超大断面矩形顶管减阻施工技术

超大断面矩形顶管减阻施工技术

发表时间：2019-04-30T17:30:34.847Z 来源：《基层建设》2019年第4期作者：王国红

[导读] 摘要：苏州市城北路综合管廊工程采用明挖与矩形顶管法结合的方式进行施工，其中顶管段下穿元和塘，且顶管具有断面大、过河段覆土浅、距离长、地质条件差等特点，顶管顶力大，施工风险高。

中铁上海工程局集团华海工程有限公司上海市 201101

摘要：苏州市城北路综合管廊工程采用明挖与矩形顶管法结合的方式进行施工，其中顶管段下穿元和塘，且顶管具有断面大、过河段覆土浅、距离长、地质条件差等特点，顶管顶力大，施工风险高。为了减少顶管施工风险并控制超大断面矩形顶管的推力，本文对矩形顶管减阻技术进行了研究与分析，经工程实践的验证，技术所达到的效果较为理想，可作为类似超大断面矩形顶管减阻施工的参考。

关键词：超大断面；矩形顶管；注浆减阻；

0引言

顶管施工过程中，为了在土中顺利顶进管道，千斤顶的顶进力需要克服各种阻力以及外界因素的影响（纠偏、后背位移）[1]。而在顶管施工设计中，顶进力的确定将直接影响到整个工程的造价，工作井的设计、顶进设备的选择、管道的强度和中继间的位置等都受到顶进力大小的影响。所以，顶进力计算的准确性对于实施顶管工程具有不可忽视的作用。顶进阻力主要包括切削刀盘的迎面阻力和管壁与土体之间的摩擦阻力，并且，摩擦阻力占主要部分。而对于长距离、大断面的顶管顶进，这个问题更不可忽视。。

文献[2-8]分别通过实验、模拟及微观分析对注浆作用及注浆工艺进行了研究，对实际施工提供了参数与技术上的指导；文献[9-17]针对不同的复杂地层设计优选出了相应的泥浆及注浆优化方案；文献[18-26]研究分析了顶管顶进力、摩阻力的计算方法及矩形顶管顶进力的影响因素。以上研究针对顶管工程中泥浆的机理与配比、注浆的技术与优化、矩形顶管的顶力计算等进行了介绍，但实际上泥浆的研究与技术优化大多是针对圆形顶管的，针对矩形顶管的减阻技术的研究仍还较少，且矩形顶管浅埋过河的研究几乎为空白。本文以苏州市城北路（金政街—江宇路）综合管廊工程中顶管施工管段为依托，对超大断面矩形顶管施工的减阻技术以进行深入研究。

1工程概况

苏州市城北路（金政街—江宇路）综合管廊工程GCB2+180～GCB2+420段管廊采用顶管施工，在GCB2+420设置始发井，在GCB2+180处设置接收井，中间取直线，并尽量避开上部建筑，顶进长度233.6m，顶管施工段平均覆土厚度为9m。顶管施工现场如图1所示。

图1 顶管施工现场平面

顶管始发井位于场地东侧，尺寸为14m×15.1m（长×宽），净空尺寸12 m×13.1m（长×宽），内衬墙厚1m，开挖深度为15.826m。始发井基坑采用φ1200mm钻孔灌注桩+内支撑进行围护，桩间嵌缝采用一道φ800@400高压旋喷止水；基坑止水帷幕采用φ800@650三轴搅拌桩止水，旋喷桩与钻孔桩间嵌缝采用一道φ800@400高压旋喷止水；始发端土体加固采用φ800@650三轴搅拌桩，平面形状为矩形，后靠背土体加固采用φ800@650三轴搅拌桩，平面形状为梯形。

顶管接收井位于场地西侧，尺寸为10m×14.1m（长×宽），净空尺寸8m×12.1m（长×宽），内衬墙厚1m，开挖深度为16.520m。接收井基坑采用φ1200mm钻孔灌注桩+内支撑进行围护，桩间嵌缝采用一道φ800@400高压旋喷止水；基坑止水采用φ800@650三轴搅拌桩止水，旋喷桩与钻孔桩间嵌缝采用一道φ800@400高压旋喷止水；接收端土体加固采用φ800@650三轴搅拌桩，平面形状为矩形。

