浅谈矩形顶管顶进注浆技术要点

浅谈矩形顶管顶进注浆技术要点

庞杰坤

广东省基础工程集团有限公司510620

摘要：在城市地下管网的建设中,采用非开挖技术铺设管道不影响地面交通并可穿越河流、建筑物等障碍,近年来得到迅猛发展。泥水平衡顶管技术作为一种非开挖技术,也得到快速发展,其主要优点是：适用土质范围比较广、可有效保持挖掘面的稳定、总推力比较小、适于长距离顶管、作业面安全、泥水输送弃土的作业连续进行、施工进度较快。

关键词：泥水平衡；顶管；注浆；沉降控制

本工程拟建的通道位于深圳地铁九号线梅景站南端，横跨北环大道，北环大道为双向12车道的主干道。通道采用顶管法施工，长度为105m，通道截面的外包尺寸7.7m×4.5m（宽度为7.7m，高度为4.5m），通道覆土深度为9m。穿越的土质主要为粉质粘土。

1.泥水平衡顶管施工工艺

泥水平衡顶管的工艺流程：工作井制作→测量放样→井下导轨机架、液压系统、止水圈等设备的安装→地面辅助设施安装→顶管机头吊装就位→激光经纬仪安装→整套系统调试→顶管机头出工作坑→正常顶进→顶管机头进接收井→清理,撤出工地。泥水平衡顶管系统共分八大系统：①掘进机；②进排泥系统；③泥水处理系统；④主顶系统；⑤测量系统；⑥供电系统；⑦吊装系统；⑧洞口止水圈、基坑导轨等辅助系统。

2.注浆设备及管路

选择适宜的注浆设备是注浆减阻成功的根本保障。现在使用的顶管注浆设备有往复活塞式注浆泵、螺杆泵及胶管泵等；使用最多的则是螺杆泵。它无脉动、自吸能力强、压力均匀平稳,缺点是不能通过较大颗粒及尖锐杂质,且不能在无浆液的情况下干转。

注浆孔一般按90°或120°设计成4个或3个，采取点式注浆。注浆管路分为总管和支管：总管采用Φ40钢管，以减小浆在管中的阻力，距离短时可用胶管；支管用Φ25胶管。在每根支管与总管连接处应设置1个球阀。

2.1注浆控制

注浆原则：先压后顶,随顶随压,及时补浆。注浆控制包括：注浆量、注浆压力和注浆速度。

注浆量是注浆减摩中重要的技术指标,它反映的是顶管的长度和浆膜厚度的量化关系。它和顶管的管材、顶管长度、土体结构及含水率等因素有关。从顶管注浆开始,就要对注浆量、顶进长度、顶进推力、注浆压力及时间作综合的对比记录,并可根据注浆量及顶进长度、浆膜厚度,对减阻效果进行动态分析。在顶管过程中注意观察浆池内浆面是否下降,下降多少并统计注浆量。

注浆压力应平稳均匀。一般通过观察贮浆池内浆液减少量、顶进长度、顶进推力及估算的浆膜厚度,来综合分析注浆压力是否过大或过少。开始注浆时压力不宜过高,过高不仅不易形成浆套,还会产生冒浆现象,影响减摩效果。另外,还要观察注浆泵上的压力表和注浆管前端的压力表。压力是否正常(注浆管前端的正常压力应为地下水压力再加上20～50kPa),出洞后可调试。

注浆速度受很多因素影响和制约,如注浆孔的设置、浆套形成快慢及效果、顶进速度等。可根据实际工程中减摩效果及注浆压力对注浆速度进行调节,以适应工程需要。

2.2泥浆置换

顶进结束，对已形成的泥浆套的浆液进行置换，置换浆液为水泥砂浆并掺入适量的粉煤灰，在管内用单螺杆泵压住。压浆体凝结后（一般为24小时）拆除管路换上封盖，将孔口用环氧水泥封堵抹平。

2.3泥浆配制

目前，常用的注浆材料主要有膨润土、聚合物、泡沫等。在顶管工程中应用最广泛的是膨润土泥浆。膨润土泥浆又称触变泥浆,是由膨润土、粉末化学浆糊(CMC)、纯碱和水按一定比例配方组成。泥浆配制时,在货源上应优选颗粒细、胶质价高的膨润土。在制作过程中,为了使膨润土充分分散,搅拌应充分均匀，泥浆拌和后的停滞时间应在12h以上。

3.矩形顶管顶进工艺

在基坑开挖深度范围9m范围内其被动土压力为16087KN。作为工程施工需要，被动土压力提供顶力的反力应为顶力的2倍方可确保安全。而后靠土体提供反力16087KN<顶管所需顶力2*24155.15KN=48310.3KN。在施工过程中，如后靠土体被动土压力无法提供足够顶管所需的反力，当顶力达到后靠土体被动土压力临界值时，将引起侧墙的倾覆或其他重大安全隐患。故建议应对顶管工作井后靠背土体进行加固，使之能提供足够顶力，确保工程的顺利进行。

