顶管注浆减阻技术

顶管注浆减阻技术

近年来，顶管技术朝着大管径、长距离的施工方向发展。特别是在繁华大都市的市政建设项目中，长距离地下顶管技术以其独有的优势被广泛地应用。

然而由于我市土质多为亚粘土、沙性土，顶进中摩阻系数大而使顶进长度受到限制。所以开发新的减阻技术，是实现大管径、长距离顶进的关键。

1 长距离顶进的方法、减阻材料及工艺效果

目前实现顶管的长距离施工的技术保证措施，除了设置中继间外，更重要的是通过注浆工艺来减小管材与土壤的摩擦阻力。采用注浆工艺润滑、减阻后可以使顶距提高40％一70％。

减阻用的主要材料是膨润土和水。当膨润土与水混合后，由于水掺人膨润土中，膨润土在水中膨胀重量可以达到膨润土原重量的60 0％—700％。经搅拌储存呈凝状，在有外力作用下呈流动状态，这种材料注夹在管外壳与土壤之间，会大大降低管节推进的摩阻力。静止时泥浆有良好的稳定性。为使膨润浆液有良好的性能，在制浆过程中要适量加一些辅助原料：如纯碱、纤维素CMC、缓凝剂等。

膨润土又分为钙基膨润土和钠基膨润土，吸收钙离子多的为钙基，吸收钠离子多的为钠基膨润土，根据不同的土质选用不同的配方。通过施工我们总结发现：在沙性土中钠基膨润土减阻效果较明显，资料分析显示它比钙基膨润土多含一层极薄的硅酸盐，它与膨润土中的蒙脱

石小粒子结合中易形成空隙构造，从而使浆液膨润性增加。触变以后流动性好，静止下来有胶凝性与固化性。

高效钠基膨润土浆液配方是：膨润土24kg，水76kg，碱0.8kg。

在不同的土质和施工条件下，对减阻泥浆性能有不同的要求。在沙性土质中，土层易塌方，流沙与地下水压向整个管壁，普通浆液达不到减阻效果，如在淤流沙层内，土层无水板结，遇水成流沙，膨润土会被流沙层内的水稀释，减阻效果就差。在这种情况下，①、要提高浆液粘度；②、应掺入CMC经甲基纤维素，以提高浆液抗剪切能力及润溶性。配方中的纯碱可提高浆液稠度，增加钠离子改变土粒子水化性能，但若加倍过量投入会破坏浆液的性能。

将搅拌好的浆液放入储浆罐中，须经3—4h存储待膨润土颗粒充分吸水膨胀(吸水率2h，430％)方可使用。此时浆液性能几项指标约为：粘度80s，静切力21mg／cm2，pH值0.8—10，比重约为1.17。粘稠度适中，用木锨棒插入液中能立住。

应注意的是：各地生产的膨润土成分特性相差较大，使用前要取样做试验。

在被顶进的混凝土管材上预留3—4个注浆孔，用口径为1英寸(0.0254m)的橡胶管与各注浆孔连接，接到主注浆管上，再用软管连接到注浆泵上，泵的一端连接到储浆罐上。

近些年由于顶管采用注浆减阻工艺使顶管工程的口径及顶距都有大幅度提高，最大管径和最大顶距分别达到2400mm和290m。

2 注浆工艺中的顶力、摩擦力确定

顶力是顶管工作中的重要因素，后背主顶千斤的顶力要克服各种阻力方能前进，如管材自重，顶进惯入阻力，摩擦阻力，管道上垂直、水平的侧压力等。又由于影响顶力值的原因较多，如：土质特性、覆土深度、土壤含水量、顶进管径的大小及长度、管材表面光滑度、土压力、作业环境突变产生的摩擦阻力等，这些因素往往复杂地交织在一起，在施工现场难以及时计算出来。经过总结、归纳、综合，以及在特殊情况下采用安全系数法，同时在众多情况中找出主要因素，编出了通常工程采用的经验公式，可简便计算顶力和摩擦阻力。

