頂管注漿減摩技術

李祥俊

中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司

1 工程概況

洛陽市城市軌道交通1號線工程牡丹廣場主變電所外部電源廊道土建施工LYGD1-MDZS-01 標段：包括牡丹廣場主變電所110kV 外部電源廊道K0+000~K2+933.155（含綜合井ZHJ09）段土建工程及其附屬設施工程（排水工程、電氣工程、通風工程、消防工程、綜合接地及電纜支架等）、沿線管線遷改及交通疏解工程等。

頂管區段ZHJ03~ZHJ02 位于洛陽市澗西區舊城區，施工起點為ZHJ03，沿華山路由南向北掘進至ZHJ02接收。起止里程為K0+871~K0+400，最大埋深8m，掘進坡度為千分之5.13的下坡，線路全長469.362m，無轉彎段。

2 區間地質描述

2.1 土質概況

本區間該工作區位于洛陽市澗西區，地貌主要為洛河二級階地，聯盟路與天津路向南地形地貌為黃土丘陵，勘探線路沿線主要為城市交通道路，交通便利。基坑開挖范圍內自上至下依次為①雜填土、②黃土狀粉質黏土、③黃土狀粉質黏土，各個基坑開挖范圍內土質一致。具體土質介紹如下：

（1）黃土狀粉質黏土（Q42dl+pl）。黃褐色、褐黃色；可塑-硬塑，局部堅硬狀；具針、蟲孔，含蝸牛殼碎片、炭屑、陶片、植物根系，含姜石。搖震無反應，稍有光澤，干強度中等，韌性中等。厚度3.6m～5.7m，層底標高150.33m~154.44m。 該層壓縮系數平均值a1-2=0.266MPa-1，最大值為0.360MPa-1，具中壓縮性。濕陷系數為0.021~0.030，濕陷性輕微。實測的標貫錘擊數平均值為7.8 擊。

（2）黃土狀粉質黏土（Q41dl+pl）。褐黃色、棕黃色；可塑-硬塑，局部堅硬狀；針、蟲孔較發育，蟲孔直徑0.5cm，含姜石，棱角狀，直徑1cm~2cm，具白色鈣鹽脈狀析出，含蝸牛殼碎片，具少量不同顏色土塊。稍有光澤，干強度中等，韌性中等，厚度6.2m~8.7m，層底標高142.85m~146.24m。

該層壓縮系數平均值a1-2=0.242MPa-1，最大值為0.317MPa-1，具中壓縮性。濕陷系數均小于0.015，該層土不具濕陷性。實測的標貫錘擊數平均值為9.0 擊。

（3）黃土狀粉質黏土（Q3dl+pl）。棕黃色；可塑-硬塑，局部堅硬狀；具針、蟲孔，孔壁具黑褐色浸染，含姜石，棱角狀，直徑2cm~5cm，具白色鈣鹽脈狀析出，具黑褐色、銹黃色薄膜狀浸染。稍有光澤，干強度中等，韌性中等，該層未揭穿，最大揭露厚度3.2m。該層壓縮系數平均值a1-2=0.225MPa-1，最大值為0.264MPa-1，具中壓縮性。濕陷系數均小于0.015，該層土不具濕陷性。實測的標貫錘擊數平均值為12.0 擊。

2.2 水文概況

勘察期間，該場地在勘探深度范圍內揭露地下水。勘探點地下水位分布在伊河一級階地與黃土丘陵間，地下水穩定埋深在11.3m~14.8m之間，相應標高在143.35m~147.68m之間。

補給來源主要為大氣降水、地下徑流，灌溉水，水量豐沛。地下水排泄主要為人工抽取，其次為地下徑流。地下水動態類型屬氣象~水文型。該場區臨近洛河，地下水水位受洛河水影響大。變化幅度在3.0m左右，根據施工圍護樁的過程中統計實際水位埋深在18m~20m之間。

3 注漿減摩工藝

3.1 長距離頂進的方法、減阻材料及工藝效果

目前，實現長距離頂管施工的技術保證措施包括設置中繼室，值得重視的是采用注漿技術降低了管材和土壤之間的管土摩阻。通過使用注漿技術，在減阻和潤滑之后頂距可提升40%~70%。膨潤土和水為減阻的主要材料，當膨潤土與水混合時，膨潤土在水中的溶脹量可突破膨潤土初始重量的600%~700%。在通過對兩者進行攪拌，貯存成凝后，在外力作用下凝結流動。將其夾在管外殼與土壤之間，從而使管節推動的摩擦力大程度上減少，即可形成有效地泥漿套。

