砂卵石地層矩形盾構(gòu)頂掘減摩關(guān)鍵技術(shù)研究

王 翔，何躍軍，王人生，汪 洋，寇 朦

（成都建工路橋建設(shè)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(shù)，與傳統(tǒng)的明挖法相比，頂管技術(shù)具有施工速度快、環(huán)境影響小、經(jīng)濟(jì)安全等優(yōu)點(diǎn)。為此，越來越多的頂管技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國城市地下工程建設(shè)。而在長距離頂管中，為了減小頂進(jìn)過程中管節(jié)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(jìn)行注漿減摩。因此，對頂管施工中泥漿的配制及注漿技術(shù)進(jìn)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(shù)，從注漿減摩原理、注漿材料和注漿工藝方面進(jìn)行了較系統(tǒng)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(jī)理進(jìn)行了分析，并探討了注漿減阻技術(shù)，結(jié)合實(shí)際工程對注漿工藝進(jìn)行了改進(jìn)；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(jìn)行了介紹，并結(jié)合實(shí)際工程案例，開展了觸變泥漿配比試驗(yàn)研究；王明勝等[5]通過室內(nèi)泥漿試驗(yàn)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(guī)律，并確定了觸變泥漿的配合比，結(jié)合現(xiàn)場施工工藝流程，詳細(xì)研究了減阻技術(shù)；王福芝等[6]結(jié)合港珠澳大橋拱北隧道曲線頂管實(shí)際工程，展開了泥漿中各組分對泥漿性能影響的試驗(yàn)研究，最終確定了最優(yōu)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(jī)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(jié)合工程實(shí)例，介紹了注漿減摩的原理和工藝流程；王雙等[9]根據(jù)不同施工流程對不同類型泥漿套進(jìn)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(shù)，論述了膨潤土注漿減摩作用機(jī)理做了較為系統(tǒng)闡述。

本文以成都市四川大學(xué)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(jié)外壁涂抹全精煉石蠟對頂掘的影響，以及在進(jìn)行減摩注漿后，漿液與管節(jié)及周圍土體之間的相互作用、注漿對土體移動的影響進(jìn)行了研究，分析了適用于砂卵石地層矩形盾構(gòu)頂掘減摩觸變泥漿的制作和注漿控制技術(shù)，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(gòu)頂掘人行通道平面圖

該工程采用矩形盾構(gòu)頂掘機(jī)進(jìn)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(jī)出渣。頂推油缸布置如圖3所示，頂推系統(tǒng)參數(shù)見表1所列。

圖2 矩形盾構(gòu)頂掘機(jī)之實(shí)景

圖3 頂推油缸布置圖

表1 頂推系統(tǒng)參數(shù)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(xué)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(fù)電荷相互排斥，晶片層之間的結(jié)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(kuò)大2倍以上，造成晶體內(nèi)部膨脹。由于鈣離子提供的結(jié)合能比鈉離子強(qiáng)，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(gòu)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?jǐn)嚢柚蟪蔀閼腋∫?，?dāng)懸浮液靜止時，薄片狀的蒙脫石微粒會絮凝變成凝膠體。當(dāng)懸浮液這種靜止?fàn)顟B(tài)被破壞，例如被攪拌、泵送振動時，微粒結(jié)構(gòu)被分散、破壞轉(zhuǎn)變成為具有流動性和粘性的膠狀液體。當(dāng)這種膠狀液體再次處于靜止?fàn)顟B(tài)時又變成凝膠體，這種在膠狀液體和凝膠體之間交替發(fā)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(jìn)過程中管節(jié)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(jī)理

在矩形盾構(gòu)頂掘施工過程中,減摩觸變泥漿的作用機(jī)理主要包括兩個方面。首先是起到潤滑作用，將管節(jié)外壁與土體之間的干摩擦變?yōu)闈衲Σ?，有效地減少頂進(jìn)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(bǔ)頂進(jìn)過程中管節(jié)與周圍土體之間產(chǎn)生的空隙，減小地層變形。

