淺析長距離頂管過程中觸變泥漿技術應用研究

童聰 韓軍偉

摘? 要：在長距離頂管工程中，使用觸變泥漿技術可減小單位長度頂管頂力，對控制工程投資、提高建設效率具有重要意義。本文結合昆明市某排水工程頂管案例，對頂管工程觸變泥漿作用機理進行研究，對比分析了在優化工藝條件下觸變泥漿對頂力的影響，得出觸變泥漿技術對減小頂管頂力具有關鍵作用的結論。

關鍵詞：頂管;觸變泥漿;頂力;減阻

中圖分類號：U455? ? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）07-0000-00

1 工程概況

昆明市環湖東路轉輸通道工程全長約4.831km，共設置14座沉井，13個頂管段。本工程采用泥水平衡頂管機作業，頂管機頭直徑為3.1m，管道外徑為3m。頂管層埋深在13.5～15.8m，管線范圍內地質情況主要為粉砂層，局部為中密黏土，呈層狀分布。工程區域地下水位為地表以下0～4.5m。

2 頂管工程觸變泥漿作用機理

在大直徑頂管施工中，頂管機頭的直徑一般會比管道直徑大30～50mm，導致管道與土體之間有一定空隙，在空隙中注入減阻材料，如泥漿、膨潤土等，可有效減小管道與土體之間的摩阻力，從而減小頂管總頂力，這是觸變泥漿技術的基本原理。

膨潤土是制作觸變泥漿最常用的材料，膨潤土的主要成分是一種叫蒙脫土的粘土礦物。膨潤土具有兩個主要特性：一是遇水膨脹特性，二是膨潤土懸浮液的觸變性，即懸浮液靜止時結成凝膠，一旦運動起來則變成溶膠。這決定了觸變泥漿在頂管施工中具有填充、支撐和潤滑作用[1]。

3 理論頂力計算

目前國內外提出了許多頂管頂力計算公式，現行的頂力計算公式是在假設管軸線不偏移的基礎上建立的。由于本工程管軸線平均坡比是萬分之五，近乎水平，且頂進過程中采用觸變泥漿技術，符合公式適用條件。根據《給水排水工程頂管技術規程》（CECS246：2008），泥水平衡式頂管頂力計算理論公式如下：

F=πD_1 Lf_k+N_F? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1-1）

N_F=π/4 D_g^2 γ_s H_s? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ?（1-2）

式中： F—總頂力標準值（kN）;D_1—管道外徑（m）;L—管道設計頂進長度（m）;f_k—管道外壁與土體的平均摩阻力（kN/m2）;N_F—頂管機迎面阻力（kN）;D_g—頂管機外徑（m）;γ_s—土的重度（kN/m3）;H_s—覆蓋層厚度（m）。

根據本工程管道埋深及地質資料顯示，管道平均埋深15m，即H_s=15m，粉砂土層土體重度為γ_s=18.72kN/m3，頂管機外徑D_g=3.1m。根據公式（1-2）計算可得，頂管機迎面阻力N_F=2118.3kN。

本工程實際所能提供的最大頂力只有25600kN（8個油缸，每個油缸3200kN），與長距離頂管段所需理論頂力相差較遠。因此如何科學使用觸變泥漿技術進行有效減阻，進而保證實現頂通目標，是本工程面臨的重難點問題。

4觸變泥漿對頂力的影響分析

為研究長距離頂管觸變泥漿技術應用問題，有效減小長距離頂管頂力。本工程選取頂進長度最小的頂管段作為試驗頂管段，在應用觸變泥漿技術后，對累計頂距與頂力的關系進行記錄分析，獲得相關經驗和結果。在此基礎上，對觸變泥漿技術進行進一步優化，并將其運用到長距離頂管段，具體分析如下。

4.1試驗頂管段

在全線開工之前，工程選取13號井頂與14號井頂管段（區間長度為208m）作為試驗段。該段區間管線最短，即使出現問題也能及時糾正，施工風險較小。通過對試驗段的研究，獲得本工程頂管摩阻力的實際取值范圍，總結觸變泥漿技術的控制要點，為長距離頂管段施工提供寶貴經驗。

