复杂条件下顶管注浆减阻技术研究与应用

发布日期：2022-11-22

复杂条件下顶管注浆减阻技术研究与应用

王乐 贺建群

(中国石油天然气管道局第四工程分公司 河北 廊坊 065000)

摘要：通过对顶管施工注浆减阻技术的系统研究，结合富春江顶管工程实例，介绍了国内首条集复合地层、大落差纵向曲线、大坡度、高水压等特点于一体的富春江顶管注浆减阻系统的工艺措施、设备选择、浆液性能要求、注浆基站布置等相关技术。该技术有效降低了顶管施工中的摩阻系数，同时也为《JCT640-2010 顶进施工法用钢筋混凝土排水管》、《顶管施工技术及验收规范（试行）》、《CECS_246：2008给水排水工程顶管技术规程》等顶管设计、施工、验收相关规范中未涉及的卵石、岩石等地层的摩阻系数提供了参考。

关键词：复合地层 纵向曲线 穿江顶管 摩阻系数

注浆减阻是顶管施工中非常重要的一个环节，尤其是在长距离顶管和曲线顶管施中，注浆的好坏甚至关系到工程的成败。它主要有两个作用机理：一是润滑作用，将顶进管道与土体之间的干摩擦变为湿摩擦，减小顶进时的摩擦阻力；二是填补和支撑作用，浆液填补施工时管道与土体之间产生的空隙，同时在注浆压力下，减小土体变形，使隧洞变得稳定。如果润滑泥浆能在管子外周形成一个完整的浆套，可以较好地减小顶管顶进时管外壁承受的摩擦阻力。

1 工程概况

富春江顶管工程位于杭州市富阳区与桐庐县交界处，采用泥水平衡工法穿越富春江，两岸竖井中心线长658.05m，内径2400mm，混凝土管长2500mm，壁厚230mm，抗渗等级P12。

顶管隧道以10.5%下坡，然后分别以4300m和1200m的曲线半径顶进后，以14.5%上坡到达接收井，隧道落差29m。隧道穿越地层为淤泥质粉质粘土、粉质粘土、中粗砂、中粗砂圆砾、卵石和各种风化的砂岩。其中岩石最大强度85Mpa，中风化砂岩穿越长度300m，卵石层穿越150m，穿越上部卵石下部岩石的交界面地层80m。顶进施工时处于富春江汛期，江面水位距离隧道最低点38m，最大水压达到0.4MPa。富春江顶管隧道剖面设计图见图1。

2 注浆系统及其工艺介绍

本项目采用自动润滑注浆系统，该系统主要由注浆泵、注浆基站及控制系统等单元组成，见图2。

注浆泵采用瑞士“ HANY”液压柱塞泵，系统工作压力18MPa，注浆流量60L/min，注浆压力最高可达5.8MPa，注浆泵、制浆机及储浆罐为一体，容量800L，单台泵满足1000m以上顶管隧道润滑注浆施工要求。

控制室与地面注浆泵、空压机、流量计以及隧道中的注浆基站通过控制电缆连接，注浆基站连接3路注浆管至混凝土管节的注浆孔，各管路阀门的启闭通过气动开关控制。顶管操作手在控制室操作整套系统，通过流量计在控制面板上显示注浆流量、注浆速度和注浆压力，根据注浆需要可以对任意基站上的任意注浆管路进行启闭控制以达到全自动注浆的目的。该系统可以根据地质条件确定注浆量，实现注浆压力控制，测定摩擦力，打印生成报表等功能，具有有效降低地层摩阻力、控制注浆量、减少中继间使用数量、提高顶进速度等优势。

 

3 注浆减阻技术

3.1原材料选择

常用的注浆减阻材料有两类：一类是以膨润土为主，另一类则是人工合成的高分子材料。本项目以膨润土作为原材料，针对不同地层添加一定比例的CMC（羧甲基纤维素）、纯碱、降失水剂和增粘剂，经过多组试验及配比调整，最终实现了最佳的不同地质条件下对润滑浆液的要求。

3.2浆液配方试验及性能要求

富春江顶管穿越工程地质条件复杂，裂隙发育，最高水压达0.4MPa。为了尽可能减少浆液漏失，在管节外侧形成环形的泥浆套，提高润滑注浆的实际减阻效果，根据海瑞克提供的参考值结合我公司施工经验确定了不同地层的泥浆性能要求，如表1所示。