顶管顶进长度233.6m，顶管管节预制152节，综合管廊采用断面尺寸为5.5m×9.1m，壁厚650mm，内径为4.2m×7.8m（见图2）。

图2 管节结构图

管节长度为1.5m/节，单节重约66.8t；管节混凝土强度为C50，抗渗等级为P8。顶管结构全部采用预制矩形钢筋混凝土管节，管节接口采用“F”型承插式。

2工程地质环境

根据地质勘查资料，顶管穿越地层为粉砂夹粉土、粉土层，局部下穿河道处顶管顶部存在淤泥，地下水丰富（见图2）。施工时引起地下水位变化，易引起周边地面产生较大的沉降，对周边建筑物及道路、管线安全造成威胁。为控制地面沉降，确保顶管段地表及结构物安全，顶管采用组合式刀盘土压平衡式矩形顶管机进行掘进施工。

3触变泥浆减阻

3.1触变泥浆减阻机制

触变浆液配置完成后为悬浮液，当悬浮液静止时，会絮凝成凝胶体。当浆液被搅拌、振动或泵送时，转变成黏性液体；当其再次处于静止状态时，又会形成凝胶体。这种液体和凝胶体之间的交替可以发生多次，这类特性称为触变性。泥浆注入在地层与管节间形成泥浆套（图 4），将顶进管道与土体之间的干摩擦变为湿摩擦，减小顶进时的摩擦阻力；此外膨润土触变泥浆还有填补和支撑土体的扰动）同时在注浆压力下，减小土体变形，使隧洞变的稳定。

对于矩形顶管工程，减阻泥浆要具有良好的触变性，泥浆注入管道与隧洞的间隙后，由于无需循环流动，只需使其长时间的保持在节空间隙内，形成凝胶体填充管节与地层间隙，维持良好的润滑减阻作用。因此，触变泥浆设计时，主要需要考虑三点：足够的

图3 泥浆润滑减阻示意图

本工程对泥浆性能要求如表1。

3.2触变泥浆制作

为了达到上述本工程对泥浆性能的要求，使用目前在顶管施工过程中配制触变泥

浆的常用材料——膨润土、CMC、PHP、NaOH，在现场进行正交实验，检查各材料的配伍性，通过滤失量、粘度、触变性等参数的大小，确定泥浆的最优配方。（备注：由于烧碱等添加剂的含量一般表示为膨润土的百分比，但为了实验方便，统一将烧碱等添加剂的含量表示为触变泥浆总质量的百分比。例如：烧碱含量为膨润土含量的6%，而膨润土含量为泥浆总质量的5%，因此，烧碱含量为泥浆总质量的

0.3%）。

通过正交实验，膨润土加量增加使泥浆性能增加明显，添加10%的膨润土泥浆性能能达到70s以上，如添加10%膨润土+1.5%CMC+1.0%烧碱+0.3%PHP泥浆性能优越，粘度能达到78s，失水量达8mL/30min。但原材料用量大，不够经济，而且泥浆粘度大，泵送困难。可在失水量大的局部地段使用。

对于一般地段，现场采用5%膨润土+1.0%CMC+1.0%烧碱+0.6%PHP，泥浆性能为63s（粉砂地层>45s即可），失水量为10mL/30min （粉砂地层<15mL/30min即可）。对于砂土含量高，水压高的地段，可采用特殊地段泥浆配方：7.5%膨润土+1.5%CMC+1.0% 烧碱

+0.6%PHP，相应增加了膨润土和CMC的含量，增加泥浆粘度及减小泥浆滤失量（见表2）。

3.3注浆控制

3.3.1注浆顺序及管路

选择适宜的注浆设备是注浆减阻成功的保障。由于隧道覆土较浅，注浆设备选用螺杆泵，注浆过程中无脉动，自吸能力强，注浆压力均匀平稳。注浆孔沿管节周围进行布置，其中管节设计布置12个DN25减阻注浆孔，而实际只启用了10个注浆孔。注浆管路分为总管和支管，其中总管采用DN50的钢管，支管采用DN25的胶管。在每根支管与总管连接处设置1个球阀，注浆管路如图4所示。

注浆流程：地面拌浆→启动压浆泵→总管阀门打开→管节阀门打开→送浆（顶进开始）→管节阀门关闭（顶进停止）→总管阀门关闭→井内快速接头拆开→下管节→接注浆

表1 粉砂地层泥浆性能要求

图4 管内注浆管路布置图

总管。

泥浆套在同步注浆过程中形成，为保证形成完好的泥浆套，同步注浆范围为顶管机及其后方的4节管节。顶进过程中，顶管机和4节管