似度，類間的樣本對象相異。聚類的方法主要有：以劃分為基礎的K-means聚類算法，以層次為基礎的聚類算法，以密度為基礎的方法等［3］，筆者將采用K-means聚類算法進行成績定性評價。

4　減阻作用

4.1雙簾幕橡膠+壓環止漿

止漿裝置安裝在頂進井洞口預埋鋼環上，防止地下水、流砂或減阻泥漿從管節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），它具有以下優點：

（1）采用雙簾幕橡膠止漿，兩道簾幕橡膠間填充惰性漿液隔離，防漏漿效果好；

（2）壓環整體性好，受力較扇形壓板好；

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

圖2　雙簾幕橡膠+壓環制作示意圖

圖3　雙簾幕橡膠+壓環止水效果圖

4.2減阻與加固體、機頭出洞間關系

頂管主機位于加固體中時，頂推力會出現偏大的情況，同步注入的泥漿從洞口滲出，注漿減阻作用減弱，出洞風險高，解決方法有：

（1）在前期土體加固時，可考慮適當降低加固體強度；

（2）適當加大刀盤直徑，加厚刀盤耐磨層厚度；

（3）施工過程中利用導向油缸調向，調整出洞姿態；

（4）利用導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、加固體相互關系的方法，是頂管探討、研究的重點。

5　效果對比

根據砂層特性、地下水位等不斷地進行配比試驗，總結出了各類砂層中的泥漿性能指標，具體如圖4所示。施工過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　區間頂推頂力曲線圖

6　結束語

在工程實踐中得出以下經驗，供同行借鑒：

（1）選擇優質的膨潤土材料，根據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較長時間內均可以保持良好的觸變性；

（2）頂管進洞至出洞的整個推進過程中，盡可能確保頂管設備性能的完好性，達到連續、不間斷性施工，使泥漿觸變性能達到最佳化；

（3）采用半自動或自動化水平程度較高的同步注漿和二次補漿的操作系統，并輔以人工巡查，在長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程中，特別注意洞門密封以及接收方式，將會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]. 科技致富向導, 2012(17): 225.

[2]鐘曉暉. 長距離管道頂進注漿減阻施工技術應用[J]. 建筑施工, 2010, 32(11): 1155-1157.

[3]馬保松. 頂管施工技術及驗收規范(試行)[S]. 中國非開挖技術協會行業標準,2006: 46-48.

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

[5]余彬泉,陳傳燦. 頂管施工技術[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工業技術創新 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