3.1 減摩觸變泥漿與管節(jié)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(jié)的外輪廓設(shè)計尺寸要比矩形盾構(gòu)頂掘機(jī)的外輪廓尺寸小2～5 cm，使得管節(jié)與周圍土體之間產(chǎn)生空隙，在頂進(jìn)曲線軌跡中存在許多這種空隙。

2018年1月，對天津商務(wù)職業(yè)學(xué)院會計（中外合作）專業(yè)18名學(xué)生發(fā)放了同樣的調(diào)查問卷。此專業(yè)的學(xué)生對于本研究來講，具有一定的特殊性。會計（中外合作）專業(yè)是天津商務(wù)職業(yè)學(xué)院會計學(xué)院與美國一所大學(xué)合作辦學(xué)的專業(yè)，學(xué)生較于其他非外語專業(yè)的學(xué)生對外語的學(xué)習(xí)要求更高。而且該專業(yè)的18名學(xué)生在參加問卷調(diào)查前，已經(jīng)學(xué)習(xí)了一學(xué)期的《跨文化交際》課程，對跨文化知識有一定的了解。

進(jìn)行減摩注漿時，通過注漿孔進(jìn)入地層的泥漿會首先填充管節(jié)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(kuò)散。首先是漿液中的水分滲透進(jìn)土體顆粒之間的空隙，然后是泥漿滲透進(jìn)土體之間的空隙。當(dāng)泥漿滲入到一定深度之后便靜止下來，經(jīng)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(xù)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(jié)、鞏固作用形成一個相對密實(shí)、不透水的套狀物，稱之為泥漿套，它能夠阻止泥漿繼續(xù)滲入周圍土層（見圖4）。

圖4 泥漿套作用示意圖

矩形盾構(gòu)頂掘機(jī)在掘進(jìn)過程中，刀盤轉(zhuǎn)動會對管節(jié)周圍土體產(chǎn)生擾動，使得部分土體的結(jié)構(gòu)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(shí)土體的有效應(yīng)力。同時，減摩觸變泥漿的液壓能夠支撐隧洞，避免管節(jié)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(jié)外周形成一個較完整的泥漿套，那么后續(xù)注入的泥漿就不會向外滲透，停留在管節(jié)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(jié)底部，隨后向上漲起，當(dāng)整個管節(jié)周圍都被減摩觸變泥漿包裹住時，受到浮力作用，管節(jié)的有效重量變小，在這種情形下頂進(jìn)管節(jié)，其減摩效果將是比較理想的。

在實(shí)際施工當(dāng)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(chǎn)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(jìn)，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(gòu)頂掘機(jī)與管節(jié)外部尺寸不同而存在空隙，糾偏操作同樣會使管節(jié)與土體之間產(chǎn)生空隙，周圍土體要填充這些空隙而產(chǎn)生地面沉降。另外，在掘進(jìn)過程中，管節(jié)隨著盾構(gòu)頂掘機(jī)一起向前移動時會對周圍土體產(chǎn)生剪切摩擦力，產(chǎn)生背土效應(yīng)，使得土體沿掘進(jìn)方向移動；當(dāng)掘進(jìn)停止或者更換管節(jié)時，土體彈性回縮向掘進(jìn)的反方向移動。

合理注入減摩觸變泥漿會減緩?fù)翆舆\(yùn)動，從注漿孔注入的泥漿首先填充管節(jié)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(jié)隔離開，減小管節(jié)與土體之間的剪切摩擦力從而減緩?fù)馏w水平運(yùn)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(yīng)用于成都市下穿人民南路矩形盾構(gòu)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(xiàn)場膨化之實(shí)景

由于砂卵石地層具有密實(shí)度高、自穩(wěn)性差、大粒徑漂石含量大、滲透性強(qiáng)，以及卵石強(qiáng)度高、內(nèi)摩擦角大等特點(diǎn)，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(nèi)形成完整的泥漿套，充分發(fā)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(biāo)見表2所列。

