矩形顶管穿越砂质粉土地层触变泥浆配置及注浆控制技术

矩形顶管穿越砂质粉土地层触变泥浆配置及注浆控制技术

陈向华

陈向华

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摘要：综合管廊下穿高速公路或重要的城市综合管线区段，无法采用传统的明挖暗埋法施工，需要采用“土压平衡”顶管施工工艺，该工艺对管节周围减阻触变泥浆有较高的要求。本文通过杭州市德胜路综合管廊02标下穿沪杭甬高速公路的矩形顶管施工为技术背景，讲述矩形顶管下穿粘质粉土、砂质粉土和粉砂夹粉土层时，顶管管节周边减阻触变泥浆的配置方法和顶管掘进中泥浆控制要点。

关键词：矩形综合管廊；穿越；粉砂土层；触变泥浆；配置

1工程概况

德胜路（机场路-九环路）地下综合管廊工程Ⅱ标工程共有两段下穿矩形顶管，其中一段下穿交通繁忙的沪杭甬高速公路，长度154.6m，管廊顶距离高速公路路面约8.60m，管廊外侧距离现状德胜路出口匝道桥桩基础距离仅为3.05m；另外一段下穿两根市级污水干管，顶管长度106.5m，管廊顶距离污水干管底面约4.25m。本工程采用单截面矩形钢筋混凝土管节截面外轮廓尺寸7.5m×5.4m，管节截面内轮廓尺寸6.4m×4.3m矩形，顶底板及侧板厚度均为0.55m，中隔墙厚度0.3m，标准管节长度1.5m。本工程矩形综合管廊采用“土压平衡”顶管施工工艺，矩形顶管穿越的土层主要为砂质粉土层，施工中容易发生管涌及流砂现象，造成地面塌陷或上方管线损毁。

本工程下穿交通繁忙的沪杭甬高速公路矩形顶管断面示意图，见图1所示。

图1沪杭甬高速公路矩形顶管断面示意图

2地质情况描述

拟建管廊西起机场路，东至九环路，主要沿德胜路布设，大部分勘探点位于绿化带上，局部位于道路及民房内。原地面标高在3.79～10.55m之间。场地地貌类型属海陆相沉积平原区，地基土主要为第四系沉积层。本次矩形顶管段结构主要位于①1粘质粉土层、①2层砂质粉土层、②层粉砂夹粉土层，底层特性如下：

①1层：粘质粉土（Q43al+m）：灰黄色、灰色，稍密，湿。含少量粘性土及大量云母碎屑，刀切面粗糙，干强度及韧性低，摇振反应迅速。主要在填土较厚地段缺失。

①2层：砂质粉土（Q43al+m）：灰黄色、灰色，中密，很湿。含少量粘性土及大量云母碎屑，刀切面粗糙，干强度及韧性低，摇振反应迅速。全场分布。

②层：粉砂夹粉土（Q42al+m）：灰色、青灰色，中密，湿。颗粒形状以圆形或亚圆形为主，矿物组成较杂，以石英、云母为主，颗粒级配一般，摇振反应迅速。局部缺失。

从以上矩形顶管段结构位于的①1粘质粉土层、①2层砂质粉土层、②层粉砂夹粉土层的土层，场地属典型的软土地区，广泛分布厚层状软土，其具“天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.0，压缩性高，强度低，透水性低”等特点。主要表现为：软土层强度低，在荷载作用下固结时间长，易产生地基侧向滑移或失稳、过量沉降、不均匀沉降；粉土、砂土为透水层，地下潜水与上部水体连通发生渗漏管涌。

3矩形顶管触变泥浆简介

为减少土体与管道间摩阻力，在管道外壁压注触变泥浆，在管道四周形成一圈泥浆套以达到减摩效果，在施工期间要求泥浆不失水，不沉淀，不固结，所以触变泥浆的注入贯穿整个顶管掘进的全过程。

土压平衡矩形顶管机施工中降低顶进阻力最有效的方法是向管壁外注入触变泥浆，触变泥浆主要由膨润土、CMC、纯碱等物质组成，注浆使管周外壁形成泥浆润滑套，从而降低了顶进时的摩擦阻力。其注入的时机、压力、用量以及减摩剂本身的质量（润滑效果、凝固时间等）将决定着土压平衡矩形顶管机施工的成败，因此必须取地质原样土与准备使用的减摩剂进行现场试验，根据试验结果动态的调整其参数。

4注浆孔与注浆管路布置

顶管管节A/C/E型管节设置16个DN25减摩注浆孔，B/D/F型管节设置14个DN25减摩注浆孔。沿剖面对称布置，管节注浆孔布置见图1和图2。然后用φ25mm橡胶管把各总成串接至注浆总管。浆液由地面上的储浆桶通过φ50mm总管向井下供应。管节触变泥浆系统管路布置图见图1～图3。

图3管节触变泥浆系统管路布置图

5泥浆配置方法

5.1触变泥浆浆液配制

本工程所要求的浆液应不失水、不沉淀、不固结，既要有良好的流动性，又要有一定的稠度。所用润滑浆液主要成分为膨润土、纯碱以及“羧甲基纤维素钠”（以下简称为CMC），触变泥浆的配合比和泥浆性能要求，见表1～表2。

