淤泥质粉质黏土顶管触变泥浆减阻技术研究

淤泥质粉质黏土顶管触变泥浆减阻技术研究

赵朋朋 王伟

中化学交通建设集团市政工程有限公司 246008

摘要：（文章依托于安庆综合保税区项目内环东路污水管道NHW20～NHW32-1段设计采用D800顶管施工，通过现场技术研究。顶进长度、注浆量）

关键词：（淤泥质粉质黏土泥水平衡顶管、泥浆配比、注浆工艺）

随着国家的科技发展城市管网顶管工程技术不断进步，面临广阔的地域地貌不同条件下的顶管技术也不断有所更新。淤泥质粉质黏土是一种天然含水率大于液限、天然孔隙比在1.0~1.5之间的粘性土。这种土壤主要分布在中国东南沿海地区以及中国内陆的河流、河流、湖泊沿线和周围。由于地基的高压缩性和低强度，地基沉降较大，且大部分不均匀沉降。很容易造成墙体开裂和建筑物倾覆。所以在工程建设中，必须引起足够的重视。

1 工程概况

本项目内环东路污水管道NHW20～NHW32-1段设计采用D800顶管施工，本段顶管工程北起巡关一路与内环东路路口(NHW20)，穿越窑沟后经巡关二路、星光路、庆丰路各路口，南至巡关三路与内环东路路口污水泵站。顶管沿内环东路东侧人行道敷设，全长共计944.8m，本次顶管工作井、接收井以及沉井式检查井位于新建内环东路右侧K0+874-K1+789段，设计主体为钢筋混凝土结构，采用沉井施工；顶管设计管径为D800，坡度i=1‰，管材采用Ⅲ级钢承口钢筋混凝土管，橡胶圈接口，混凝土抗渗标号S8，最大抗压强度不得小于50Mpa，接口抗渗试验应达0.5Mpa。

2 地质水文条件

本工程顶管和沉井位于新建内环东路K0+874-K1+189段，该地区覆盖层主要为第四系全新统及中更新统冲积相地层，现状场地为农田及拆迁区，场地开阔，沟塘密布，窑沟东西向穿越场地而过，地势起伏较小。地貌单元为长江一级阶地，根据设计图纸及地勘报告，本工程顶管井和沉井式检查井主要坐落在②层淤泥质粉质黏土上，井底采用水泥搅拌桩进行土体加固，处理后承载力不小于160kpa。顶管穿越土层为②淤泥质粉质黏土，下卧层为③1粉土夹粉砂，土层物理力学参数见下表主要土层物理力学参数表所示。

根据地勘报告，顶管穿越的淤泥质粉质黏土为主要地下水含水层，长江水与沿岸冲积层内的地下水存在互补关系，水力联系密切，水位动态随季节变化，水量较丰富，地下水位平均在9.02m，原地面高程平均高程为10.75m，设计顶管管道内底高程平均为3.72，管顶覆土厚度为6.9∽7.8m。顶管穿越②淤泥质粉质黏土，该土层含水量＞30%，渗透系数k为10-5cm/s级；承压水主要分布在粉土夹粉砂、粉砂、细砂中砂层中，厚度大，与长江水力联系紧密，水量丰富。

图1 顶管起点位置底层图

图1 顶管终点位置底层图

3 注浆工艺与措施

3.1顶管工作基本概况

该工程工作井采用C35钢筋混凝土结构圆井，经内径尺寸为6.5m，现场选用双杠油缸千斤顶顶管，本工程顶管最短长度28m最长顶管长度160m。

3.2顶力计算分析

1. 顶力分析

施工前需要组织人员对顶力进行计算，其计算公式为：

Fp=πD0Lfk+NF

NF=πD2gP/4

FP:顶进阻力（KN）

D0：管道外径（m），本项目管道内井为0.8m，管道壁厚8cm，管道外径为0.96m

L：管道顶进长度（m）

fk：管道外壁与土的单位面积平均摩阻力（kN/m2）,规范建议对于钢筋混凝土管，管外壁形成和保持稳定、连续的泥浆套时，可取3.0~5.0kN/m2

：泥水平衡顶管机的迎面阻力（kN）

：顶管机外径（m），本项目为1m

：控制土压力（kN/㎡），本项目拟采用被动土压力计算拟取116kN/㎡

本项目管道外壁与土的单位面积平均摩阻力取4.0kN/m2，顶进长度取80m计算，顶管机机头截面尺寸 为1.0m。

经计算得Fp=3.14×0.96×80×4+3.14×12×116/4=2057.330KN

由公式可得影响顶管压力有两个因素即：平均摩阻力Fk的取值和控制土压力 。本研究从该两点出发研究。

2. 平均摩阻力f_k的分析

经查规范的淤泥质粉质黏土地层的平均摩阻力为3.0~5.0kN/㎡。本期分析分两个阶段进行，取 ：控制土压力（kN/㎡）为固定值，单个千斤顶的最大工作不大于900×0.7=630KN，双杠顶力最大不超过1260KN。

