触变泥浆技术在宝应县小涵洞顶管工程中的施工工艺

2014-01-30勇黄晓庆闵

治淮 2014年2期

乔勇黄晓庆闵刚

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一、工程概况

宝应县小涵洞新建工程是南水北调东线第一期工程沿运闸洞漏水处理工程之一，该工程位于江苏省宝应县泾河镇运河大堤上，保留原小涵洞，新建小涵洞在原址向南移址新建，主体部分全长96.6m（不含上下游护砌段），洞身段全长69m，其中穿堤段50m采用φ150cm圆管涵进行顶管施工，其余19m采用圆涵埋管型式与大运河连接。圆管涵壁厚0.15m，底板高程3.2m，堤顶高程12.6m，堤顶宽14.6m。

顶管进口工作井布置于堤防道路西侧坡脚的滩面上，采用沉井结构型式，工作井内净尺寸长6.5m、宽5.0m，井壁厚90cm，井壁顶高程8.5m，井底板高程2.0m，底板厚0.7m。顶管出口接收井布置于道路东侧坡脚处，接收井采用开挖土坑型式。顶管结束后，在进口工作井的上游侧布置连接埋管和上游引河，在顶管出口接收土坑内进行消力池的布置。

工作井上游的连接埋管采用φ150cm圆管涵壁厚0.15m，底板高程3.2m，进口处设置钢筋混凝土结构斜降式U形墙与上游引河衔接。

二、工程水文地质情况

勘区土在钻深范围内，上部填土（大运河堤身堆、填土），下部土是地域稳定土层，属河湖相沉积，从工程地质角度看，勘区土自上而下分别描述如下：

第1层：自12.71～3.86m，素填土，贯入击数N=5.5击，比贯入阻力Ps=1.036MPa，承载力标准值fk=70kPa，垂直渗透系数Kv=2.0E-04cm/s。

第2-1层：自6.12～3.09m，淤泥，Ps=0.49MPa，fk=55kPa，垂直渗透系数Kv=3.0E-07cm/s。此层土仅分布在西坡角处。

第2-2层：自3.09～0.28m，粉土夹粉质粘土，Ps=1.149MPa，fk=70kPa，垂直渗透系数Kv=4.0E-05cm/s。此层土仅分布在西坡角处。

第3-1层：自6.62～4.5m，粉质粘土夹粉土，N=6击，Ps=0.515MPa，fk=80kPa，垂直渗透系数Kv=4.0E-06cm/s。此层土仅分布在西侧滩面斜坡处。

第3-2层：自4.5～2.9m，粉土，N =9击，Ps=2.578MPa，fk=90kPa，垂直渗透系数Kv=5.0E-05cm/s。此层土仅分布在西侧滩面斜坡处。

第4层：自3.86～1.71m，粉质粘土，N=5击，Ps=1.781MPa，fk=180kPa，垂直渗透系数Kv=3.0E-06cm/s。

第5层：自1.71～-0.22m，粉质粘土，N=14击，Ps=3.443MPa，fk=230kPa，垂直渗透系数Kv=5.0E-06cm/s。

第6层：自-0.22～-4.36m，粉土夹粉质粘土，N=26.7击，Ps=9.058MPa，fk=180kPa，垂直渗透系数Kv=6.0E-05cm/s。

第7层：自-4.36～-8.11m，粉质粘土，N=21.4击，Ps=4.009MPa，fk=260kPa，垂直渗透系数Kv=4.0E-06cm/s。

第8层：自-8.11～-11.79m，粉土夹粉质粘土，N=21.5击，Ps=9.231MPa，fk=200kPa，垂直渗透系数Kv=1.0E-05cm/s。

第9层：自-11.79m以下，该层土未揭穿，为粉质粘土，N=10.2击，fk=160kPa，垂直渗透系数Kv=3.0E-06cm/s。

场地地震效应：本勘区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组。地面以下20m深度范围内均为粘性土，按抗震设计规范判别，无液化土层。场地土类型为中软场地土，根据区域工程地质资料，场地覆盖层厚度大于50m，建筑场地类别为Ⅲ类，为建筑抗震有利地段。

三、顶管施工

按照常规施工方案，顶管部分可以采用土顶方案，为确保大堤稳定和施工安全，本工程采用保守的封闭式泥水平衡顶管掘进机进行施工，该方案在刀盘作用下在开挖面形成塑性流动状态，采用泥水平衡使工程质量和进度能得到有效控制，地表沉降控制精度高；采用大刀盘泥水平衡顶管掘进机，这种掘进机具有沉降控制精度高，顶进速度快，可以远距离遥控操作，施工可靠性好等特点。根据施工实践，改进主轴密封、提高掘进机灵敏度，使纠偏操作更灵活可靠。

1.触变泥浆的材料与配方

泥浆润滑减摩剂又称触变泥浆，是由膨润土、CMC（粉末化学浆糊）、纯碱和水按一定比例配制组成。不同的土质应采用不同的配方，才能满足不同的需要。

膨润土是触变泥浆的主要材料，作为顶管施工用的膨润土应选钠基膨润

土，由其拌制成的浆液，触变以后的流动性和静止下来的胶凝性、固化性都比钙基膨润土拌制的浆液要好，对土层的支承和润滑效果好。由于我国的膨润土多为钙基膨润土，故一般用钙基土进行钠化处理。

