長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工技術

文杰 張益 周書東 張彤煒 劉正剛

摘 ?要：長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工技術包括注漿管拆除、注漿孔封封堵輔助系統和長距離頂管注漿減阻施工步驟。輔助系統由鋼絲繩/牽引繩、滑輪與支架、卷揚機、滑板車、對講機組成。小口徑泥水平衡頂管在頂進過程中，為了減阻需要在不同管節布置注漿孔、連接注漿管并進行注漿減阻，同時牽引鋼絲繩隨機頭向前頂進，實現頂管施工全程減阻，待頂管頂至出口井后，吊出頂管機，安裝注漿管拆除、注漿孔封封堵輔助系統，進行注漿拆除、注漿孔封堵，待注漿管拆除，注漿孔封堵后，拆除輔助系統進行回收再利用，真正實現小口徑泥水平衡頂管的長距離施工，大大提高施工效率，經濟社會效益好，具有較好的推廣應用價值。

關鍵詞：長距離;輔助系統;泥水平衡;注漿減阻

中圖分類號：TU94 ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：2096-6903（2021）11-0000-00

0引言

隨著城市化進程的不斷推進，地下空間資源的開發利用越來越受到重視，涉及到城市地下基礎設施項目越來越多，地下排水系統建立和發展的巨大需求推動了地下頂管施工技術的革新與發展，同時也帶來了很多挑戰。

明挖法施工對原有地面和既有基礎設施等周邊環境的的影響較大，因而在城市地下空間的開發中會受到較多的限制，而頂管施工技術能順應城市地下空間的開發需求而得到重視。

目前，傳統頂管施工技術為解決一次掘進距離長的問題，通常采用設置中繼間接力頂進的方式，或者通過短距離分段一次頂進的方式[1]。設置中繼間的施工工藝復雜，中繼間與管節之間的連接技術難度較大，拆裝耗時;短距離分段頂進，需要增加頂進井和接收井的開挖數量，對周邊環境的影響較大，而且施工進度慢，兩種傳統的頂管施工方法均導致長距離頂管工程施工成本較高。很多地下頂管具有口徑小的特點，也給解決頂管工程在施工過程中遇到的問題加大了難度。

為解決上述問題，研發一種工藝簡單，維護方便，成本較低，綠色環保，且實用性較強的長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工技術十分有必要。本技術成功的在“茅洲河流域綜合整治（東莞部分）一期項目—截污次支管網工程、東莞市石馬河流域綜合治理項目EPC+O工程、2019年龍崗區龍崗河流域、觀瀾河流域消除黑臭及河流水質保障工程（平湖街道-平湖工區）等項目得到應用，本文將通過以具體項目為例，闡述長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工技術的主要內容。

1關鍵技術內容

當前小口徑泥水平衡頂管注漿減阻技術單一，小口徑泥水平衡頂管較難沿頂進線路布置注漿孔進行注漿減阻，不能充分發揮減阻作用，制約注漿孔布置的注漿管拆除、注漿孔封堵技術少，小口徑長距離泥水平衡頂管注漿減阻相關技術缺乏，未形成小口徑頂管注漿管拆除、注漿孔封堵施工設備和施工技術。本工法開發了一套可實現小口徑頂管注漿管拆除、注漿孔封堵的輔助系統，并基于輔助系統提出一套小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工工藝，并最終形成一套完整的施工技術。

1.1 輔助系統組成及作用

針對小口徑泥水平衡頂管注漿減阻管拆除、注漿孔封堵施工困難等問題，設計了一套實用性較強的輔助系統。長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工輔助系統主要由鋼絲繩/牽引繩、滑輪與支架、卷揚機、滑板車、對講機組成（見表1）。

表1 輔助系統的組成部分及作用

組成部分 作用

鋼絲繩/牽引繩 主要是地面兩臺卷揚機與滑板車的連接紐帶作用

滑輪與支架 減少鋼絲繩的摩擦阻力、提供導向作用

卷揚機 為鋼絲繩提供拉力，控制滑板車的速度以及開停

滑板車 提供人工作業平臺，攜帶照明設備、封孔裝置等工具

對講機 加強管內作業人員與地面操作人員之間的聯系，傳達施工作業指令

1.2 全程減阻的實現

針對泥水平衡頂管注漿減阻施工注漿孔沿頂管線路布置位置單一、減阻效果有限的特點，提出一種可控制沿頂管線路布置注漿孔位置的施工方法，并總結出一套可行的施工流程，實現頂管施工全程減阻的功能，有效延長頂管一次頂進距離，并最終形成一套完整的施工技術。

