砂卵石地層矩形盾構頂掘減摩關鍵技術研究

2018-06-27 08:51:22何躍軍王人生

城市道橋與防洪 2018年6期

王翔，何躍軍，王人生，汪洋，寇朦

（成都建工路橋建設有限公司，四川成都 610091）

0 引言

頂管作為一種非開挖地下管道施工技術，與傳統的明挖法相比，頂管技術具有施工速度快、環境影響小、經濟安全等優點。為此，越來越多的頂管技術已廣泛應用于我國城市地下工程建設。而在長距離頂管中，為了減小頂進過程中管節外壁與周圍土體之間的摩阻力，需要采取有效的減摩措施，常常要進行注漿減摩。因此，對頂管施工中泥漿的配制及注漿技術進行研究非常重要。李萬才[1]針對大口徑長距離頂管工程注漿技術，從注漿減摩原理、注漿材料和注漿工藝方面進行了較系統闡述；張龍[2]對長距離大口徑鋼管頂管過程中管土相互作用機理進行了分析，并探討了注漿減阻技術，結合實際工程對注漿工藝進行了改進；羅云峰[3、4]對長距離大直徑混凝土頂管和減阻泥漿分別進行了介紹，并結合實際工程案例，開展了觸變泥漿配比試驗研究；王明勝等[5]通過室內泥漿試驗分別研究了不同注漿材料含量的改變對觸變性能的影響規律，并確定了觸變泥漿的配合比，結合現場施工工藝流程，詳細研究了減阻技術；王福芝等[6]結合港珠澳大橋拱北隧道曲線頂管實際工程，展開了泥漿中各組分對泥漿性能影響的試驗研究，最終確定了最優泥漿方案；魏綱等[7]研究了注漿過程中漿液與管道及周圍土體之間的相互作用機理，探討了漿液在土體中的滲流及注漿對土層移動的影響；李輝等[8]結合工程實例，介紹了注漿減摩的原理和工藝流程；王雙等[9]根據不同施工流程對不同類型泥漿套進行了分類和成因分析，并考慮了不同泥漿套的頂管管壁摩阻力計算公式；簡崇林等[10]探討了膨潤土泥漿減阻技術，論述了膨潤土注漿減摩作用機理做了較為系統闡述。

本文以成都市四川大學地下停車場下穿人民南路為工程背景，對施工過程中使用的減摩觸變泥漿的成分和性能、管節外壁涂抹全精煉石蠟對頂掘的影響，以及在進行減摩注漿后，漿液與管節及周圍土體之間的相互作用、注漿對土體移動的影響進行了研究，分析了適用于砂卵石地層矩形盾構頂掘減摩觸變泥漿的制作和注漿控制技術，探討了在砂卵石地層中注入減摩觸變泥漿需要注意的問題。

1 工程背景

圖1 矩形盾構頂掘人行通道平面圖

該工程采用矩形盾構頂掘機進行施工（見圖2），斷面尺寸為6.02 m×4.52 m，采用10個刀盤切削土體，2臺螺旋輸送機出渣。頂推油缸布置如圖3所示，頂推系統參數見表1所列。

圖2 矩形盾構頂掘機之實景

圖3 頂推油缸布置圖

表1 頂推系統參數表

2 減摩觸變泥漿的成分和性能

目前常用的減摩注漿材料主要有泡沫、膨潤土泥漿、聚合物等。在頂管過程中使用最廣泛的是膨潤土泥漿。膨潤土泥漿通常是由膨潤土、CMC（白色粉末狀化學漿糊）、純堿和水按照一定的比例配制而成。通常膨潤土體積占整個減摩觸變泥漿體積的20%左右，膨潤土的主要成分是以鈣、鉀、鈉蒙脫石為主要成分的黏土礦物，具有觸變性和膨脹性。

2.1 減摩觸變泥漿的膨脹性

膨潤土微觀單體顆粒是由非常薄的扁平狀晶片層堆疊而成，顆粒之間以鈉離子或者鈣離子連接而成，晶片層上下表面均帶有負電荷相互排斥，晶片層之間的結合能量較低使得水分子極易滲入晶片層表面，使得相鄰兩個晶片層之間的間距擴大2倍以上，造成晶體內部膨脹。由于鈣離子提供的結合能比鈉離子強，造成鈉蒙脫石比鈣蒙脫石更易膨脹，因此鈉基膨潤土比鈣基膨潤土更加適用于矩形盾構頂掘施工用減摩觸變泥漿的配制。