顶力计算经验公式如下：

P=10KμπLD

式中：P一主顶推力(kN)；

K—安全系数(1—1.3，一般取1)；

μ一摩擦系数(0.9天津取值)；

π—圆周率；

L—顶进长度(m)；

D—管材外径(m)。

泥水平衡式和土压平衡式顶管为封闭式顶进，由于封闭式掘进机顶进过程中产生迎面阻力P迎(kN/m2)，这时的土压平衡或泥水平衡式摩擦系数为：

μ=(P-P迎)/( 10KπLD)

式中：P迎一掘进机头截面积与土压力的乘积。

3 顶管注浆减阻的事例

目前顶管较常用的方式是人工掘进式、机械土压平衡式和泥水平衡式。而无论采用哪种形式，长距离顶管施工中均采用注浆工艺减阻。在地质条件差的地段，有时推力上升很快，管道因土层阻力大导致顶管顶不动仍是其中最大难题。且长距离顶进又受各种机具性能的影响和制约。封闭式机头与开启式机头差异，重型机头与轻型机头差异，土压平衡顶管与泥水平衡式顶管差异，土层、地基承载力强弱差异等。下面以我公司在本市及外埠施工中采用的三种顶管方式，简介顶管注浆减阻技术在工程中的应用。

[实例1] 1997年秋季在苏州工业园区进行的排水管道顶管施工中，混凝土管为H级，管内径D2000mm，管外径D2420mm，埋深7.5m。地质条件为粉土流沙等。由于环境原因，设计施工由x3—x5#一次顶进距离145m。由于特别精心编制注浆工艺方案，特意从天津调运膨润土，并对配料、拌浆、注浆、摩擦阻力等进行了严格的管理，使得145m长距离在没有启动中继间的情况下，一次顶进到位，实际最大顶力4400k N，比原预计顶力还低30％。

[实例2]在上述同一工程的某一段的施工中，管径、埋深均相同，但由于某种原因在顶进开始的前几节管时，液压校正千斤顶掌握不好，开头的几节管子产生了较大的误差。随后，又校正得过于着急，使得管道先由左偏急转偏右，高低变化过大。又因长期降水泥土固结，在顶至48m时顶力就达到了5370kN，采用中继间的方法又顶至60m时，主顶力

已达8480kN，混凝土管口发生了崩口破坏，周围处受力达到极限。为了防止管子崩裂造成更大的事故，只好停止顶进(该段长100m)。分析原因主要是管道曲折破坏了泥浆套的完整性，浆套基本上不能成型，注浆根本不能减阻。另一个原因是管子折弯处产生应力集中导致管口破坏漏浆。为解决中途顶不动的大问题，在60m处打桩，挖开“天窗”取出工具管，在此处做主顶坑，将余下的40m顶完。

事实说明，注浆和泥浆套的好坏对降低阻力有非常重要的作用。该60m的摩阻力达18.9kN／m2，不能完成顶进全程的任务。

[实例3] 1999年夏季在天津建国道排水管工程中，采用机械式土压平衡顶管，管内径D2400mm，外径D2860mm，管顶覆土厚度6.5m，顶进距离289m，主顶千斤顶2250kN共6台，后方液压站最大压力32MP a，整个顶程启用一套中继间，管线推进最大顶力12700kN，机头迎面顶力经计算为960kN。

计入中继间推力后，摩阻系数μ应为2倍值：

2μ=(12700-950)／(10×2.86×289π)＝0.9

该段管道顶进中严格纠偏量的控制，顶进管口平直，注浆管每节预留的3个注浆孔成120°，顶进时的注浆、触变泥浆经过压浆泵被输送到顶管管材的外壁，在管口端部经钢套环挤出后即可与土壤结合，形成了一个完整的润滑浆套，可减小顶进的阻力。在拌浆操作中，使用2个2m3的储浆罐将现拌的和触变泥浆和储存浆分开，使浆的熟化程度较好，使管道达到了较好的减阻效果。