1.3 施工工藝流程及操作要點

1.3.1輔助系統作業流程

（1）滑輪及支架安裝。將泥水平衡頂管機吊運出接收井后，鋼絲繩留在管道內。在工作井上方分別安裝鋼構件作為支架墊片，應保證鋼構件與工作井邊緊密連接;然后在墊片上面支設支架以及滑輪，兩端管道洞口附近的滑輪應與管道上壁預留足夠的距離，鋼絲繩不能與管壁接觸。

（2）鋼絲繩和牽引繩安裝。牽引鋼絲繩支架安裝完畢后，將管道內的鋼絲繩附著在滑輪凹槽上，兩端各自連接一臺設置在地面上的卷揚機;通過控制卷揚機的速度，對鋼絲繩進行預拉處理，使之保持適度的繃緊狀態，然后通過牽引繩將滑板車的兩端分別固定在鋼絲繩上，使之具有雙向控制的功能。

（3）拆除注漿管，封堵注漿孔。滑板車安裝完畢后，開始進人操作。井內作業人員平躺在滑板車上，通過對講機聯系地面操作人員控制地面卷揚機的開停，利用鋼絲繩牽引滑板車順管道前行，待滑板車前進至含注漿孔管節位置時，停下滑板車，拆除注漿管，封堵注漿孔。其作業原理見圖1、圖2所示。

（4）支架拆除，再回收。重復步驟（3），拆除所有的注漿減阻管，封堵所有注漿孔后，滑板前進至接收井，從外拖出注漿管，拉出鋼絲繩，拆除牽引鋼絲繩支架。

1.3.2長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工步驟

本專項技術研究通過借鑒和吸取國內外頂管注漿減阻施工的經驗[2-6]，對長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工技術進行了研究，確定具體施工步驟如下：

（1）根據地層情況、埋深、管徑等條件，確定泥水平衡頂管機及管節類型，并確定含注漿減阻孔管節位置和布置數量。含注漿減阻孔管節布置管節和數量，可根據勘察資料，頂進長度，綜合確定。含注漿孔的管節在同一平面上沿圓環四周均勻分布4個含單向閘門的注漿孔，成90o環向分布。在注漿孔處設置了相應的注漿管，并對注漿管和注漿孔的接觸部位進行密封處理。

（2）泥水平衡頂管機及其施工系統安裝，泥水平衡頂管機攜帶鋼絲繩向前頂進，如圖3所示;

（3）頂進至含注漿減阻孔管節，在管節上安裝注漿管，管節頂進、進入地層一定位置注入泥漿進行減阻;

（4）隨著頂管機的掘進，安裝不含注漿孔管節，原來含注漿減阻孔管節進行注漿，并頂進新裝管節;

（5）后續含注漿孔管節和不含注漿孔管節施工按照步驟3）、4）重復進行，直至掘進至出口井，停止頂進，松開鋼絲繩，拆除進泥管和出泥管，吊出泥水平衡頂管機頭;

（6）牽引鋼絲繩支架安裝，并將鋼絲繩安裝在牽引鋼絲繩支架上，鋼絲繩兩端各自連接一臺地面上卷揚機。牽引鋼絲繩支架安裝可采用提前施工預埋件和后期安裝兩種模式。卷揚機現場作業如圖4所示。

（7）安裝滑板車，并將滑板車一端固定在鋼絲繩上。滑板車的長度和寬度設置滿足作業工人平躺及作業要求，而且滑板車頂至頂管上側內壁凈距離滿足工人作業要求。

（8）作業人員平躺在滑板車上，利用鋼絲繩牽引滑板車前行（如圖5，圖6所示），且滑板車上攜帶照明設備、封孔裝置，作業人員通過對講機與地面操作人員聯系控制地面兩臺卷揚機的開停。通過對講機與地面操作人員聯系，嚴格控制滑板車的前進速度和滑板車的開停。

（9）滑板車前進至含注漿孔管節位置，停止滑板車，拆除注漿管，封堵注漿孔。滑板車應準確停在含注漿減阻孔管節位置附近，方便作業人員拆除注漿管、封堵注漿孔。

（10）重復步驟（9），拆除所有的注漿管，封堵所有注漿孔后，滑板前進至接收井，從外拖出注漿管，拉出鋼絲繩，拆除牽引鋼絲繩支架;待注漿管拆除，注漿孔封堵后，對由鋼絲繩、牽引鋼絲繩支架、卷揚機、滑板車、對講機組成的輔助系統進行回收再利用。

