长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工技术

文杰 张益 周书东 张彤炜 刘正刚

摘  要：长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工技术包括注浆管拆除、注浆孔封封堵辅助系统和长距离顶管注浆减阻施工步骤。辅助系统由钢丝绳/牵引绳、滑轮与支架、卷扬机、滑板车、对讲机组成。小口径泥水平衡顶管在顶进过程中，为了减阻需要在不同管节布置注浆孔、连接注浆管并进行注浆减阻，同时牵引钢丝绳随机头向前顶进，实现顶管施工全程减阻，待顶管顶至出口井后，吊出顶管机，安装注浆管拆除、注浆孔封封堵辅助系统，进行注浆拆除、注浆孔封堵，待注浆管拆除，注浆孔封堵后，拆除辅助系统进行回收再利用，真正实现小口径泥水平衡顶管的长距离施工，大大提高施工效率，经济社会效益好，具有较好的推广应用价值。

关键词：长距离;辅助系统;泥水平衡;注浆减阻

中图分类号：TU94    文献标识码：A      文章编号：2096-6903（2021）11-0000-00

0引言

随着城市化进程的不断推进，地下空间资源的开发利用越来越受到重视，涉及到城市地下基础设施项目越来越多，地下排水系统建立和发展的巨大需求推动了地下顶管施工技术的革新与发展，同时也带来了很多挑战。

明挖法施工對原有地面和既有基础设施等周边环境的的影响较大，因而在城市地下空间的开发中会受到较多的限制，而顶管施工技术能顺应城市地下空间的开发需求而得到重视。

目前，传统顶管施工技术为解决一次掘进距离长的问题，通常采用设置中继间接力顶进的方式，或者通过短距离分段一次顶进的方式[1]。设置中继间的施工工艺复杂，中继间与管节之间的连接技术难度较大，拆装耗时;短距离分段顶进，需要增加顶进井和接收井的开挖数量，对周边环境的影响较大，而且施工进度慢，两种传统的顶管施工方法均导致长距离顶管工程施工成本较高。很多地下顶管具有口径小的特点，也给解决顶管工程在施工过程中遇到的问题加大了难度。

为解决上述问题，研发一种工艺简单，维护方便，成本较低，绿色环保，且实用性较强的长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工技术十分有必要。本技术成功的在“茅洲河流域综合整治（东莞部分）一期项目—截污次支管网工程、东莞市石马河流域综合治理项目EPC+O工程、2019年龙岗区龙岗河流域、观澜河流域消除黑臭及河流水质保障工程（平湖街道-平湖工区）等项目得到应用，本文将通过以具体项目为例，阐述长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工技术的主要内容。

1关键技术内容

当前小口径泥水平衡顶管注浆减阻技术单一，小口径泥水平衡顶管较难沿顶进线路布置注浆孔进行注浆减阻，不能充分发挥减阻作用，制约注浆孔布置的注浆管拆除、注浆孔封堵技术少，小口径长距离泥水平衡顶管注浆减阻相关技术缺乏，未形成小口径顶管注浆管拆除、注浆孔封堵施工设备和施工技术。本工法开发了一套可实现小口径顶管注浆管拆除、注浆孔封堵的辅助系统，并基于辅助系统提出一套小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工工艺，并最终形成一套完整的施工技术。

1.1 辅助系统组成及作用

针对小口径泥水平衡顶管注浆减阻管拆除、注浆孔封堵施工困难等问题，设计了一套实用性较强的辅助系统。长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工辅助系统主要由钢丝绳/牵引绳、滑轮与支架、卷扬机、滑板车、对讲机组成（见表1）。