采用泥浆搅拌机进行制浆。纯碱和CMC应预先化开（CMC可以边搅拌边添加），再加入膨润土搅拌20min，泥浆要充分搅拌均匀。注浆泵采用专用螺杆泵，将其固定在始发井口，拌浆机出料后先注入储浆桶，拌制后的浆液在储浆桶中需经过一定时间（不小于24小时）膨化后方可通过专用泵送至井下。

5.2触变泥浆注入原则与注入量控制

1）触变泥浆注入原则与注浆量

顶进时注浆要及时，确保形成完整、有效的泥浆套，必须遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则。管节上的注浆孔供补压浆用，补压浆的次数及压浆量需根据施工时的具体情况而定。

顶管的理论注浆量为：V=（38.735-38.504）×1.5=0.3465m3。

为了保证注浆效果，注浆量应取理论值的5～8倍（考虑顶管穿越地层主要以①2层砂质粉土、②2粉砂夹粉土为主，其注浆时扩散效果好）。

V=（38.735-38.504）×1.5×（500～800%）=1.7325～2.772m3

在施工中还需根据土质情况、顶进状况及地面沉降的要求等做适当的调整。

2）注浆压力

由于顶管隧道的覆土浅，仅为6.5m～11.0m，触变泥浆压入地层时的压力必须稳定、精确，以防触变泥浆击穿地层。为保证触变泥浆稳定地注入地层，注浆设备选用压力稳定的螺杆泵，同时在注浆孔端部安装压力传感器，以确保注浆压力的精确。采用Ｒankine压力理论公式计算地层压力。地层压力p：

p=K0γh

式中：K0为地层的侧压力系数，砂质粉土为0.33；γ为土的容重，取加权平均值1.97×103kg/m3；h为地层埋深，6.5～11m。

将各值代入式，得：

p=0.33×1.97×103kg/m3×（6.5～11）/1000=0.435～0.737MPa。

注浆压力（浆液注入地层时的压力）为地层压力的1．2～1．3倍，注浆压力控制在0.522～0.958MPa，施工过程中根据覆土厚度、地表沉降等参数进行动态调整。

5.3触变泥浆注入设备

触变泥浆主要设备的配置，见表3。

6矩形顶管掘进过程中注浆控制要点

（1）注浆时必须遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则。

（2）注浆应专人负责，保证触变泥浆的稳定，在施工期间不失水，不固结，不沉淀。

（3）严格按注浆操作规程施工，在顶进时应及时压注触变泥浆，充填顶进时所形成的建筑空隙，在管节四周形成泥浆套，减少顶进阻力和地表沉降。

（4）触变泥浆存放于泥浆箱内，泥浆箱容量为10m3，顶进前须保证泥浆箱内有足够的浆液。

（5）顶管司机根据顶进情况控制注浆时间及注浆量，注浆过程中密切关注注浆压力的情况，当注浆压力发生突变，应立即停止注浆，检查分析原因后方可继续注浆。

（6）触变泥浆安排专人进行排浆作业，排浆顺序由机头向工作井进行，以使触变泥浆充满整个管节。

（7）制订详细的注浆施工设计和工艺流程及注浆质量控制程序，严格按要求实施注浆、检查、记录、分析，及时做出P（注浆压力）-Q（注浆量）-t（时间）曲线，分析注浆速度与推进速度的关系，评价注浆效果，反馈指导下次注浆。

（8）根据洞内管节衬砌变形和地面变形监测结果，及时进行信息反馈，修正注浆参数，发现情况及时解决。

（9）做好注浆设备的维修保养，注浆材料供应，定时对注浆管路及设备进行清洗，保证注浆作业顺利连续。

（10）在土压平衡式矩形顶管机推进中根据不同土质和覆土厚度，结合地面监测信息，合理调整注浆压力，并按推力、推进速度和出土量的相互关系，合理控制推进速度，保证土仓压力和开挖面水土压力平衡。

7实施效果

杭州市德胜路综合管廊02标下穿沪杭甬高速公路和三污干管的矩形综合管廊采用“土压平衡”法顶管施工工艺，为减小顶进阻力，在矩形管节四周形成一圈泥浆套以达到减摩效果，在本工程采用膨润土、CMC、纯碱和水配置复合泥浆，达到比较好的效果，有效地降低了矩形管节与周边土体的摩阻力，将顶推力控制设计顶推力范围以内，截止目前为止，本工程已经完成下穿沪杭甬高速公路两条2×154.6m、下穿三污干管2×106.5m的矩形顶管掘进施工，地面沉降指标和顶推力动态监测指标，均控制在设计和安全范围以内，该项技术得到了很好地应用，取得了较好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]《顶管工程施工规程》（DG/TJ08-2049-2016），上海市工程建设规范，上海建工集团有限公司；

[2]《顶管施工技术及验收规范》，中国非开挖技术协会行业标准，2006年12月试行版；

[3]《城市综合管廊施工技术规范》（GB50838-2015）、中华人民共和国国家标准。

作者简介：

陈向华，广州空港经济区国库支付中心，工程项目评审员。先后从事市政基础设施建设施工技术管理、质量管理等工作。