顶管注浆减摩技术

李祥俊

中铁十一局集团城市轨道工程有限公司

1 工程概况

洛阳市城市轨道交通1号线工程牡丹广场主变电所外部电源廊道土建施工LYGD1-MDZS-01 标段：包括牡丹广场主变电所110kV 外部电源廊道K0+000~K2+933.155（含综合井ZHJ09）段土建工程及其附属设施工程（排水工程、电气工程、通风工程、消防工程、综合接地及电缆支架等）、沿线管线迁改及交通疏解工程等。

顶管区段ZHJ03~ZHJ02 位于洛阳市涧西区旧城区，施工起点为ZHJ03，沿华山路由南向北掘进至ZHJ02接收。起止里程为K0+871~K0+400，最大埋深8m，掘进坡度为千分之5.13的下坡，线路全长469.362m，无转弯段。

2 区间地质描述

2.1 土质概况

本区间该工作区位于洛阳市涧西区，地貌主要为洛河二级阶地，联盟路与天津路向南地形地貌为黄土丘陵，勘探线路沿线主要为城市交通道路，交通便利。基坑开挖范围内自上至下依次为①杂填土、②黄土状粉质黏土、③黄土状粉质黏土，各个基坑开挖范围内土质一致。具体土质介绍如下：

（1）黄土状粉质黏土（Q42dl+pl）。黄褐色、褐黄色；可塑-硬塑，局部坚硬状；具针、虫孔，含蜗牛壳碎片、炭屑、陶片、植物根系，含姜石。摇震无反应，稍有光泽，干强度中等，韧性中等。厚度3.6m～5.7m，层底标高150.33m~154.44m。 该层压缩系数平均值a1-2=0.266MPa-1，最大值为0.360MPa-1，具中压缩性。湿陷系数为0.021~0.030，湿陷性轻微。实测的标贯锤击数平均值为7.8 击。

（2）黄土状粉质黏土（Q41dl+pl）。褐黄色、棕黄色；可塑-硬塑，局部坚硬状；针、虫孔较发育，虫孔直径0.5cm，含姜石，棱角状，直径1cm~2cm，具白色钙盐脉状析出，含蜗牛壳碎片，具少量不同颜色土块。稍有光泽，干强度中等，韧性中等，厚度6.2m~8.7m，层底标高142.85m~146.24m。

该层压缩系数平均值a1-2=0.242MPa-1，最大值为0.317MPa-1，具中压缩性。湿陷系数均小于0.015，该层土不具湿陷性。实测的标贯锤击数平均值为9.0 击。

（3）黄土状粉质黏土（Q3dl+pl）。棕黄色；可塑-硬塑，局部坚硬状；具针、虫孔，孔壁具黑褐色浸染，含姜石，棱角状，直径2cm~5cm，具白色钙盐脉状析出，具黑褐色、锈黄色薄膜状浸染。稍有光泽，干强度中等，韧性中等，该层未揭穿，最大揭露厚度3.2m。该层压缩系数平均值a1-2=0.225MPa-1，最大值为0.264MPa-1，具中压缩性。湿陷系数均小于0.015，该层土不具湿陷性。实测的标贯锤击数平均值为12.0 击。

2.2 水文概况

勘察期间，该场地在勘探深度范围内揭露地下水。勘探点地下水位分布在伊河一级阶地与黄土丘陵间，地下水稳定埋深在11.3m~14.8m之间，相应标高在143.35m~147.68m之间。

补给来源主要为大气降水、地下径流，灌溉水，水量丰沛。地下水排泄主要为人工抽取，其次为地下径流。地下水动态类型属气象~水文型。该场区临近洛河，地下水水位受洛河水影响大。变化幅度在3.0m左右，根据施工围护桩的过程中统计实际水位埋深在18m~20m之间。

3 注浆减摩工艺

3.1 长距离顶进的方法、减阻材料及工艺效果

目前，实现长距离顶管施工的技术保证措施包括设置中继室，值得重视的是采用注浆技术降低了管材和土壤之间的管土摩阻。通过使用注浆技术，在减阻和润滑之后顶距可提升40%~70%。膨润土和水为减阻的主要材料，当膨润土与水混合时，膨润土在水中的溶胀量可突破膨润土初始重量的600%~700%。在通过对两者进行搅拌，贮存成凝后，在外力作用下凝结流动。将其夹在管外壳与土壤之间，从而使管节推动的摩擦力大程度上减少，即可形成有效地泥浆套。