表1 辅助系统的组成部分及作用

组成部分 作用

钢丝绳/牵引绳 主要是地面两台卷扬机与滑板车的连接纽带作用

滑轮与支架 减少钢丝绳的摩擦阻力、提供导向作用

卷扬机 为钢丝绳提供拉力，控制滑板车的速度以及开停

滑板车 提供人工作业平台，携带照明设备、封孔装置等工具

对讲机 加强管内作业人员与地面操作人员之间的联系，传达施工作业指令

1.2 全程减阻的实现

针对泥水平衡顶管注浆减阻施工注浆孔沿顶管线路布置位置单一、减阻效果有限的特点，提出一种可控制沿顶管线路布置注浆孔位置的施工方法，并总结出一套可行的施工流程，实现顶管施工全程减阻的功能，有效延长顶管一次顶进距离，并最终形成一套完整的施工技术。

1.3 施工工艺流程及操作要点

1.3.1辅助系统作业流程

（1）滑轮及支架安装。将泥水平衡顶管机吊运出接收井后，钢丝绳留在管道内。在工作井上方分别安装钢构件作为支架垫片，应保证钢构件与工作井边紧密连接;然后在垫片上面支设支架以及滑轮，两端管道洞口附近的滑轮应与管道上壁预留足够的距离，钢丝绳不能与管壁接触。

（2）钢丝绳和牵引绳安装。牵引钢丝绳支架安装完毕后，将管道内的钢丝绳附着在滑轮凹槽上，两端各自连接一台设置在地面上的卷扬机;通过控制卷扬机的速度，对钢丝绳进行预拉处理，使之保持适度的绷紧状态，然后通过牵引绳将滑板车的两端分别固定在钢丝绳上，使之具有双向控制的功能。

（3）拆除注浆管，封堵注浆孔。滑板车安装完毕后，开始进人操作。井内作业人员平躺在滑板车上，通过对讲机联系地面操作人员控制地面卷扬机的开停，利用钢丝绳牵引滑板车顺管道前行，待滑板车前进至含注浆孔管节位置时，停下滑板车，拆除注浆管，封堵注浆孔。其作业原理见图1、图2所示。

（4）支架拆除，再回收。重复步骤（3），拆除所有的注浆减阻管，封堵所有注浆孔后，滑板前进至接收井，从外拖出注浆管，拉出钢丝绳，拆除牵引钢丝绳支架。

1.3.2长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工步骤

本专项技术研究通过借鉴和吸取国内外顶管注浆减阻施工的经验[2-6]，对长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工技术进行了研究，确定具体施工步骤如下：

（1）根据地层情况、埋深、管径等条件，确定泥水平衡顶管机及管节类型，并确定含注浆减阻孔管节位置和布置数量。含注浆减阻孔管节布置管节和数量，可根据勘察资料，顶进长度，综合确定。含注浆孔的管节在同一平面上沿圆环四周均匀分布4个含单向闸门的注浆孔，成90º环向分布。在注浆孔处设置了相应的注浆管，并对注浆管和注浆孔的接触部位进行密封处理。

（2）泥水平衡顶管机及其施工系统安装，泥水平衡顶管机携带钢丝绳向前顶进，如图3所示;

（3）顶进至含注浆减阻孔管节，在管节上安装注浆管，管节顶进、进入地层一定位置注入泥浆进行减阻;

（4）随着顶管机的掘进，安装不含注浆孔管节，原来含注浆减阻孔管节进行注浆，并顶进新装管节;

（5）后续含注浆孔管节和不含注浆孔管节施工按照步骤3）、4）重复进行，直至掘进至出口井，停止顶进，松开钢丝绳，拆除进泥管和出泥管，吊出泥水平衡顶管机头;

（6）牵引钢丝绳支架安装，并将钢丝绳安装在牵引钢丝绳支架上，钢丝绳两端各自连接一台地面上卷扬机。牵引钢丝绳支架安装可采用提前施工预埋件和后期安装两种模式。卷扬机现场作业如图4所示。

（7）安装滑板车，并将滑板车一端固定在钢丝绳上。滑板车的长度和宽度设置满足作业工人平躺及作业要求，而且滑板车顶至顶管上侧内壁净距离满足工人作业要求。

（8）作业人员平躺在滑板车上，利用钢丝绳牵引滑板车前行（如图5，图6所示），且滑板车上携带照明设备、封孔装置，作业人员通过对讲机与地面操作人员联系控制地面两台卷扬机的开停。通过对讲机与地面操作人员联系，嚴格控制滑板车的前进速度和滑板车的开停。