经过多组试验及配比调整，最终实现了最佳的不同地质条件下对润滑浆液的要求。为确保浆液性能达标，试验优选出了表2所示润滑泥浆配方。

备注：液态润滑剂加量按照L/m3水计，其他材料按照kg/m3水计。配方前先测试水质的PH值，PH>7的条件下方可加入泥浆材料，否则使用0.1%纯碱（Na2CO3）处理水使之呈碱性。

3.3基站布置及注浆施工

综合考虑隧道轴线、顶进地质等因素，注浆基站按照前密后疏的渐进式布置，如表3所示。

表3 注浆基站布设间距

Table 3 The distance between the grouting station

项目	1-5#基站	6-20#基站	21-35#基站
布置原则	每间隔10m	每间隔17.5m	每间隔22.5m
隧道范围	0-50m	50m-310m	310m-645m

通过对顶进速度、混凝土管节与地层间环状间隙大小进行分析，同时参考我公司海瑞克顶管设备和伊势机顶管设备施工参数制定了顶进速度与润滑注浆流量大小的匹配关系，如表4所示。

表4 顶进速度与润滑注浆流量匹配关系

Table 4 The matching relationship between inlet velocity and lubrication injection flow rate

注浆主管路采用耐压10MPa的橡胶软管，支路管路耐压5MPa。始发段注浆采用在地面布置储浆桶，通过软管连接至洞门密封钢套筒内部。

4注浆量与润滑减阻效果分析

顶管累计注浆量与顶进期间的润滑减阻效果息息相关。在保证润滑浆液性能的同时，定期分析累计注浆量与顶进里程之间的关系，有利于全面分析注浆润滑措施的实际执行情况。

富春江顶管工程全程采用自动注浆润滑系统，润滑泥浆粘度始终保持在100s以上，在江底段换刀期间，采用该系统输送过粘度600s以上的膨润土浆液用于封堵地勘探孔与地层裂隙，实施效果良好。富春江顶管工程不同阶段累计注浆量如表5所示。

由图4可以看出，顶进里程与累计注浆量之间呈现显著的线性关系（关系式y = 0.5038x - 14.91，方差R² = 0.9838）。

可以看出，通过精确控制管节注浆孔各个点位的注浆量和注浆压力，整个隧道顶进期间的摩阻系数始终控制在0.25T/m2以内，平均值小于《CECS_246：2008给水排水顶管工程技术规程》中0.2~1.6 T/m2的摩阻系数规范值。富春江顶管工程在顶进近400m（下坡曲线段转为上坡岩石段）后才启动了一套700mm行程中继间，整个施工过程仅用1套中继间，主顶及中继间的顶力始终处于可控范围。

5结论

由富春江顶管工程实例可以看出，注浆减阻在顶管施工中起着非常重要的作用。经过对富春江顶管工程注浆减阻技术进行梳理和分析，可以得出如下主要结论：

（1）通过选择良好的注浆设备、优化浆液性能参数、合理设计注浆工艺等措施可以有效提高润滑注浆效果，从而降低顶进期间地层摩阻系数，进而减少中继间的使用数量和频次，提高顶管施工效率；

（2）润滑注浆性能、浆液配方要根据不同地层进行调整；在保证终端注浆压力，同时减少浆液沿地层裂隙的流失量，有利于在地层裂隙和管节之间形成稳定的膨润土浆液环状填充；

（3）在浆液性能与地层匹配的条件下，注浆流量应保持与顶进速度相适应：有效注浆量（总注浆量除去裂隙漏失量）应能够保证浆液填充在管节与地层之间的环状间隙行程泥浆润滑减阻套。

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Research and Application of Drag Reduction Technology by Groutingfor Pipe Jacking Under Complex Conditions

Abstract: Through the systematic research on resistance technology of pipe jacking grouting, combined with the Fuchun River pipe jacking engineering example, introduced China's first set of composite formation, a large gap between the longitudinal curve, steep slope and high pressure features in one of the Fuchun River pipe jacking grouting drag reduction system processes, equipment selection, performance requirements, grouting slurry station arrangement and related technology. The technology can effectively reduce the friction coefficient in pipe jacking construction and also provides reference for pipe jacking friction coefficient in pebbles and rocks formation, where we still have no friction coefficient reference in pipe jacking rules such as "JCT640-2010 jacking construction method with reinforced concrete drainage pipe", "Technical specification for construction and acceptance of pipe jacking (Trial)", "CECS_246:2008 water supply and drainage engineering pipe jacking technology rules" for pipe jacking design, construction and acceptance specification.

Keyword: Complex formation; Longitudinal curve; River crossing pipe jacking; Friction factor