如上所述施工步驟，施工方便、操作較簡單，可大幅減少頂管側摩阻力，有效增長一次最大頂進距離，減少或避免設置中繼間或工作井，大大提高頂管施工效果和效率，且節省大量的水資源和人力物力，很好地踐行了綠色節約的社會理念。

2項目應用

2.1具體應用條件

采用泥漿比重為1.00g/cm3，粘度在30～50s范圍內，失水量為<25cm3/30min，PH值在8～10之間，靜切力為100Pa，靜置24h無離析的觸變泥漿進行頂管頂進應用對比，選取兩段管道平均埋深為5.0m，地質為砂質粘性土，頂管管徑為DN800，頂距分別為90m和88m時，頂距為88m頂管采用泥水平衡頂管+注漿尾套注漿減阻，頂距為90m頂管采用本技術，按每間隔4節管節布置含4個注漿孔頂管進行注漿減阻，兩者施工方法對比數據見圖7所示：

由上圖表所述，管道平均埋深為5.0m，頂管管徑為DN800，地質為砂質粘性土，頂距為88m條件下，本施工技術較泥水平衡頂管+注漿尾套注漿減阻施工方法頂力小約40%。

2.2最長一次頂進距離推導分析

依據規程[7]進行最長一次頂進距離推導分析。

（1）頂管機的迎面阻力。

Nf=（Dg2γsHs）×π/4

=1.022×18.5×5×π/4

=75.55kN

Dg——頂管機外徑（m），取1.02m;γs——土的重度（kN/m3），取18.5kN/m3;Hs——覆蓋層厚度（m），取5m。

（2）管道的總頂力。

F0=πD1Lfk+Nf

F0——總頂力標準值（kN）;D1——管道的外徑（m），取0.88m;L——管道設計頂進長度（m）;fk——管道外壁與土的平均摩阻力（kN/m2）;Nf——頂管機的迎面阻力（kN）。

由（1）、（2）和試驗數據可推導出在此施工環境的本施工方法的fk約為3.48kN/m2，泥水平衡頂管+注漿尾套注漿減阻施工方法的fk約為5.93kN/m2

（3）鋼筋混凝土管頂管傳力面允許最大頂力。

Fdc=0.5φ1φ2φ3fcAp/（γQdφ5）

=0.5×0.90×1.05×0.85×25.3×221056.00/（1000×1.3×0.79）

=2187.12kN

Fdc——混凝土管道允許頂力設計值（N）;φ1——混凝土材料受壓強度折減系數，可取0.90;

φ2——偏心受壓強度提高系數，可取1.05;φ3——材料脆性系數，可取0.85;φ5——混凝土強度標準調整系數，可取0.79;fc——混凝土受壓強度設計值（N/mm2），這里取25.3N/mm2;Ap——管道的最小有效傳力面積（mm2），Ap=221056.00mm2;γQd——頂力分項系數，可取1.3。

（4）頂管一次頂進最大長度估算

由（2）、（3）可按如下計算出兩種施工方法頂管頂進最長距離。

按鋼筋混凝土管頂管傳力面允許最大頂力來計算，F0=Fdc=2187.12kN。

本施工方法：

Lmax=（F0-Nf）/（πD1fk）

=（2187.12-75.55）/（3.14×0.96×3.48）

=201.29m

泥水平衡頂管+注漿尾套注漿減阻施工方法：

Lmax=（F0-Nf）/（πD1fk）

=（2187.12-75.55）/（3.14×0.96×5.93）

=118.13m

綜上可知，本施工方法減阻效果好，一次頂進距離接近是泥水平衡頂管+注漿尾套注漿減阻施工方法的兩倍，而且泥水平衡頂管+注漿尾套注漿減阻施工方法，頂進到一定長度和時間后，減阻泥漿性質的變化將使其減阻效果逐漸減弱，一次頂進長度有限。在長距離頂管施工中，本技術可持續保持減阻效果大幅度增長一次頂進距離，減少中繼間數量或延長工作井設置距離，對增加施工效率，節省工期方面將會有很好的技術優勢。

