頂管注漿減阻技術(shù)

    近年來，頂管技術(shù)朝著大管徑、長(zhǎng)距離的施工方向發(fā)展。特別是在繁華大都市的市政建設(shè)項(xiàng)目中，長(zhǎng)距離地下頂管技術(shù)以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)被廣泛地應(yīng)用。
　　然而由于我市土質(zhì)多為亞粘土、沙性土，頂進(jìn)中摩阻系數(shù)大而使頂進(jìn)長(zhǎng)度受到限制。所以開發(fā)新的減阻技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)大管徑、長(zhǎng)距離頂進(jìn)的關(guān)鍵。
　　1 長(zhǎng)距離頂進(jìn)的方法、減阻材料及工藝效果
　　目前實(shí)現(xiàn)頂管的長(zhǎng)距離施工的技術(shù)保證措施，除了設(shè)置中繼間外，更重要的是通過注漿工藝來減小管材與土壤的摩擦阻力。采用注漿工藝潤(rùn)滑、減阻后可以使頂距提高40％一70％。
　　減阻用的主要材料是膨潤(rùn)土和水。當(dāng)膨潤(rùn)土與水混合后，由于水摻人膨潤(rùn)土中，膨潤(rùn)土在水中膨脹重量可以達(dá)到膨潤(rùn)土原重量的600％—700％。經(jīng)攪拌儲(chǔ)存呈凝狀，在有外力作用下呈流動(dòng)狀態(tài)，這種材料注夾在管外殼與土壤之間，會(huì)大大降低管節(jié)推進(jìn)的摩阻力。靜止時(shí)泥漿有良好的穩(wěn)定性。為使膨潤(rùn)漿液有良好的性能，在制漿過程中要適量加一些輔助原料：如純堿、纖維素CMC、緩凝劑等。
　　膨潤(rùn)土又分為鈣基膨潤(rùn)土和鈉基膨潤(rùn)土，吸收鈣離子多的為鈣基，吸收鈉離子多的為鈉基膨潤(rùn)土，根據(jù)不同的土質(zhì)選用不同的配方。通過施工我們總結(jié)發(fā)現(xiàn)：在沙性土中鈉基膨潤(rùn)土減阻效果較明顯，資料分析顯示它比鈣基膨潤(rùn)土多含一層極薄的硅酸鹽，它與膨潤(rùn)土中的蒙脫石小粒子結(jié)合中易形成空隙構(gòu)造，從而使?jié){液膨潤(rùn)性增加。觸變以后流動(dòng)性好，靜止下來有膠凝性與固化性。
　　高效鈉基膨潤(rùn)土漿液配方是：膨潤(rùn)土24kg，水76kg，堿0.8kg。
　　在不同的土質(zhì)和施工條件下，對(duì)減阻泥漿性能有不同的要求。在沙性土質(zhì)中，土層易塌方，流沙與地下水壓向整個(gè)管壁，普通漿液達(dá)不到減阻效果，如在淤流沙層內(nèi)，土層無水板結(jié)，遇水成流沙，膨潤(rùn)土?xí)涣魃硨觾?nèi)的水稀釋，減阻效果就差。在這種情況下，①、要提高漿液粘度；②、應(yīng)摻入CMC經(jīng)甲基纖維素，以提高漿液抗剪切能力及潤(rùn)溶性。配方中的純堿可提高漿液稠度，增加鈉離子改變土粒子水化性能，但若加倍過量投入會(huì)破壞漿液的性能。
　　將攪拌好的漿液放入儲(chǔ)漿罐中，須經(jīng)3—4h存儲(chǔ)待膨潤(rùn)土顆粒充分吸水膨脹(吸水率2h，430％)方可使用。此時(shí)漿液性能幾項(xiàng)指標(biāo)約為：粘度80s，靜切力21mg／cm2，pH值0.8—10，比重約為1.17。粘稠度適中，用木锨棒插入液中能立住。
　　應(yīng)注意的是：各地生產(chǎn)的膨潤(rùn)土成分特性相差較大，使用前要取樣做試驗(yàn)。
　　在被頂進(jìn)的混凝土管材上預(yù)留3—4個(gè)注漿孔，用口徑為1英寸(0.0254m)的橡膠管與各注漿孔連接，接到主注漿管上，再用軟管連接到注漿泵上，泵的一端連接到儲(chǔ)漿罐上。