表2 減摩觸變泥漿配合比及主要性能指標(biāo)一覽表

4.2 減摩注漿孔設(shè)置和注漿設(shè)備

管節(jié)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(shè)置一個球閥，控制漿液注入。

注漿設(shè)備選用2臺不同型號的螺桿泵。螺桿泵具有壓力平穩(wěn)、無脈動等特點(diǎn)。1#螺桿泵注漿部位是盾體及前3環(huán)管節(jié)，2#螺桿泵注漿部位是中繼間和后續(xù)33環(huán)管節(jié)，工藝參數(shù)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(bǔ)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(jié)而被破壞。二次補(bǔ)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(shè)備工藝參數(shù)表

4.3.1 注漿位置和順序

減摩觸變泥漿通過管節(jié)內(nèi)壁上布置的DN25減摩泥漿孔注入地層。注漿范圍包括盾構(gòu)頂掘機(jī)自身及其后方的中繼間和所有管節(jié)，盾構(gòu)頂掘機(jī)沿盾體周圈全部進(jìn)行注漿，后方管節(jié)內(nèi)壁的所有注漿孔同樣進(jìn)行注漿；注漿順序是從盾構(gòu)頂掘機(jī)自身開始依次往后，直到所有管節(jié)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(guān)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(zhì)參數(shù)、地層含水率和減摩泥漿本身的性能等因素有關(guān)。

根據(jù)成都市下穿人民南路人行通道工程施工來看，在新的管節(jié)拼裝完成之后掘進(jìn)開始之前，需要整體進(jìn)行1次注漿，在掘進(jìn)過程中再進(jìn)行2至3次注漿。每環(huán)管節(jié)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(jìn)入土層，又不會對地層產(chǎn)生嚴(yán)重擾動。注漿壓力過小會導(dǎo)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(wěn)定，不穩(wěn)定的注漿壓力會破壞土體結(jié)構(gòu)，引起后期固結(jié)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(jié)表面涂蠟?zāi)軌蛟谧{減摩的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減小土層與管節(jié)之間的相互作用。管節(jié)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(jié)表面涂蠟之實(shí)景

5 工程實(shí)施效果

根據(jù)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(zhì)結(jié)構(gòu)分析計算得出，矩形盾構(gòu)頂掘機(jī)穿越該工程區(qū)域的砂卵石地層，頂推系統(tǒng)需要提供的最大推力至少為2 800 t，實(shí)際主推油缸設(shè)計最大推力值為3 800 t。實(shí)際最大頂推力小于理論計算值，并且沒有達(dá)到主推油缸最大頂推力設(shè)計值的一半，可見整個頂掘過程中注漿減摩和管節(jié)涂蠟減摩措施充分發(fā)揮了作用。

圖8 頂推力曲線圖

通過對矩形盾構(gòu)頂掘施工全過程監(jiān)控測量，結(jié)果表明整個通道軸線、高程偏差控制精度高，符合設(shè)計及規(guī)范要求，同時地面沉降與隆起變形符合設(shè)計及規(guī)范要求。

6 結(jié)論與討論

（1）砂卵石地層矩形盾構(gòu)頂掘工程通過合理設(shè)置減摩注漿孔，采用頂掘過程中注入減摩觸變泥漿，管節(jié)表面涂抹石蠟等減阻技術(shù)，可有效地減小掘進(jìn)過程中的頂推力。

（2）被漿液充分包裹的橫縱斷面每個管節(jié)外表面，以及連接處，在頂掘過程中，得到良好的減摩效果。

（3）在矩形盾構(gòu)頂掘施工過程中，減摩觸變泥漿進(jìn)入土體形成完整的泥漿套是減小頂推力的關(guān)鍵。能否形成完整良好的泥漿套，取決于注漿壓力和注漿量的控制。

（4）觸變泥漿形成的泥漿套厚度取決于漿液的滲流距離。滲流距離跟地層密實(shí)度、泥漿濃度、注漿壓力和流動阻力有關(guān)。針對砂卵石地層如何控制注漿壓力和泥漿濃度才能形成理想的泥漿套厚度，需要進(jìn)一步研究討論。

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