第一节段：机头完全进洞至顶进约40节（80m），实测顶力（纵坐标）-管节（横坐标）是什么样的规律曲线，进行一定的分析，根据现场实际分析得下图。

扣除正面阻力 项后，对剩下的管壁侧摩阻力进行分析反算，得到并提出未采用减阻泥浆情况下，淤泥质粉质黏土顶管的 值。

由上得： =Fp- ，本次 = ×π×1²/4=105.19KN；由此可得以下图表分析：

根据以上分析得：淤泥质粉质黏土地层顶管过程中当土压力一定时在不注浆情况下顶力与摩阻力大小成正比，比例系数K1≈36.93

4 注浆减阻

1. 注浆材料

触变泥浆需选用专用成品泥浆材料，现场直接加水搅拌。顶管润滑浆注浆用的膨润土必须是天然钠基膨润土，再经过严格的烘干、粉碎、干燥、球磨、过筛等加工工艺，加工成半成品。顶进施工前要做泥浆配合比试验，找出适合于施工的最佳泥浆配合比，本工程及其他软黏土地层可采用下表4.1、4.2中的触变泥浆参数。

表4.1 触变泥浆技术参数

表4.2 A\B浆配比和技术参数

2. 注浆系统

注浆泵选用BM160三活塞式泥浆泵，注浆主管每隔15m设1只不锈钢隔膜式压力表(量程0～2MPa)，用于沿线补浆，每隔3节管道，设1组注浆口，作为补浆口。顶管机尾设置同步注浆站，包括螺杆泵和小型储浆罐，向机尾后第2~4节混凝土管外压注泥浆。

3. 减阻泥浆注浆方法

注浆原则是注浆时必须保持“先压后顶、随顶随压、及时补浆”，根据顶力情况及时补浆，使摩阻力控制在最佳值。当实际减磨的效果大于fk=2.5kN/m2时，必须及时增加补浆频次和补浆量，必要时(如在粉质或砂质含量较高的地层)改变触变泥浆的成分，在润滑剂材料中掺入聚丙烯胺高分子材料，改善润滑效果。

每顶进一节的同步注浆量理论值为π×(0.52-0.482)×2=0.123m3，主注浆口的实际注浆量，对于黏性土和粉土不应大于理论注浆量的1.5~3倍，考虑到管道在流塑性土层中顶进，注浆量不宜过大，防止地面拱起及管道上浮，本工程按理论注浆量的1.5倍控制，即每顶进一节的同步注浆量为0.185m3。

注浆出口压力应大于地下静止土压力，对于本地层应采用水土合算法，即出口压力应大于17.8×7×0.84=105kPa，考虑到土层呈流塑状，应减少对土体的扰动，防止压穿、冒浆造成浆液的流失，注浆的出口压力控制在115±10kPa。

5 结论

采用总结类似工程经验、理论计算、现场实测数据分析反算、现场微改革微创新、技术管理标准化等研究方法和技术手段，进行了顶力计算参数修正、减阻泥浆施工技术、顶管施工综合技术等方面的研究:

（1）从地层适应性角度分析了土压平衡式和泥水平衡式顶管机的适应性，并综合工效和安全性因素确定设备选型为泥水平衡式顶管机。提出采用增加中心开口率的幅板式刀盘，以适应流塑状土层，避免造成超排引起地面沉降或滞排引起工效降低。

（2）提出注浆总量、注浆压力、顶推力三控的方法指导减阻泥浆施工，采用同步注浆和跟踪补浆技术，并在信息化施工条件下及时总结和调整，很好的控制了总顶力，确保了一次顶进距离，并能够指导200m距离以上的顶进施工。

（3）通过理论计算和现场实测数据反推，提出了在软土地层中形成减阻泥浆套条件下的摩阻系数修正值，为其他长距离顶管施工提供了实践和理论依据。

（4）针对线型姿态控制、各顶进参数协调控制，提出了以规范为基础的技术管理方法，将规定的应该做到什么程度转化为应该怎么管的工作闭环，解决了施工现场指令不及时或模糊的问题，能够为今后的顶管施工技术精细管理提供有力参考。