　　近些年由于頂管采用注漿減阻工藝使頂管工程的口徑及頂距都有大幅度提高，最大管徑和最大頂距分別達(dá)到2400mm和290m。
　　2 注漿工藝中的頂力、摩擦力確定
　　頂力是頂管工作中的重要因素，后背主頂千斤的頂力要克服各種阻力方能前進(jìn)，如管材自重，頂進(jìn)慣入阻力，摩擦阻力，管道上垂直、水平的側(cè)壓力等。又由于影響頂力值的原因較多，如：土質(zhì)特性、覆土深度、土壤含水量、頂進(jìn)管徑的大小及長(zhǎng)度、管材表面光滑度、土壓力、作業(yè)環(huán)境突變產(chǎn)生的摩擦阻力等，這些因素往往復(fù)雜地交織在一起，在施工現(xiàn)場(chǎng)難以及時(shí)計(jì)算出來。經(jīng)過總結(jié)、歸納、綜合，以及在特殊情況下采用安全系數(shù)法，同時(shí)在眾多情況中找出主要因素，編出了通常工程采用的經(jīng)驗(yàn)公式，可簡(jiǎn)便計(jì)算頂力和摩擦阻力。
　　頂力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下：
　　P=10KμπLD
　　式中：P一主頂推力(kN)；
　　K—安全系數(shù)(1—1.3，一般取1)；
　　μ一摩擦系數(shù)(0.9天津取值)；
　　π—圓周率；
　　L—頂進(jìn)長(zhǎng)度(m)；
　　D—管材外徑(m)。
　　泥水平衡式和土壓平衡式頂管為封閉式頂進(jìn)，由于封閉式掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)過程中產(chǎn)生迎面阻力P迎(kN/m2)，這時(shí)的土壓平衡或泥水平衡式摩擦系數(shù)為：
　　μ=(P-P迎)/( 10KπLD)
　　式中：P迎一掘進(jìn)機(jī)頭截面積與土壓力的乘積。
　　3 頂管注漿減阻的事例
　　目前頂管較常用的方式是人工掘進(jìn)式、機(jī)械土壓平衡式和泥水平衡式。而無論采用哪種形式，長(zhǎng)距離頂管施工中均采用注漿工藝減阻。在地質(zhì)條件差的地段，有時(shí)推力上升很快，管道因土層阻力大導(dǎo)致頂管頂不動(dòng)仍是其中最大難題。且長(zhǎng)距離頂進(jìn)又受各種機(jī)具性能的影響和制約。封閉式機(jī)頭與開啟式機(jī)頭差異，重型機(jī)頭與輕型機(jī)頭差異，土壓平衡頂管與泥水平衡式頂管差異，土層、地基承載力強(qiáng)弱差異等。下面以我公司在本市及外埠施工中采用的三種頂管方式，簡(jiǎn)介頂管注漿減阻技術(shù)在工程中的應(yīng)用。
　　[實(shí)例1] 1997年秋季在蘇州工業(yè)園區(qū)進(jìn)行的排水管道頂管施工中，混凝土管為H級(jí)，管內(nèi)徑D2000mm，管外徑D2420mm，埋深7.5m。地質(zhì)條件為粉土流沙等。由于環(huán)境原因，設(shè)計(jì)施工由x3—x5#一次頂進(jìn)距離145m。由于特別精心編制注漿工藝方案，特意從天津調(diào)運(yùn)膨潤(rùn)土，并對(duì)配料、拌漿、注漿、摩擦阻力等進(jìn)行了嚴(yán)格的管理，使得145m長(zhǎng)距離在沒有啟動(dòng)中繼間的情況下，一次頂進(jìn)到位，實(shí)際最大頂力4400kN，比原預(yù)計(jì)頂力還低30％。