（1）泥浆套的形成及减阻机理。注浆时，首先要将管接头与周围土体之间的空隙填充，避免地层的开展受到损失，这样才能更好地将注浆孔注入的泥浆。当泥浆与土壤融合时，在充分发挥注浆压力的作用的同时，注入的泥浆会渗入并扩散到地层中，首先是水渗入土壤颗粒的孔隙中，然后是渗透到泥浆与土壤颗粒之间的孔隙。当泥浆渗透达到一定的深度后就会保持静止，泥浆会在短时间内变成凝胶，填充土壤孔隙，变为混合泥浆土。随着浆液入渗量的增加，浆液与混合料之间会产生致密的渗块。随着渗块的增多，在注浆压力的挤压作用下，大量的渗块会相互黏结，变成一个较为密实、不透水的类似套管形状，也可以称为泥浆套。

泥浆套管可防止泥浆再度渗入土层，要是注入的润滑泥浆可以在管道周围产生一个较为完整的泥浆套，那么在下一次注入的泥浆就可以不用向外渗透并停留在管道和泥浆套间的空隙。随着自重作用，泥浆首先到达的是管道底部，然后上升。当管孔内都填满泥浆时，顶进管圆周都会被膨润土悬浮液覆盖。在浮力的作用下，管道会形成部分漂浮，其有效重量将持续下降，更甚的还会为负值。在实际施工中，因为受到多方面的影响，如环空的不连续性、不均匀性、泥浆损失、地下水和压力灌浆技术，减摩效果也会产生影响。

（2）注浆系统。注浆管路分为总管和支管。总管釆用镀锌钢管，以减小触变泥浆在管中的阻力，支管采用胶管。每根支管与总管连接处应设置球阀，在每个注浆孔处也应设置球阀和单向阀，以便对泥浆套的质量控制。在整个顶进过程中，要不断地压注触变泥浆，并使其均匀分布于管壁周围。因此，注浆孔必须沿管壁周围均匀布置。

图1 注浆系统

图2 膨润土试验

将搅拌好的浆液放到储浆罐，储存时间一定要达到3h~4h，等到膨润土颗粒充分吸收膨胀后（吸水率为2h，430%）才能运用。对于这种地层，泥浆性能的几个指标如下：黏度50s~60s，pH值为0.8~10，比重约1.17，静剪切力为21mg/cm2，黏度适中，观察标准为使用木棒插入液中能立住。

3.2 注浆工艺中的顶力、摩擦力确定

顶力在顶管施工中是一个不可忽视的原因。后主顶进千斤的顶力要想推动前进，有必要克服不同的阻力，如管重、顶进惯性阻力、摩擦阻力、管道上的纵横向、程度测压力等。而突然特征、覆土深度、顶进管径大小长度、管材表面光滑度、土壤含水量、土压、环境等因素造成的摩擦阻力往往是影响顶力值施工质量的多方面因素。在这些复杂因素的情况下，很难对施工现场进行精准的计算。通过总结、归纳、综合、特殊情况下使用安全系数法，可以将影响施工的重要因素在复杂的情况下标出，编制出工程中常用的经验公式，这样一来可简单地计算顶力和摩阻力。

顶力计算经验公式如下：

式中:

P——主顶推力（kN）；

K——安全系数（1~1.3，一般取1）；

μ——摩擦系数（根据地方地质情况，取平均值，洛阳黏土地层取值0.9）；

π——圆周率；

L——顶进长度（m）；

D——管材外径（m）。

封闭式顶进包括两个方面：一个是泥水平衡式顶管，另一个是土压平衡式顶管。因为在掘进机中封闭式顶进期间会形成迎面阻力P（kN/M），因此，土压力平衡或泥水平衡式的摩擦系数为：

式中：

D1——机头开挖外径，取2.44m；

Rs——土容重,砂岩取 19.5kN/m3；

Hs——管中覆土深，取平均埋深7m；

3.3 注浆工艺及改良效果

（1）顶管注浆操作：①顶管机头直径要比管道外径稍长一些。如果机头与管材外径一致，那么可将钢筋焊补在机头壳体上，在顶管机机头后方和中盾位置加焊一圈钢筋箍，可以起到拓孔作用，刮掉外侧的一层泥浆，对后期注膨润土的减阻效果会好点。（选用钢筋厚度不得大于刀盘切削直径）；②根据灌浆量规划，浆液厚度约为管道外径周围1cm 乘以长度，根据厚度的1~2倍考虑；③在机头在沙土中封闭掘进时，通过使用土压平衡顶管施工，在此之前适量的注浆能够对沙土质的状况进行改善。土压平衡可使用干式排泥，方便螺旋机开挖，促进开挖效率；④注浆后，采用置换方式用水泥和粉煤灰配比浆液对触变浆液，拆除管线后，灌浆孔应及时封堵。

（2）顶管注浆操作效果：本区间段全线长460m，属于中长距离顶管，经有效地注浆和推进控制，推力得到了有效控制。

图3 3号井~2号井区间段变化

注浆减阻技术在顶管施工中的应用，可有效减轻工程阻力，使大口直径、长距离顶管能够延伸，技术实施简便，成本较低，有效提升减阻。