触变泥浆在顶管施工减阻技术的应用

摘要：本工程以北京市昌平区马池口再生水厂及配套污水管网工程为例，重点阐述了注浆技术在人工顶管中的应用。

关键词：注浆;污水工程;机械顶管;应用

引言

随着中国经济的发展和基础设施建设的需要，基础设施迅速增加与更新。顶管施工技术在我国地区广泛用于城市地下各种管道的非开挖铺设施工中。非开挖技术是近几年开始频繁使用的一个术语，它涉及的是利用少开挖，即工作井与接收井要开挖；以及不开挖，即管道不开挖技术来进行地下管线的敷设或更换等，非开挖技术管法施工直径DN300～4000mm，通过工作竖井把要敷设的管道顶入土内。通过采用该技术施工，能节约一大笔征地拆迁费用、减少对环境污染和道路的堵塞，具有显著的经济效益和社会效益。然而，顶管施工过程中，触变泥浆减阻是顶管中非常重要的一项工艺，是关系到顶管成功与否的一项关键性技术。因此，本文重点阐述了注浆技术在机械大断面顶管中的应用。

1.工程概况

拟建管线位于北京市昌平区马池口镇，设计管线包括主线和支线两部分。主线位于中直渠和京密引水渠交叉口，沿中直渠西岸向南至满白路，沿满白路西至幸福河，后沿幸福河东岸至百葛路，下穿百葛路后，沿百葛路南侧向西至舒畅河，沿舒畅河东岸至现状娄土路北侧30m，向东至拟建马池口再生水厂，管线全长5410.033m对应里程K0+000~K5+410.033(对应检查井1#-49#)，支线部分起点位于百葛路与京密引水渠交叉处，沿百葛路南侧向东至幸福河与百葛路交叉处与主线连接，管线全长1335.086m对应里程K0+000~K1+335.086，对应检查井（支1#~16#），其中16#检查井与44#为同一井。

2.地质水文条件

2.1地质情况

根据勘察报告勘察结果，拟建管线工程场地不存在影响管基稳定性的不良地质，拟建管线管基持力层均为第四纪沉积岩,场地均为均匀地基，除表层分布有厚度约0.8-2.9m人工填土层外，无其他特殊岩层。

（1）根据地勘报告资料，将本次岩土工程初步勘察勘探深度范围内（最深20.00m）的地层，按成因年代可划分为人工堆积层、新近沉积层及第四纪沉积层三大类，并按岩性及工程特性初步划分为5个大层及亚层。现分述如下：

（2）表层一般为厚约0.8-2.9m的人工堆积的粘质粉土素填土、粉质粘土素填土①层。

（3）人工堆积层以下为新近沉积的砂质粉土、粘质粉土②层，粉质粘土、粘质粉土②1层，重粉质粘土、粘土②2层及细砂、粉砂②3层。

（4）新近沉积层以下为第四纪沉积之粉质粘土、粘质粉土③层及粘质粉土、砂质粉土③1层；粉质粘土、粘质粉土④层及砂质粉土④1层；粉质粘土、重粉质粘土⑤层及粘质粉土⑤1层。

2.2水文条件

根据地勘报告显示，工程场区近3～5年最高地下水位标高为46.20m左右；历史最高水位标高可接近自然地面。场地地下水相关资料详见下表：

场地地下水类型及水位标高（埋深）一览表

（1）管径较大

根据设计图纸，管道内径1400mm～2200mm，每顶进一步出土量较多，且污水管线周围为农田和村落。顶管污水管线主要下穿河道、现况道路；穿越现况燃气、通信、上水等地下设施。

（2）顶距较长、顶进速度慢

井段间顶进距离较长，中间需要增设中继间增加顶力穿越粘质粉土、砂质粉土地层，管道外壁减阻措施尤为关键。顶进速度慢，如果触变泥浆套形成不充分，存在孔眼，触变泥浆中水分极易流失，泥浆套外部细沙进入泥浆套内，造成管道外壁与土层抱死，增加阻力，顶力持续增加可能造成管口破坏及竖井整体稳定。

（3）在顶管穿越过程中，严格按照规范要求施工，防止因各种情况的发生。

4.方案方法选择

本方案适用范围为北京市昌平区马池口再生水厂配套污水管网工程顶管区段，顶管区段不包括下穿铁路，京包高速段。鉴于以上水文地质条件及工程特点，本工程选择以下具体的施工方法：顶管工作井、顶管接收井均采用钢板桩支撑体系，顶管采用泥水平衡顶管施工方法。

5.工作井的设置

本工程工作井采用钢板桩围堰，钢板桩采用拉森IV钢板桩，桩长15m，围堰平面尺寸10.4m×10.4m，钢板桩围堰设置二道内支撑，围檩、斜支撑、内支撑均采用H500×200型钢，围堰共用钢板桩10片15m平桩，4片15m角桩，钢板桩围堰挖深10m。接收井采用钢板桩围堰，钢板桩采用拉森IV钢板桩围堰平面尺寸8.8m×8.8m。