　　[實(shí)例2]在上述同一工程的某一段的施工中，管徑、埋深均相同，但由于某種原因在頂進(jìn)開始的前幾節(jié)管時(shí)，液壓校正千斤頂掌握不好，開頭的幾節(jié)管子產(chǎn)生了較大的誤差。隨后，又校正得過于著急，使得管道先由左偏急轉(zhuǎn)偏右，高低變化過大。又因長(zhǎng)期降水泥土固結(jié)，在頂至48m時(shí)頂力就達(dá)到了5370kN，采用中繼間的方法又頂至60m時(shí)，主頂力已達(dá)8480kN，混凝土管口發(fā)生了崩口破壞，周圍處受力達(dá)到極限。為了防止管子崩裂造成更大的事故，只好停止頂進(jìn)(該段長(zhǎng)100m)。分析原因主要是管道曲折破壞了泥漿套的完整性，漿套基本上不能成型，注漿根本不能減阻。另一個(gè)原因是管子折彎處產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致管口破壞漏漿。為解決中途頂不動(dòng)的大問題，在60m處打樁，挖開“天窗”取出工具管，在此處做主頂坑，將余下的40m頂完。
　　事實(shí)說明，注漿和泥漿套的好壞對(duì)降低阻力有非常重要的作用。該60m的摩阻力達(dá)18.9kN／m2，不能完成頂進(jìn)全程的任務(wù)。
　　[實(shí)例3] 1999年夏季在天津建國(guó)道排水管工程中，采用機(jī)械式土壓平衡頂管，管內(nèi)徑D2400mm，外徑D2860mm，管頂覆土厚度6.5m，頂進(jìn)距離289m，主頂千斤頂2250kN共6臺(tái)，后方液壓站最大壓力32MPa，整個(gè)頂程啟用一套中繼間，管線推進(jìn)最大頂力12700kN，機(jī)頭迎面頂力經(jīng)計(jì)算為960kN。
　　計(jì)入中繼間推力后，摩阻系數(shù)μ應(yīng)為2倍值：
　　2μ=(12700-950)／(10×2.86×289π)＝0.9
　　該段管道頂進(jìn)中嚴(yán)格糾偏量的控制，頂進(jìn)管口平直，注漿管每節(jié)預(yù)留的3個(gè)注漿孔成120°，頂進(jìn)時(shí)的注漿、觸變泥漿經(jīng)過壓漿泵被輸送到頂管管材的外壁，在管口端部經(jīng)鋼套環(huán)擠出后即可與土壤結(jié)合，形成了一個(gè)完整的潤(rùn)滑漿套，可減小頂進(jìn)的阻力。在拌漿操作中，使用2個(gè)2m3的儲(chǔ)漿罐將現(xiàn)拌的和觸變泥漿和儲(chǔ)存漿分開，使?jié){的熟化程度較好，使管道達(dá)到了較好的減阻效果。
　　[實(shí)例4] 2000年8月在天津中環(huán)線保山道使用泥水平衡式頂管，管內(nèi)徑D12M刪，管外徑D1420mm，推進(jìn)長(zhǎng)度54.8m，埋深7.8m。地質(zhì)條件為粉土沙土層，易抱管。在頂進(jìn)30m處(末注漿前)主頂力為5300kN，采用注漿后頂力下降到3200kN。機(jī)頭土壓計(jì)算出機(jī)頭迎面阻力為200kN，在路面沉降沒有變化的情況下，一次頂進(jìn)到位。最后頂力為3200kN，注漿后主頂力下降約40％。該段頂管摩阻系數(shù)μ為：
　　μ=(3200-200)／(10×1.44×54.8π)＝12.1kN／m2
　　通過上述工程實(shí)例分析得出：頂管注漿減阻是提高頂距的有效措施，能否大幅度減小阻力與注漿質(zhì)量、管道糾偏質(zhì)量、土質(zhì)特性、注漿管設(shè)計(jì)等有關(guān)。頂管施工中注漿如能使?jié){套形成管道就能順利地頂進(jìn)到位。
　　4 注漿工藝實(shí)施要點(diǎn)
　?。?）在工作坑內(nèi)設(shè)置止水墻洞口安裝止水圈，防止龍門口跑漏漿。用工字鋼經(jīng)打樁挖土制作的工作坑，坑前龍門口外應(yīng)澆混凝土墻。墻的厚度一般在20—30cm左右，墻寬按工作坑的寬度，墻高按管外徑加50cm。止水墻預(yù)留洞口，加工一套止水圈，包括鋼板法蘭圈2個(gè)，內(nèi)夾橡膠圈。安裝止水圈鋼法蘭圈與墻上預(yù)埋鐵焊牢后，用油麻充填空隙，靠泥漿的稠度自然封堵，泥漿充滿管外周。若無止水圈，注漿就無法進(jìn)行，壓漿泵一開啟漿液便從龍門口流出。若是地下水多的地段，水與砂順勢(shì)而下使工作坑前體塌方，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及設(shè)備及相鄰構(gòu)筑物。工作坑洞口止水圈安裝尺寸如圖1所示。