（1）泥漿套的形成及減阻機理。注漿時，首先要將管接頭與周圍土體之間的空隙填充，避免地層的開展受到損失，這樣才能更好地將注漿孔注入的泥漿。當泥漿與土壤融合時，在充分發揮注漿壓力的作用的同時，注入的泥漿會滲入并擴散到地層中，首先是水滲入土壤顆粒的孔隙中，然后是滲透到泥漿與土壤顆粒之間的孔隙。當泥漿滲透達到一定的深度后就會保持靜止，泥漿會在短時間內變成凝膠，填充土壤孔隙，變為混合泥漿土。隨著漿液入滲量的增加，漿液與混合料之間會產生致密的滲塊。隨著滲塊的增多，在注漿壓力的擠壓作用下，大量的滲塊會相互黏結，變成一個較為密實、不透水的類似套管形狀，也可以稱為泥漿套。

泥漿套管可防止泥漿再度滲入土層，要是注入的潤滑泥漿可以在管道周圍產生一個較為完整的泥漿套，那么在下一次注入的泥漿就可以不用向外滲透并停留在管道和泥漿套間的空隙。隨著自重作用，泥漿首先到達的是管道底部，然后上升。當管孔內都填滿泥漿時，頂進管圓周都會被膨潤土懸浮液覆蓋。在浮力的作用下，管道會形成部分漂浮，其有效重量將持續下降，更甚的還會為負值。在實際施工中，因為受到多方面的影響，如環空的不連續性、不均勻性、泥漿損失、地下水和壓力灌漿技術，減摩效果也會產生影響。

（2）注漿系統。注漿管路分為總管和支管。總管釆用鍍鋅鋼管，以減小觸變泥漿在管中的阻力，支管采用膠管。每根支管與總管連接處應設置球閥，在每個注漿孔處也應設置球閥和單向閥，以便對泥漿套的質量控制。在整個頂進過程中，要不斷地壓注觸變泥漿，并使其均勻分布于管壁周圍。因此，注漿孔必須沿管壁周圍均勻布置。

圖1 注漿系統

圖2 膨潤土試驗

將攪拌好的漿液放到儲漿罐，儲存時間一定要達到3h~4h，等到膨潤土顆粒充分吸收膨脹后（吸水率為2h，430%）才能運用。對于這種地層，泥漿性能的幾個指標如下：黏度50s~60s，pH值為0.8~10，比重約1.17，靜剪切力為21mg/cm2，黏度適中，觀察標準為使用木棒插入液中能立住。

3.2 注漿工藝中的頂力、摩擦力確定

頂力在頂管施工中是一個不可忽視的原因。后主頂進千斤的頂力要想推動前進，有必要克服不同的阻力，如管重、頂進慣性阻力、摩擦阻力、管道上的縱橫向、程度測壓力等。而突然特征、覆土深度、頂進管徑大小長度、管材表面光滑度、土壤含水量、土壓、環境等因素造成的摩擦阻力往往是影響頂力值施工質量的多方面因素。在這些復雜因素的情況下，很難對施工現場進行精準的計算。通過總結、歸納、綜合、特殊情況下使用安全系數法，可以將影響施工的重要因素在復雜的情況下標出，編制出工程中常用的經驗公式，這樣一來可簡單地計算頂力和摩阻力。

頂力計算經驗公式如下：

式中:

P——主頂推力（kN）；

K——安全系數（1~1.3，一般取1）；

μ——摩擦系數（根據地方地質情況，取平均值，洛陽黏土地層取值0.9）；

π——圓周率；

L——頂進長度（m）；

D——管材外徑（m）。

封閉式頂進包括兩個方面：一個是泥水平衡式頂管，另一個是土壓平衡式頂管。因為在掘進機中封閉式頂進期間會形成迎面阻力P（kN/M），因此，土壓力平衡或泥水平衡式的摩擦系數為：

式中：

D1——機頭開挖外徑，取2.44m；

Rs——土容重,砂巖取 19.5kN/m3；

Hs——管中覆土深，取平均埋深7m；

3.3 注漿工藝及改良效果

（1）頂管注漿操作：①頂管機頭直徑要比管道外徑稍長一些。如果機頭與管材外徑一致，那么可將鋼筋焊補在機頭殼體上，在頂管機機頭后方和中盾位置加焊一圈鋼筋箍，可以起到拓孔作用，刮掉外側的一層泥漿，對后期注膨潤土的減阻效果會好點。（選用鋼筋厚度不得大于刀盤切削直徑）；②根據灌漿量規劃，漿液厚度約為管道外徑周圍1cm 乘以長度，根據厚度的1~2倍考慮；③在機頭在沙土中封閉掘進時，通過使用土壓平衡頂管施工，在此之前適量的注漿能夠對沙土質的狀況進行改善。土壓平衡可使用干式排泥，方便螺旋機開挖，促進開挖效率；④注漿后，采用置換方式用水泥和粉煤灰配比漿液對觸變漿液，拆除管線后，灌漿孔應及時封堵。

（2）頂管注漿操作效果：本區間段全線長460m，屬于中長距離頂管，經有效地注漿和推進控制，推力得到了有效控制。

圖3 3號井~2號井區間段變化

注漿減阻技術在頂管施工中的應用，可有效減輕工程阻力，使大口直徑、長距離頂管能夠延伸，技術實施簡便，成本較低，有效提升減阻。