2.2 減摩觸變泥漿的觸變性

膨潤土加水充分攪拌之后成為懸浮液，當懸浮液靜止時，薄片狀的蒙脫石微粒會絮凝變成凝膠體。當懸浮液這種靜止狀態被破壞，例如被攪拌、泵送振動時，微粒結構被分散、破壞轉變成為具有流動性和粘性的膠狀液體。當這種膠狀液體再次處于靜止狀態時又變成凝膠體，這種在膠狀液體和凝膠體之間交替發生的特性稱為觸變性。減摩觸變泥漿的觸變性，有助于減小頂進過程中管節與周圍土體之間的摩阻力，靜止時減摩觸變泥漿又以凝膠體的形式支撐地層。

3 減摩注漿的作用機理

在矩形盾構頂掘施工過程中,減摩觸變泥漿的作用機理主要包括兩個方面。首先是起到潤滑作用，將管節外壁與土體之間的干摩擦變為濕摩擦，有效地減少頂進過程中的摩阻力；其次是起填充地層空隙的作用，漿液可以填補頂進過程中管節與周圍土體之間產生的空隙，減小地層變形。

3.1 減摩觸變泥漿與管節及周圍土體之間的相互作用

在通常情況下，為了減小頂掘過程中的摩阻力，管節的外輪廓設計尺寸要比矩形盾構頂掘機的外輪廓尺寸小2～5 cm，使得管節與周圍土體之間產生空隙，在頂進曲線軌跡中存在許多這種空隙。

2018年1月，對天津商務職業學院會計（中外合作）專業18名學生發放了同樣的調查問卷。此專業的學生對于本研究來講，具有一定的特殊性。會計（中外合作）專業是天津商務職業學院會計學院與美國一所大學合作辦學的專業，學生較于其他非外語專業的學生對外語的學習要求更高。而且該專業的18名學生在參加問卷調查前，已經學習了一學期的《跨文化交際》課程，對跨文化知識有一定的了解。

進行減摩注漿時，通過注漿孔進入地層的泥漿會首先填充管節與周圍土體之間的空隙，抑制地層損失。在一定的注漿壓力作用下，漿液將向周圍地層中滲透、擴散。首先是漿液中的水分滲透進土體顆粒之間的空隙，然后是泥漿滲透進土體之間的空隙。當泥漿滲入到一定深度之后便靜止下來，經過很短的時間泥漿就會變成凝膠體，形成泥漿與土壤的混合體。隨著后續注入的漿液滲透越來越多，泥漿與混合土體之間會形成致密的滲透塊。在注漿壓力的擠壓作用下，許多滲透塊之間通過粘結、鞏固作用形成一個相對密實、不透水的套狀物，稱之為泥漿套，它能夠阻止泥漿繼續滲入周圍土層（見圖4）。

圖4 泥漿套作用示意圖

矩形盾構頂掘機在掘進過程中，刀盤轉動會對管節周圍土體產生擾動，使得部分土體的結構被破壞而變成松散土體。在減摩注漿壓力的作用下，泥漿套能夠把超過地下水壓力的液體壓力傳遞到土體顆粒之間，形成一種能夠壓實土體的有效應力。同時，減摩觸變泥漿的液壓能夠支撐隧洞，避免管節周圍土體坍塌。

3.2 觸變泥漿的減摩效果

若注入的減摩觸變泥漿能夠在管節外周形成一個較完整的泥漿套，那么后續注入的泥漿就不會向外滲透，停留在管節和泥漿套的空隙之間。在自身重力的作用下，減摩觸變泥漿首先會流向管節底部，隨后向上漲起，當整個管節周圍都被減摩觸變泥漿包裹住時，受到浮力作用，管節的有效重量變小，在這種情形下頂進管節，其減摩效果將是比較理想的。

在實際施工當中，泥漿流失、地下水影響、注漿工藝等因素可能會對減摩效果產生一定程度上的影響，但是注入減摩觸變泥漿之后會大幅度降低摩阻力是毋庸置疑的，一般在充分注漿之后掘進，頂推力可以降低300～500 t。

3.3 注漿對土體移動的影響

由于盾構頂掘機與管節外部尺寸不同而存在空隙，糾偏操作同樣會使管節與土體之間產生空隙，周圍土體要填充這些空隙而產生地面沉降。另外，在掘進過程中，管節隨著盾構頂掘機一起向前移動時會對周圍土體產生剪切摩擦力，產生背土效應，使得土體沿掘進方向移動；當掘進停止或者更換管節時，土體彈性回縮向掘進的反方向移動。