（9）滑板车前进至含注浆孔管节位置，停止滑板车，拆除注浆管，封堵注浆孔。滑板车应准确停在含注浆减阻孔管节位置附近，方便作业人员拆除注浆管、封堵注浆孔。

（10）重复步骤（9），拆除所有的注浆管，封堵所有注浆孔后，滑板前进至接收井，从外拖出注浆管，拉出钢丝绳，拆除牵引钢丝绳支架;待注浆管拆除，注浆孔封堵后，对由钢丝绳、牵引钢丝绳支架、卷扬机、滑板车、对讲机组成的辅助系统进行回收再利用。

如上所述施工步骤，施工方便、操作较简单，可大幅减少顶管侧摩阻力，有效增长一次最大顶进距离，减少或避免设置中继间或工作井，大大提高顶管施工效果和效率，且节省大量的水资源和人力物力，很好地践行了绿色节约的社会理念。

2项目应用

2.1具体应用条件

采用泥浆比重为1.00g/cm3，粘度在30～50s范围内，失水量为<25cm3/30min，PH值在8～10之间，静切力为100Pa，静置24h无离析的触变泥浆进行顶管顶进应用对比，选取两段管道平均埋深为5.0m，地质为砂质粘性土，顶管管径为DN800，顶距分别为90m和88m时，顶距为88m顶管采用泥水平衡顶管+注浆尾套注浆减阻，顶距为90m顶管采用本技术，按每间隔4节管节布置含4个注浆孔顶管进行注浆减阻，两者施工方法对比数据见图7所示：

由上图表所述，管道平均埋深为5.0m，顶管管径为DN800，地质为砂质粘性土，顶距为88m条件下，本施工技术较泥水平衡顶管+注浆尾套注浆减阻施工方法顶力小约40%。

2.2最长一次顶进距离推导分析

依据规程[7]进行最长一次顶进距离推导分析。

（1）顶管机的迎面阻力。

Nf=（Dg2γsHs）×π/4

=1.022×18.5×5×π/4

=75.55kN

Dg——顶管机外径（m），取1.02m;γs——土的重度（kN/m3），取18.5kN/m3;Hs——覆盖层厚度（m），取5m。

（2）管道的总顶力。

F0=πD1Lfk+Nf

F0——总顶力标准值（kN）;D1——管道的外径（m），取0.88m;L——管道设计顶进长度（m）;fk——管道外壁与土的平均摩阻力（kN/m2）;Nf——顶管机的迎面阻力（kN）。

由（1）、（2）和试验数据可推导出在此施工环境的本施工方法的fk约为3.48kN/m2，泥水平衡顶管+注浆尾套注浆减阻施工方法的fk约为5.93kN/m2

（3）钢筋混凝土管顶管传力面允许最大顶力。

Fdc=0.5φ1φ2φ3fcAp/（γQdφ5）

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

=2187.12kN

Fdc——混凝土管道允许顶力设计值（N）;φ1——混凝土材料受压强度折减系数，可取0.90;

φ2——偏心受压强度提高系数，可取1.05;φ3——材料脆性系数，可取0.85;φ5——混凝土强度标准调整系数，可取0.79;fc——混凝土受压强度设计值（N/mm2），这里取25.3N/mm2;Ap——管道的最小有效传力面积（mm2），Ap=221056.00mm2;γQd——顶力分项系数，可取1.3。

