顶管注浆减阻技术

    近年来，顶管技术朝着大管径、长距离的施工方向发展。特别是在繁华大都市的市政建设项目中，长距离地下顶管技术以其独有的优势被广泛地应用。
　　然而由于我市土质多为亚粘土、沙性土，顶进中摩阻系数大而使顶进长度受到限制。所以开发新的减阻技术，是实现大管径、长距离顶进的关键。
　　1 长距离顶进的方法、减阻材料及工艺效果
　　目前实现顶管的长距离施工的技术保证措施，除了设置中继间外，更重要的是通过注浆工艺来减小管材与土壤的摩擦阻力。采用注浆工艺润滑、减阻后可以使顶距提高40％一70％。
　　减阻用的主要材料是膨润土和水。当膨润土与水混合后，由于水掺人膨润土中，膨润土在水中膨胀重量可以达到膨润土原重量的600％—700％。经搅拌储存呈凝状，在有外力作用下呈流动状态，这种材料注夹在管外壳与土壤之间，会大大降低管节推进的摩阻力。静止时泥浆有良好的稳定性。为使膨润浆液有良好的性能，在制浆过程中要适量加一些辅助原料：如纯碱、纤维素CMC、缓凝剂等。
　　膨润土又分为钙基膨润土和钠基膨润土，吸收钙离子多的为钙基，吸收钠离子多的为钠基膨润土，根据不同的土质选用不同的配方。通过施工我们总结发现：在沙性土中钠基膨润土减阻效果较明显，资料分析显示它比钙基膨润土多含一层极薄的硅酸盐，它与膨润土中的蒙脱石小粒子结合中易形成空隙构造，从而使浆液膨润性增加。触变以后流动性好，静止下来有胶凝性与固化性。
　　高效钠基膨润土浆液配方是：膨润土24kg，水76kg，碱0.8kg。
　　在不同的土质和施工条件下，对减阻泥浆性能有不同的要求。在沙性土质中，土层易塌方，流沙与地下水压向整个管壁，普通浆液达不到减阻效果，如在淤流沙层内，土层无水板结，遇水成流沙，膨润土会被流沙层内的水稀释，减阻效果就差。在这种情况下，①、要提高浆液粘度；②、应掺入CMC经甲基纤维素，以提高浆液抗剪切能力及润溶性。配方中的纯碱可提高浆液稠度，增加钠离子改变土粒子水化性能，但若加倍过量投入会破坏浆液的性能。
　　将搅拌好的浆液放入储浆罐中，须经3—4h存储待膨润土颗粒充分吸水膨胀(吸水率2h，430％)方可使用。此时浆液性能几项指标约为：粘度80s，静切力21mg／cm2，pH值0.8—10，比重约为1.17。粘稠度适中，用木锨棒插入液中能立住。
　　应注意的是：各地生产的膨润土成分特性相差较大，使用前要取样做试验。
　　在被顶进的混凝土管材上预留3—4个注浆孔，用口径为1英寸(0.0254m)的橡胶管与各注浆孔连接，接到主注浆管上，再用软管连接到注浆泵上，泵的一端连接到储浆罐上。
　　近些年由于顶管采用注浆减阻工艺使顶管工程的口径及顶距都有大幅度提高，最大管径和最大顶距分别达到2400mm和290m。
　　2 注浆工艺中的顶力、摩擦力确定
　　顶力是顶管工作中的重要因素，后背主顶千斤的顶力要克服各种阻力方能前进，如管材自重，顶进惯入阻力，摩擦阻力，管道上垂直、水平的侧压力等。又由于影响顶力值的原因较多，如：土质特性、覆土深度、土壤含水量、顶进管径的大小及长度、管材表面光滑度、土压力、作业环境突变产生的摩擦阻力等，这些因素往往复杂地交织在一起，在施工现场难以及时计算出来。经过总结、归纳、综合，以及在特殊情况下采用安全系数法，同时在众多情况中找出主要因素，编出了通常工程采用的经验公式，可简便计算顶力和摩擦阻力。
　　顶力计算经验公式如下：
　　P=10KμπLD
　　式中：P一主顶推力(kN)；
　　K—安全系数(1—1.3，一般取1)；
　　μ一摩擦系数(0.9天津取值)；
　　π—圆周率；
　　L—顶进长度(m)；
　　D—管材外径(m)。