試驗段觸變泥漿配合比：膨潤土﹕水=1﹕10（質量比），注漿壓力控制在0.3～0.4Mpa之間。根據樣品檢測報告，膨潤土造漿率為38.2m3/t。在不考慮滲流影響情況下，理論上每延米所需觸變泥漿填充量為0.48m3。由于在富水粉砂地層中漿液會滲透流失，實際注漿量將遠大于理論填充量。本段實際使用膨潤土總量為18t，觸變泥漿使用總量為687.6m3，每延米觸變泥漿使用量為3.3m3，是理論填充量的6.9倍。

根據試驗段累計頂距與頂力數據記錄，擬合得到累計頂距與頂力關系曲線圖如圖1所示。

4.2長距離頂管段

本工程的13號井頂與12號井頂管段長度為530.9m，屬于長距離頂管。按照試驗段的平均摩阻力f_k=4.73kN/m2計算，其最大頂力值為25773.4kN，超過油缸能提供的最大頂力25600kN。為保證長距離頂管段順利實施，采取設置中繼間和進一步優化觸變泥漿技術的雙重保險方案。結合試驗段總結的經驗，觸變泥漿技術及配套施工工藝優化措施如下：（1）做好進洞口加固措施，采用雙重橡膠止水圈止水，避免洞口滲水滲漿;（2）嚴控軌道安裝精度，使頂管油缸軸線與管道軸線偏差在規范允許范圍之內，確保頂力有效傳遞;（3）落實施工保障工作，避免停機，保證頂管連續施工;（4）管節外壁噴涂石蠟，利用石蠟的乳化性、潤滑性等特性來使管節表面光滑，進一步減小管道與觸變泥漿之間的剪切應力;（5）持續保持注漿壓力，避免漿液順管流失。由于觸變泥漿在富水粉細砂地層中會滲透流失，前期已注入段需定時補灌注漿，形成持續穩定的泥漿套。本段實際使用膨潤土50t，觸變泥漿使用總量為1910m3，每延米觸變泥漿使用量為3.6m3，大于試驗段單位使用量，是理論填充量的7.5倍。

采取以上措施后，本段在未啟動中繼間的情況下，順利完成了長距離頂管施工。根據記錄數據，擬合得到累計頂距與頂力關系曲線圖如圖2所示。

根據曲線圖分析，并對比試驗段成果，得出以下結論：（1）長距離頂管段最大頂力為19558.3kN，遠小于理論計算值42126.9kN;（2）通過優化觸變泥漿技術及配套施工工藝，本段在未啟動中繼間的情況下順利頂通，充分驗證了觸變泥漿技術在頂管施工中具有良好的減阻效果[2]; （3）根據擬合曲線斜率36.402計算，長距離頂管段的平均摩阻力為f_k=3.86kN/m2;（4）長距離頂管段平均摩阻力小于試驗段，說明本段采取的觸變泥漿技術優化措施是科學有效的;（5）在控制投資、合理投入、保證頂通的前提下，富水粉細砂地層頂管采用觸變泥漿技術，其平均摩阻力至少能達到3.0～4.0kN/m2。

5結語

觸變泥漿在長距離頂管過程中具有良好的減阻效果，能有效減小總頂力、增加頂距，提高頂管效率，從而減少工程投資。昆明市環湖東路轉輸通道工程通過試驗段的經驗積累和分析，進一步優化觸變泥漿使用技術、完善配套施工工藝，完成了富水粉細砂地層的長距離頂管施工。該工程的成功經驗，為類似地質條件地層長距離頂管工程提供了參考和借鑒。

參考文獻

葛春輝.頂管工程設計與施工[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2]謝永和，林鳳霞.管壁噴蠟法在頂管施工中的應用[J].給水排水，2008（8）：98-99.

收稿日期：2020-06-05

作者簡介：童聰（1988—），男，湖北武漢人，碩士，工程師，研究方向：工程管理。

Analysis on the Application Research of Thixotropic mud Technology in the Process of Long-distance Pipe Jacking

TONG Cong， HAN Junwei

（China Power Construction Group Kunming Survey， Design and Research Institute Co.， Ltd.， Kunming? Yunnan? 650051）

Abstract：In long-distance pipe jacking projects， the use of thixotropic mud technology can reduce the jacking force per unit length， which is of great significance for controlling project investment and improving construction efficiency.Based on the case of a pipe jacking in a drainage project in Kunming， this paper studies the mechanism of the thixotropic mud in the pipe jacking project， and compares and analyzes the influence of the thixotropic mud on the jacking force under the optimized process conditions.The conclusion that the pipe top force plays a key role.

Keywords： pipe jacking; thixotropic mud; jacking force; drag reduction