本工程同步注浆和补浆用同一根管路系统，选用同种配方的浆液。

2.触变泥浆的制浆工艺

理论和实际施工表明，除了材料的选择和配方以外，触变泥浆的制浆工艺对注浆减摩效果影响很大。搅拌要充分，搅拌后静置时间一般要12h以上，对同一配方的材料，搅拌不充分，静置时间短，其最终流限可以降低一倍以上。经高速拌浆30min以上抽入储浆箱静置，储浆箱的容积为5m3，充分满足供浆要求。在储浆箱内另设3台搅拌器，静置6h后，再次搅拌，待6h以后抽入另一台高速搅拌器，经再次高速搅拌压入总管。

3.触变泥浆系统的管路布置

系统管路采用同一根总管，总管为2''镀锌钢管，从地面将浆液通过1台液压注浆泵注入支管，在管内通过2台中间接力压浆站送到机头，以满足机尾同步注浆，由地面将浆液通过另一台液压注浆泵压入支管，并送入管内另两台中间压浆站，通过这两台压浆站执行补浆工艺。支管为G1''采用耐高压橡胶顶管和接头。在总管上，每隔30m设1只压力表，支管仅在机尾同步注浆断面设2只压力表。

4.触变泥浆系统的压注方法

制定合理的操作规程，使顶进时形成的建筑空隙及时用润滑泥浆所填补，形成泥浆套，达到减少摩阻力和地面沉降。要达到这一目的，就必须严格执行顶管注浆操作规程，由专人操作，质量员检查严格把好质量关。压浆时必须坚持“先压后顶，随顶随压，及时补浆”的原则，补浆应按顺序依次进行，每班（8h）不少于2次循环，定量压注。

（1）同步跟踪注浆

地面泥浆站配制好的触变泥浆，经液压注浆泵增压后，进入输浆总管，通过环形分管注入顶管机及管节的压浆孔形成泥浆套。当管节顶进时，利用掘进机尾部环向均匀布置的四只压浆孔，与顶进同步进行跟踪注浆，以确保当掘进机向前时在其后形成的环形空隙立即被泥浆所充填，从而形成完整的泥浆环套。

（2）补压浆

管节在顶进过程中，由于有部分浆液流失到土层中去，因此必须利用混凝土管节上的压浆孔进行补压浆。一般在一节管节顶进结束后，就应进行补压浆。而且还要视每段顶进的阻力情况，随机采取分段补压浆。

（3）压浆量与注浆压力

压浆量原则上控制在同步跟踪压浆量为管节外理论空隙体积的5倍左右，补压浆量一般为管节外理论空隙体积的3倍左右。注浆压力值不宜过高也不应过小，采用浆液的粘度和管路输送长度，通过试顶后，压浆站的压力控制在0.28～0.3MPa较为合适。

5.压浆工艺质量的判别和修正

（1）在管内注浆总管上每隔30m设一只隔膜式压力表，在机尾注浆断面的支管上也各设一只压力表。顶管过程中，作业人员每班应记录各表头压力值。判断方法：如果支管路上，四个压浆点的压力值明显不同，说明没有形成环状浆套；这样就必须在压力较小的压浆孔处压浆，或者把压力超高的压浆孔处的浆液放掉一些，以使各孔压力均衡，形成整环浆套；在无压力表的支管路上，可用手触摸支管，如感觉有静止情况，说明该支管堵塞，应予排除；在总管路上，若压力表超过预定值，说明压浆量太大，反之说明压浆量不够，应给以及时调整。

（2）在顶进过程中，可以从主顶系统的液压力值推算出顶进阻力。绘出顶力曲线变化图。如果该曲线显示顶力突然升高，就说明压浆工艺出现问题，应立即查明原因，及时调整。

（3）与触变泥浆有关的常见质量问题及解决方法有：触变泥浆选材质量不好；现场搅拌不充分，水化时间短；注浆泵耐压低；触变泥浆材料配方不合理；注浆孔布置不合理；注浆量没有控制好；管路布置不适应超长距顶管要求；注浆压力不合理；管路接头渗漏、没有形成完整泥浆套，只是偏心浆套，管外壁带土顶进。出现上述质量问题采取下列方法处理：选材应进行测试和论证；配方应进行筛分和优化；搅拌和水化时间大于6h；科学合理地按设计的管路进行布置；采用液压注浆泵，并维修好，确保耐压大于2MPa；按超顶管要求，设中间注浆泵站；注浆量和注浆压力按设计要求控制；所有压浆接头用生料带包扎，确保无渗漏现象；压浆工艺由当班班长负责，确保整条管道形成完整泥浆套。

6.触变泥浆具体施工及布置

本工程顶管施工用膨润土触变泥浆，在地面压浆站配制后，通过液压注浆泵压入输浆总管及管节上设置的环形分管注入至顶管机及管节的各个注浆孔形成管节外围泥浆套。地面储浆箱外形尺寸L×B×H＝2m×1.5m×1m=3m3，由搅拌筒搅拌的泥浆抽入储浆箱进行水化膨胀，再通过液压注浆泵压入管内，在膨润土泥浆压入以前，对储浆箱内经水化的泥浆再一次搅拌，以减少压浆管道的阻力。注浆泵站由SYB50／50—II型单缸液压注浆泵和液压动力站组成，注浆量Q＝80L／min，注浆压力 P=0.28～0.3MPa，输浆总管由φ2''镀锌钢管和球阀、水暖管件等组成，与管节上各压浆孔接通的环形管，采用φ1''高压软管。