　　泥水平衡式和土压平衡式顶管为封闭式顶进，由于封闭式掘进机顶进过程中产生迎面阻力P迎(kN/m2)，这时的土压平衡或泥水平衡式摩擦系数为：
　　μ=(P-P迎)/( 10KπLD)
　　式中：P迎一掘进机头截面积与土压力的乘积。
　　3 顶管注浆减阻的事例
　　目前顶管较常用的方式是人工掘进式、机械土压平衡式和泥水平衡式。而无论采用哪种形式，长距离顶管施工中均采用注浆工艺减阻。在地质条件差的地段，有时推力上升很快，管道因土层阻力大导致顶管顶不动仍是其中最大难题。且长距离顶进又受各种机具性能的影响和制约。封闭式机头与开启式机头差异，重型机头与轻型机头差异，土压平衡顶管与泥水平衡式顶管差异，土层、地基承载力强弱差异等。下面以我公司在本市及外埠施工中采用的三种顶管方式，简介顶管注浆减阻技术在工程中的应用。
　　[实例1] 1997年秋季在苏州工业园区进行的排水管道顶管施工中，混凝土管为H级，管内径D2000mm，管外径D2420mm，埋深7.5m。地质条件为粉土流沙等。由于环境原因，设计施工由x3—x5#一次顶进距离145m。由于特别精心编制注浆工艺方案，特意从天津调运膨润土，并对配料、拌浆、注浆、摩擦阻力等进行了严格的管理，使得145m长距离在没有启动中继间的情况下，一次顶进到位，实际最大顶力4400kN，比原预计顶力还低30％。
　　[实例2]在上述同一工程的某一段的施工中，管径、埋深均相同，但由于某种原因在顶进开始的前几节管时，液压校正千斤顶掌握不好，开头的几节管子产生了较大的误差。随后，又校正得过于着急，使得管道先由左偏急转偏右，高低变化过大。又因长期降水泥土固结，在顶至48m时顶力就达到了5370kN，采用中继间的方法又顶至60m时，主顶力已达8480kN，混凝土管口发生了崩口破坏，周围处受力达到极限。为了防止管子崩裂造成更大的事故，只好停止顶进(该段长100m)。分析原因主要是管道曲折破坏了泥浆套的完整性，浆套基本上不能成型，注浆根本不能减阻。另一个原因是管子折弯处产生应力集中导致管口破坏漏浆。为解决中途顶不动的大问题，在60m处打桩，挖开“天窗”取出工具管，在此处做主顶坑，将余下的40m顶完。
　　事实说明，注浆和泥浆套的好坏对降低阻力有非常重要的作用。该60m的摩阻力达18.9kN／m2，不能完成顶进全程的任务。
　　[实例3] 1999年夏季在天津建国道排水管工程中，采用机械式土压平衡顶管，管内径D2400mm，外径D2860mm，管顶覆土厚度6.5m，顶进距离289m，主顶千斤顶2250kN共6台，后方液压站最大压力32MPa，整个顶程启用一套中继间，管线推进最大顶力12700kN，机头迎面顶力经计算为960kN。
　　计入中继间推力后，摩阻系数μ应为2倍值：
　　2μ=(12700-950)／(10×2.86×289π)＝0.9
　　该段管道顶进中严格纠偏量的控制，顶进管口平直，注浆管每节预留的3个注浆孔成120°，顶进时的注浆、触变泥浆经过压浆泵被输送到顶管管材的外壁，在管口端部经钢套环挤出后即可与土壤结合，形成了一个完整的润滑浆套，可减小顶进的阻力。在拌浆操作中，使用2个2m3的储浆罐将现拌的和触变泥浆和储存浆分开，使浆的熟化程度较好，使管道达到了较好的减阻效果。
　　[实例4] 2000年8月在天津中环线保山道使用泥水平衡式顶管，管内径D12M删，管外径D1420mm，推进长度54.8m，埋深7.8m。地质条件为粉土沙土层，易抱管。在顶进30m处(末注浆前)主顶力为5300kN，采用注浆后顶力下降到3200kN。机头土压计算出机头迎面阻力为200kN，在路面沉降没有变化的情况下，一次顶进到位。最后顶力为3200kN，注浆后主顶力下降约40％。该段顶管摩阻系数μ为：