（4）顶管一次顶进最大长度估算

由（2）、（3）可按如下计算出两种施工方法顶管顶进最长距离。

按钢筋混凝土管顶管传力面允许最大顶力来计算，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

泥水平衡顶管+注浆尾套注浆减阻施工方法：

Lmax=（F0-Nf）/（πD1fk）

=（2187.12-75.55）/（3.14×0.96×5.93）

=118.13m

综上可知，本施工方法减阻效果好，一次顶进距离接近是泥水平衡顶管+注浆尾套注浆减阻施工方法的两倍，而且泥水平衡顶管+注浆尾套注浆减阻施工方法，顶进到一定长度和时间后，减阻泥浆性质的变化将使其减阻效果逐渐减弱，一次顶进长度有限。在长距离顶管施工中，本技术可持续保持减阻效果大幅度增长一次顶进距离，减少中继间数量或延长工作井设置距离，对增加施工效率，节省工期方面将会有很好的技术优势。

3 技术适用范围

本项目长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工技术适用于小口径顶管在岩土层中的施工，人员进入较困难，尤其是内径800～1200mm的顶管施工，根据沿顶管线路注浆孔位置和数量的合理布置可实现小口径泥水平衡顶管的长距离施工，有效增加了一次顶进长度。可实现在大部分短-中距离顶管一次性顶进施工，在400～1000m的长距离顶管施工中可有效减少中继间数量，提高施工效率。管道内部空间应满足作业人员的安全操作要求，在不破坏地面既有建筑物、地下管线等周边环境的条件下进行的顶管施工，特别是在繁华的城市地段、人流量较大的商业街等的地下空间开发中，将产生显著的社会效益和经济效益。

4 经济及社会效益

传统顶管工程施工方法相比，长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工技术具有施工路线清晰明确，所用构件常规简单且可回收利用，实用性较强，可减少繁重、复杂的中继间的数量，可有效实现长距离顶进施工的同时大大缩短了作业时间等优点，可以缩短工程施工直线工期，平均每公里节约10天，大大减少工人劳动量，降低了劳动强度。使用长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工技术其施工质量和效率大大提高，也减少中继间的设置，每公里人工费节省0.6万元，材料费节省约0.5万元，设备租赁费节省约20万元，其他费用节省5万元，每公里节省总费用约26.1万元，具有较好的经济效益。

使用长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工技术，极大地减少了工地文明施工强度，提高现场施工的效率，提升现场文明施工形象，大大地提升了公司的整体竞争力，在未来的城市地下空间开发中可发挥重要的作用。

5结论

（1）根据当前长距离小口径泥水平衡顶管一次施工距离较短，一旦进行长距离顶管施工就需要增加中继间的情况，设计了一种可实现长距离顶进施工的技术，实现顶管一次顶进距离有效延长，提高了施工工效。

（2）长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工辅助系统由钢丝绳/牵引绳、滑轮与支架、卷扬机、滑板车、对讲机组成，通过长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工辅助系统和小口径泥水平衡顶管注浆减阻技术的融合，使传统小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工进行了技术升级，大大提升了的一次可顶进长度，减少中继间的数量，有效加快施工速度。

（3）长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工技术在小口径顶管在岩土层中的施工，人员进入较困难，尤其是内径800～1000mm的顶管施工具有较强的技术优势，根据沿顶管线路注浆孔位置和数量的合理布置可实现小口径泥水平衡顶管的长距离施工，有效增加了一次顶进长度。可适用当前主流尺寸管网的顶管施工。

（4）长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工技术在工期上平均每公里节约10天，人工费每公里节省0.6万元，材料费每公里节省约0.5万元，设备租赁费每公里节省约20万元，其他费用每公里节省5万元，总节省费用每公里约26.1万元，具有较好的经济效益。

（5）长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工技术在多个小口径顶管项目取得了较好的应用效果，随着类似项目的增多，长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工在其长距离小口径顶管施工的应用和实践也将越来越多。

（6）长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工技术具有有效延长一次顶进长度，施工快速、缩短施工工期、降低劳动强度、提高工作效率、节省造价等优势，在小口径顶管施工中具有较强的应用价值，随着技术的不断完善，长距离小口径泥水平衡顶管注浆减阻施工技术将会得到大量的推广应用。

参考文献

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收稿日期：2021-10-09

作者简介：文杰（1981—），男，四川南充人，本科，高级工程师，从事项目管理工作。

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