合理注入減摩觸變泥漿會減緩土層運動，從注漿孔注入的泥漿首先填充管節與土體之間的空隙，形成泥漿套支撐起隧洞從而減小地面沉降。減摩泥漿的存在將土體與管節隔離開，減小管節與土體之間的剪切摩擦力從而減緩土體水平運動。

4 減摩觸變泥漿的制作和注漿控制

4.1 減摩觸變泥漿的制作

應用于成都市下穿人民南路矩形盾構頂掘人行通道的減摩觸變泥漿主要由膨潤土、CMC、純堿、水按照一定的比例配制而成（見圖5）。

圖5 觸變泥漿現場膨化之實景

由于砂卵石地層具有密實度高、自穩性差、大粒徑漂石含量大、滲透性強，以及卵石強度高、內摩擦角大等特點，因此要求注入減摩觸變泥漿具有良好的流動性，迅速填充空隙之后能夠在較短的時間內形成完整的泥漿套，充分發揮其減摩效果。為此，減摩觸變泥漿需要靜置膨化12 h之后方可使用，其配合比及主要性能指標見表2所列。

表2 減摩觸變泥漿配合比及主要性能指標一覽表

4.2 減摩注漿孔設置和注漿設備

管節周圈均勻布置有13個DN25減摩注漿孔，詳見圖6所示。注漿總管路通常選用DN50鋼管，其他支管選用DN25膠管，總管和支管之間設置一個球閥，控制漿液注入。

注漿設備選用2臺不同型號的螺桿泵。螺桿泵具有壓力平穩、無脈動等特點。1#螺桿泵注漿部位是盾體及前3環管節，2#螺桿泵注漿部位是中繼間和后續33環管節，工藝參數詳見表3所列。

4.3 減摩注漿控制

減摩注漿一般分為同步注漿和二次補漿，同步注漿是為了形成良好的泥漿套。但是，泥漿套在地層中會因失水或者固結而被破壞。二次補漿的目的就是確保泥漿套的完整性。

圖6 減摩注漿孔布置圖

表3 注漿設備工藝參數表

4.3.1 注漿位置和順序

減摩觸變泥漿通過管節內壁上布置的DN25減摩泥漿孔注入地層。注漿范圍包括盾構頂掘機自身及其后方的中繼間和所有管節，盾構頂掘機沿盾體周圈全部進行注漿，后方管節內壁的所有注漿孔同樣進行注漿；注漿順序是從盾構頂掘機自身開始依次往后，直到所有管節全部注完。

4.3.2 注漿頻率和注漿量的控制

泥漿套在土層中能否保持良好的完整性，關鍵取決于注漿頻率和注漿量的控制。注漿量一般與不同地層的地質參數、地層含水率和減摩泥漿本身的性能等因素有關。

根據成都市下穿人民南路人行通道工程施工來看，在新的管節拼裝完成之后掘進開始之前，需要整體進行1次注漿，在掘進過程中再進行2至3次注漿。每環管節每次注漿時間20 s左右，理論注漿量為0.06 m3。

4.3.3 注漿壓力的控制

合理的注漿壓力能夠保證減摩觸變泥漿順利通過減摩注漿孔進入土層，又不會對地層產生嚴重擾動。注漿壓力過小會導致注漿量不足，無法形成泥漿套；注漿壓力過大容易造成地面冒漿，同樣無法形成完整的泥漿套。注漿壓力要保持穩定，不穩定的注漿壓力會破壞土體結構，引起后期固結沉降。合理的注漿壓力值一般為地層壓力的1.3至1.4倍。

此外，管節表面涂蠟能夠在注漿減摩的基礎上，進一步減小土層與管節之間的相互作用。管節表面涂抹全精煉石蠟之后，需要用火烘烤一遍使石蠟完全滲入混凝土表面（見圖7）。

圖7 管節表面涂蠟之實景

5 工程實施效果

根據圖8頂推力曲線圖可知，整個頂掘過程中的頂推力范圍為400 t至1 600 t。工程前期通過地質結構分析計算得出，矩形盾構頂掘機穿越該工程區域的砂卵石地層，頂推系統需要提供的最大推力至少為2 800 t，實際主推油缸設計最大推力值為3 800 t。實際最大頂推力小于理論計算值，并且沒有達到主推油缸最大頂推力設計值的一半，可見整個頂掘過程中注漿減摩和管節涂蠟減摩措施充分發揮了作用。