　　μ=(3200-200)／(10×1.44×54.8π)＝12.1kN／m2
　　通过上述工程实例分析得出：顶管注浆减阻是提高顶距的有效措施，能否大幅度减小阻力与注浆质量、管道纠偏质量、土质特性、注浆管设计等有关。顶管施工中注浆如能使浆套形成管道就能顺利地顶进到位。
　　4 注浆工艺实施要点
　　（1）在工作坑内设置止水墙洞口安装止水圈，防止龙门口跑漏浆。用工字钢经打桩挖土制作的工作坑，坑前龙门口外应浇混凝土墙。墙的厚度一般在20—30cm左右，墙宽按工作坑的宽度，墙高按管外径加50cm。止水墙预留洞口，加工一套止水圈，包括钢板法兰圈2个，内夹橡胶圈。安装止水圈钢法兰圈与墙上预埋铁焊牢后，用油麻充填空隙，靠泥浆的稠度自然封堵，泥浆充满管外周。若无止水圈，注浆就无法进行，压浆泵一开启浆液便从龙门口流出。若是地下水多的地段，水与砂顺势而下使工作坑前体塌方，严重时会危及设备及相邻构筑物。工作坑洞口止水圈安装尺寸如图1所示。
　　图1 止水圈安装尺寸
　　(2)管材
　　长距离顶管管材多选用F型管、双承插口管。在计划顶管管材时应有注浆管材，带有注浆孔的管材应不少于总数的三分之一。双承插口管，管端头有凹槽，槽内安放齿形橡胶圈，用粘结剂粘牢，两节管的管口用T型钢套环连接，环中间粘有橡胶板保护管口，当环套入管头后将管上端头橡胶圈压缩，使管口密封防水，注浆孔橡胶圈在外套环下，端口外管材推进时，浆在套环下溢出。所有管材下坑前，外圆要抹涂石蜡提高光洁度。另外管材注浆孔内应加装一塑料单向阀，在用管接头、橡胶管将各孔连成一起后安装阀门，再与主注浆管线连接，以便于注浆或单独补浆。带注浆孔的管材在管线上安排，机头后要连续放置2—3节带孔管，然后采用隔一节、放一节……几十米后隔几节再放带孔管，每道工序不能疏忽。
　　(3)浆液制备
　　拌浆机的容量在0.5m3为好，将计量好的膨润土、水、碱加入搅拌设备中，搅拌不得小于规定时问，经拌和的浆液放人储浆罐内，储浆罐容积不小于2m3，应在中间加隔板，将新拌和的浆液与熟化浆分开，使其满足使用性能。
　　(4)压力注浆
　　注入到管材与土壤内的浆液压力要略高于地下水压力，一般在0.02MPa—0.15MPa，随距离增加压力增加。由于注浆泵输入压力远高于注浆压力，因此需要在注浆泵上附加一调压装置用来控制注浆压力。注浆时管道内容易跑浆部位是机头与管材连接处、管节与管节之间、中继间与管材之间。跑浆的主要原因是钢套环与管口橡胶圈安装不好，橡胶圈的压缩量不足或胶圈错位。另一种原因是管口偏或管口破损产生跑浆。在施工时要特别注意管口密封橡胶圈的设计，把握纠偏质量，防止跑、漏浆。
　　(5)顶管注浆操作
　　①顶管机头直径略大于管道外径，若机头与管材外径相等可在机头外壳加焊Φ10mm钢筋以增加机头外径。
　　②计划注浆量，泥浆的厚度在管外径圆周1cm左右乘以长度，按厚度的1—2倍考虑。
　　③采用土压平衡顶管施工在沙性土质中机头封闭性掘进时，前面适量注浆可改善沙性土质的情况。土压平衡采用干式排泥，便于螺旋机纹龙出土，提高掘进效率。
　　④注浆工作结束后可用水泥与粉煤灰配比浆液对触变泥浆进行置换。管线拆除后应及时将注浆孔封严。
　　顶管施工中应用注浆减阻工艺，有效地降低了项进阻力，能使大口径长距离的顶管不断延伸，且成本低、技术易实施，减阻效率高。国外已应用高分子材料减阻，日本研究出了CMC减阻材料，在国内也应不断地开发新的减阻材料与工艺。

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