3 技術適用范圍

本項目長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工技術適用于小口徑頂管在巖土層中的施工，人員進入較困難，尤其是內徑800～1200mm的頂管施工，根據沿頂管線路注漿孔位置和數量的合理布置可實現小口徑泥水平衡頂管的長距離施工，有效增加了一次頂進長度。可實現在大部分短-中距離頂管一次性頂進施工，在400～1000m的長距離頂管施工中可有效減少中繼間數量，提高施工效率。管道內部空間應滿足作業人員的安全操作要求，在不破壞地面既有建筑物、地下管線等周邊環境的條件下進行的頂管施工，特別是在繁華的城市地段、人流量較大的商業街等的地下空間開發中，將產生顯著的社會效益和經濟效益。

4 經濟及社會效益

傳統頂管工程施工方法相比，長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工技術具有施工路線清晰明確，所用構件常規簡單且可回收利用，實用性較強，可減少繁重、復雜的中繼間的數量，可有效實現長距離頂進施工的同時大大縮短了作業時間等優點，可以縮短工程施工直線工期，平均每公里節約10天，大大減少工人勞動量，降低了勞動強度。使用長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工技術其施工質量和效率大大提高，也減少中繼間的設置，每公里人工費節省0.6萬元，材料費節省約0.5萬元，設備租賃費節省約20萬元，其他費用節省5萬元，每公里節省總費用約26.1萬元，具有較好的經濟效益。

使用長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工技術，極大地減少了工地文明施工強度，提高現場施工的效率，提升現場文明施工形象，大大地提升了公司的整體競爭力，在未來的城市地下空間開發中可發揮重要的作用。

5結論

（1）根據當前長距離小口徑泥水平衡頂管一次施工距離較短，一旦進行長距離頂管施工就需要增加中繼間的情況，設計了一種可實現長距離頂進施工的技術，實現頂管一次頂進距離有效延長，提高了施工工效。

（2）長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工輔助系統由鋼絲繩/牽引繩、滑輪與支架、卷揚機、滑板車、對講機組成，通過長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工輔助系統和小口徑泥水平衡頂管注漿減阻技術的融合，使傳統小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工進行了技術升級，大大提升了的一次可頂進長度，減少中繼間的數量，有效加快施工速度。

（3）長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工技術在小口徑頂管在巖土層中的施工，人員進入較困難，尤其是內徑800～1000mm的頂管施工具有較強的技術優勢，根據沿頂管線路注漿孔位置和數量的合理布置可實現小口徑泥水平衡頂管的長距離施工，有效增加了一次頂進長度。可適用當前主流尺寸管網的頂管施工。

（4）長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工技術在工期上平均每公里節約10天，人工費每公里節省0.6萬元，材料費每公里節省約0.5萬元，設備租賃費每公里節省約20萬元，其他費用每公里節省5萬元，總節省費用每公里約26.1萬元，具有較好的經濟效益。

（5）長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工技術在多個小口徑頂管項目取得了較好的應用效果，隨著類似項目的增多，長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工在其長距離小口徑頂管施工的應用和實踐也將越來越多。

（6）長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工技術具有有效延長一次頂進長度，施工快速、縮短施工工期、降低勞動強度、提高工作效率、節省造價等優勢，在小口徑頂管施工中具有較強的應用價值，隨著技術的不斷完善，長距離小口徑泥水平衡頂管注漿減阻施工技術將會得到大量的推廣應用。

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收稿日期：2021-10-09

作者簡介：文杰（1981—），男，四川南充人，本科，高級工程師，從事項目管理工作。

Abtract：Long-distance and small-diameter mud-water balance jacking pipe grouting drag reduction construction technology includes grouting pipe removal， grouting hole plugging auxiliary system and long-distance pipe jacking grouting and drag reduction construction steps. The auxiliary system is composed of steel wire rope/traction rope， pulley and bracket， hoist， scooter， and walkie-talkie. During the jacking process of the small-diameter mud-water balance pipe jacking， in order to reduce drag， it is necessary to arrange grouting holes in different pipe sections， connect the grouting pipe and perform grouting to reduce drag， and at the same time pull the wire rope to randomly head forward to achieve the pipe jacking construction Reduce drag in the whole process. After the pipe jacking reaches the exit well， lift the pipe jacking machine， install the grouting pipe removal and grouting hole plugging auxiliary system， perform grouting removal and grouting hole plugging， and wait for the grouting pipe to be removed After the grouting hole is blocked， the auxiliary system is removed for recycling and reuse， which truly realizes the long-distance construction of small-diameter mud-water balance pipe jacking， greatly improving construction efficiency， good economic and social benefits， and good promotion and application value.

Key words：long-distance;auxiliary system;slurry balance;grouting drag reduction