3.1顶管始发

3.1.1初始穿墙顶进

本工程拟在顶进井出洞口安装可拆式止水钢圈，再在钢圈上上安装止水胶圈，达到止水效果。洞口安装好止水圈后，吊住工具头，顶出推进千斤顶，将环形顶铁对准工具头尾部，将工具头缓缓推进到井壁洞内。安装好所有管线（电力电缆、信号线、油管、触变泥浆管），转动刀盘，向工作仓注入一些泥浆，开始顶进，进入正常顶进工序。

顶管穿墙时要防止工具管下跌，在穿墙的初期，因入土较小，工具管的自重仅由两点支承其中一点是导轨，另一点是入土较浅的土体。这时作用于土体支撑面上的应力很可能超过允许承载力，使工具头下跌。因此，工具头穿墙时，一方面要带一个向上的初始角（约5′）另一方面穿墙管下部要有支托，并且加强管段与工具管，管段与管段之间的联结。此外，工具管的推进一定要迅速，不使穿墙管内的土体暴露时间太长。暴露时间越长，危险性越大。顶管穿墙位置必须作好止水，防止孔口因为流失减阻泥浆，造成孔口塌陷，发生安全事故，或者减阻失效。

3.1.2调整舱内舱外达到泥水平衡

工具头的操作全部采用在管道外（始发井上）控制台控制，只需1个机手操作，可实现对工具头刀具的转动、纠偏控制、压力显示、实时监控(工具头安装了摄像头、控制台上安装电视机)。顶进千斤顶，观察工作仓的泥水力表，控制顶进速度和出土量保证舱内、舱外压力平衡；舱内压力过大，地面隆起；舱内压力过小，地面沉陷，所以控制顶进与出土的速度相当关键。

3.2顶管机顶入接收井

顶管机顶入接收井是一项关键的施工环节。在顶管未顶入接收井前，先将接收井施工好等待顶管机的接收。当顶管管道接近接收井时，必须先复测本段管道的长度与设计长度相符，然后通过测量得知顶管机出口的具体位置，将接收井工具头出洞位置的混凝土护壁凿除。顶管机快速顶进，顶管机出洞。如遇地下水丰富时，用棉纱堵塞住管和洞口间的空隙，等顶管机完全出洞后即用水玻璃或水泥浆压住止水。

3.3正常顶进

顶进过程中，要求边注入触变泥浆边顶进，不注浆不顶进的原则。

停止顶进或拼接管段、排除故障等原因造成短期或长期停顶时，要求工具头中留有足够土塞或注泥浆平衡土压力。

重新开始顶进时，应对整个管路进行补浆。

顶进一节管后，回缩千斤顶，拆开水、电、气、通风、泥浆管路，吊入下一节管段，调直对中，安装好接头止水材料，安装回各顶铁，接通各管线，开动油泵顶进一个千斤顶行程，测量，纠偏，安放顶铁顶进，直至放一节管，又重复上述流程。

机头的直径一般比混凝土管外径大2cm，使的管与洞之间有2cm的空隙，容易形成泥浆套，便于减少管壁与土之间的摩擦阻力。

4管壁外的触变泥浆减阻措施

在长距离顶管中，随着距离的增长，管道经过不同的土质时，推力上升的很快，一旦摩擦阻力过大导致管道所受顶力不均匀，当顶力超过混凝土管所承受的极限时，混凝土管就有可能破坏，因此管壁外的减阻是工程顺利完成的必要措施。

通常我们采用在混凝土管周围注触变泥浆，将混凝土管与土之间的干摩擦变为湿摩擦，达到减阻的目的。一般混凝土管壁与砂层土体的摩擦力达2~3t/m2，而采用触变泥浆减阻后，摩阻力可以减少到0.1~0.5t/m2。在长距离混凝土管顶进中，必须采取连续触变泥浆减阻措施，以增加一次顶进长度。

触变泥浆通过制造、储存、压浆系统，从工具头处压入触变泥浆，形成一定厚度（25mm左右）的泥浆套，间距10m设一道补浆孔，使顶管在泥浆套中向前滑行，减少摩阻力，根据压力表和流量表，计量桶控制用浆量，压力控制在自然地下水压的1.1～1.2倍。

制备泥浆的材料及其配比严格按要求选用，经现场试验，以确保泥浆性能良好，必要时可加其他外加剂。

结论

以上施工程序及施工方案,通过自我的理论与实践的结合,将本工程安全顺利地保质保量完成。但各个工程的地理、地质水文环境的不同,在施工程序及施工方案上也各有不同,需结合工程本身的特点进行选择,避免工程中存在的困难点,扬长避短地达到工程顺利完成的目的。

参考文献

[1]余彬泉,陈传灿.顶管施工技术[M].北京：人民交通出版社,2013.

[2]马保松,蒋国盛,等.顶管和微型隧道技术[M].北京：人民交通出版社,2014.