　　圖1 止水圈安裝尺寸
　　(2)管材
　　長(zhǎng)距離頂管管材多選用F型管、雙承插口管。在計(jì)劃頂管管材時(shí)應(yīng)有注漿管材，帶有注漿孔的管材應(yīng)不少于總數(shù)的三分之一。雙承插口管，管端頭有凹槽，槽內(nèi)安放齒形橡膠圈，用粘結(jié)劑粘牢，兩節(jié)管的管口用T型鋼套環(huán)連接，環(huán)中間粘有橡膠板保護(hù)管口，當(dāng)環(huán)套入管頭后將管上端頭橡膠圈壓縮，使管口密封防水，注漿孔橡膠圈在外套環(huán)下，端口外管材推進(jìn)時(shí)，漿在套環(huán)下溢出。所有管材下坑前，外圓要抹涂石蠟提高光潔度。另外管材注漿孔內(nèi)應(yīng)加裝一塑料單向閥，在用管接頭、橡膠管將各孔連成一起后安裝閥門，再與主注漿管線連接，以便于注漿或單獨(dú)補(bǔ)漿。帶注漿孔的管材在管線上安排，機(jī)頭后要連續(xù)放置2—3節(jié)帶孔管，然后采用隔一節(jié)、放一節(jié)……幾十米后隔幾節(jié)再放帶孔管，每道工序不能疏忽。
　　(3)漿液制備
　　拌漿機(jī)的容量在0.5m3為好，將計(jì)量好的膨潤(rùn)土、水、堿加入攪拌設(shè)備中，攪拌不得小于規(guī)定時(shí)問，經(jīng)拌和的漿液放人儲(chǔ)漿罐內(nèi)，儲(chǔ)漿罐容積不小于2m3，應(yīng)在中間加隔板，將新拌和的漿液與熟化漿分開，使其滿足使用性能。
　　(4)壓力注漿
　　注入到管材與土壤內(nèi)的漿液壓力要略高于地下水壓力，一般在0.02MPa—0.15MPa，隨距離增加壓力增加。由于注漿泵輸入壓力遠(yuǎn)高于注漿壓力，因此需要在注漿泵上附加一調(diào)壓裝置用來控制注漿壓力。注漿時(shí)管道內(nèi)容易跑漿部位是機(jī)頭與管材連接處、管節(jié)與管節(jié)之間、中繼間與管材之間。跑漿的主要原因是鋼套環(huán)與管口橡膠圈安裝不好，橡膠圈的壓縮量不足或膠圈錯(cuò)位。另一種原因是管口偏或管口破損產(chǎn)生跑漿。在施工時(shí)要特別注意管口密封橡膠圈的設(shè)計(jì)，把握糾偏質(zhì)量，防止跑、漏漿。
　　(5)頂管注漿操作
　　①頂管機(jī)頭直徑略大于管道外徑，若機(jī)頭與管材外徑相等可在機(jī)頭外殼加焊Φ10mm鋼筋以增加機(jī)頭外徑。
　?、谟?jì)劃注漿量，泥漿的厚度在管外徑圓周1cm左右乘以長(zhǎng)度，按厚度的1—2倍考慮。
　?、鄄捎猛翂浩胶忭敼苁┕ぴ谏承酝临|(zhì)中機(jī)頭封閉性掘進(jìn)時(shí)，前面適量注漿可改善沙性土質(zhì)的情況。土壓平衡采用干式排泥，便于螺旋機(jī)紋龍出土，提高掘進(jìn)效率。
　?、茏{工作結(jié)束后可用水泥與粉煤灰配比漿液對(duì)觸變泥漿進(jìn)行置換。管線拆除后應(yīng)及時(shí)將注漿孔封嚴(yán)。
　　頂管施工中應(yīng)用注漿減阻工藝，有效地降低了項(xiàng)進(jìn)阻力，能使大口徑長(zhǎng)距離的頂管不斷延伸，且成本低、技術(shù)易實(shí)施，減阻效率高。國(guó)外已應(yīng)用高分子材料減阻，日本研究出了CMC減阻材料，在國(guó)內(nèi)也應(yīng)不斷地開發(fā)新的減阻材料與工藝。

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