6.顶力计算及中继间的设置

6.1泥水仓压力控制：

被动土压力Pp=195KPa，主动土压力Pa=37KPa，设定泥水仓压力Po为80KPa，泥水仓压力控制值65KPa～95KPa。

6.2顶管顶力计算

根据《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246：2008）和《顶管工程施工规程》根据以上公式计算顶进100米工作压力为5009KN=511T；顶进280米工作压力12527KN=1278T；顶进380米工作顶力=16703KN=1704T由以上计算结果均为理想状态，实际顶力可能远高于此数据。

6.3中继间的选择和安装

当基坑主顶的实际推力达到最大设计值的50%时，需安放第一个中继间。当基坑主顶的实际推力达到最大设计值的60%时，需启用第一个中继间。第二台以后的中继间安放时机是：每当基坑主顶的实际推力达到最大设计值的70%时，需安放一个中继间。每当基坑主顶的实际推力达到最大设计值的80%时，需启用该中继间。根据上述理论计算该工程安放中继间的计算方法如下：按四口主顶油缸单台250T主顶油缸总推力为1000T（根据管壁所能承受力的假设值，可根据实际情况调整）计算，按经验，当达到主顶推力的50%，即500T时必须安装中继间，当推力达到总推力的60%，即600T时必须启用中继间。那么，第一个中继间安放的长度L1(m)可由下式计算出：第一个中继间安放的距离L1则应为≈54m.第二个、第三个中继间安放的距离L2、L3则应每当达到主顶的推力的70%，即700KN时必须安放。那么，第二个、第三个中继间的安放长度L2、L3可由下式计算出：L2=L3=105m;那么，280米的顶管所需设的中继间数量应为:N=（280m-54m-150m）/105m+1个=2个,因此,280米的顶管所需设的中继间数量为2个，第一个中继间放置在54米隔105米加设一个中继间

7.触变泥浆减阻技术研究与确定

触变泥浆减阻是非开挖顶管施工中非常重要的一项工艺，是关系到顶管成功与否的一项关键性技术。为了尽量减少管壁与土体间的摩擦阻力，触变泥浆的配置、注浆操作尤为重要。触变泥浆有膨润土、水、碳酸钠三者的混合物组成。配合比要严格按照有关规定配置，根据土质的变化适当调整配比，以满足不同的需要，注浆压力保持在0.1~0.2Mpa之间。理想的状况是在管壁与土体之间形成泥浆套，其间是液态状物且有一定的压力，即触变泥浆胶凝块刚好管道的下部时效果最佳，管道处于悬浮状态。为使顶进是形成的间隙及时被泥浆所填补形成泥浆套，必须坚持“先压后顶、随压随顶、及时补浆”的原则。

7.1泥浆配制研究与确定

膨润土运到现场后分批测得膨润土的胶质价，然后按下表配制泥浆（重量比）。为了使膨润土充分分散，泥浆拌和后停滞时间在12h以上，泥浆密度控制值在1.06~1.1g/cm³。

表1触变泥浆配比表

7.2注浆压力的研究与确定

要使得膨润土泥浆起到较好的润滑减阻作用，注浆压力的控制至关重要。注浆压力不能大于土层的被动土压力，因为一旦超过被动土压力过多，不但会使得管节与触变泥浆接触面剪切应力增大，继而影响摩阻力，不利于顶力控制，容易造成后背压力过大，造成竖井失稳，而且还会使得胶体渗流过大，出现冒浆现象。

加浆前先通过注水检查注浆设备，确认设备正常后方可灌注，压力控制在0.2MPa左右。

由于本工程土质为粘质粉土、砂质粉土地层，导致渗漏量高，且管道外径大，管外壁与土层接触面大，触变泥浆注浆量不能按照常规做法实施，触变泥浆量为正常土质的2倍。

7.3注浆过程研究与确定

由于顶管用管材为钢筋混凝土材质，具有吸水的特性，为保证触变泥浆效果，采取了通过注浆管道，先期注入清水，湿润管壁，提高土体含水率，减小触变泥浆损失量。较直接注入触变泥浆，注浆量损失降低，且形成的泥浆套减阻效果明显，摩阻力减小，保证了管口质量及顶进竖井的安全，降低了施工成本并保证了质量及安全。

8.结论

通过对北京市昌平区马池口再生水厂及配套污水管网工程的应用，总结如下：

（1）管道外径大，管外壁与土层接触面大，触变泥浆注浆量不能按照常规做法实施，触变泥浆量提高至正常土质的2倍左右，满足填充触变泥浆因渗漏造成的损失。

（2）根据顶管用管材、地层的特点，采取了先期注入清水的措施，湿润管道外壁，减小触变泥浆损失量。触变注浆量损失降低，减阻效果明显，摩阻力减小，保证了管口质量及顶进竖井的安全，降低了施工成本，并保证施工质量及安全。

参考文献

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