富水砂卵石地层下承口注浆自溢型顶管管材注浆技术研究

富水砂卵石地层下承口注浆自溢型顶管管材注浆技术研究

张祎季想*

中交西南城市开发有限公司（四川成都 610041）

摘要：针对富水砂卵石地层下顶管注浆施工的难点，本文提出一种承口注浆自溢型管材进行顶管施工，并对施工过程中的注浆压力、注浆量和地表沉降性进行监测。研究结果表明：与传统顶管管材相比，改良管材具有更稳定的注浆压力，有助于形成稳定完整的泥浆套，并且可减少约12%泥浆流失率。对改良管材施工过程中的地表沉降情况进行监测，发现地表沉降量在30mm以内，确保施工过程的安全性。该研究成果可为类似地质条件下的顶管工程提供理论和数据支撑。

关键词：地下工程；顶管管材；富水砂卵石地层；承口注浆自溢

随着全球城市化快速发展和城市人口的急剧增加，高效利用城市地下空间进行施工是利用城市资源，提高土地利用效率，改善城市功能和环境的重要途径[1]。顶管是一种通过顶管缸将预制管道从始发井推到接收井的管道安装的非开挖方法[2-3]。与传统明挖法相比，顶管法具有施工精度高、综合成本低、施工速度快、环境污染小、对地面交通和建筑物影响小的优点[4]。然而，由于施工环境的不同和地下情况的复杂多样，对于顶管管材的要求也将不同，管材的优化提升成了亟待解决的一个问题。成都地区地下多为砂卵石层且地下水丰富，砂卵石粒径大，地层透水性强，切削下的土体流塑性和易性差，顶进过程中密封舱泥水平衡的建立和有效传递困难，很容易跑浆，易造成地表沉降及塌陷。目前国内外已有大量关于富水中密砂卵石地层下的顶管施工研究，但对于注浆管材改良优化的研究相对较少，并且在实际工程中常发生注浆不均匀、注浆压力不稳定、润滑建组泥浆套形成效果差的情况。针对以上问题，本次研究依托公司实施的锦江水生态治理（一期）建设项目锦江截污管涵工程（两江环抱区段）施工二标段顶管项目，结合工程重难点，对顶管注浆管材进行优化研究，并以现场实测数据对改良后的注浆效果进行验证，为实际工程中注浆效果的控制提供参考。

一、工程概况

（一）工程背景

锦江水生态治理（一期）建设项目锦江截污管涵工程（两江环抱区段）施工二标段项目，顶管总长度约4km，其中北段右岸截污管涵工程位于西北桥－红星桥段府河右岸，管道埋深8-12m，长度约为2.5km，其中包含管径DN2400的顶管1974m，管径DN1400的顶管428m；南段截污管涵工程位于红星路下穿隧道一环路，管道埋深6-11m，DN1400的顶管长度为1.657km，如图1所示。

图1 工程示意图

（二）顶管工程水文地质条件

据现场调查，施工段地下水主要为埋藏于第四系砂卵石层中的孔隙潜水，大气降水和区域地下水为其主要补给源。砂、卵石层为主要含水层，具有较强的渗透性。根据区域水文地质资料，孔隙水水位变化幅度为1.5-2.0左右。顶管工程施工段沿线部分地段分布的细砂、卵石层及其中央的中砂透镜体，透水性相对较强，渗透系数约=25 m/d，渗透性等级为极强透水。钻孔勘探深度范围内所揭露地层自上而下依次为第四系全新统人工填土层（）、第四系全新统冲积层（），顶管主要穿越地层为中砂、中密卵石地层，其相关物理力学指标值如表1所示。

表1 地基土物理力学指标建议值表

二、注浆技术研究

（一）触变泥浆选择及配置

由于富水砂卵石地层具有结构松散、空隙率大、易流动坍塌等特点，顶管在施工过程中自稳能力极差，因此对顶进过程中所使用的触变泥浆将提出较高要求。结合当前国内外先进技术，提出本次承口注浆自溢型钢筋混凝土顶管施工触变泥浆性能指标：黏度>60s、滤失量<15 ml>[5]。通过现场注浆试验，确定实际施工采用触变泥浆的配置（根据不同工况可作出适当调整），触变泥浆配置见表2。

表2 初选触变泥浆配置表

（二）注浆压力控制计算

（三）注浆量控制计算

（四）地表沉降控制研究

由于本次顶管工程位于成都市建筑物密集区域，因此在对顶管管材进行优化改进后，有必要对施工过程中的地表沉降进行控制。研究选取北段WN6-WN7为试验段，设6组监测断面，每组断面以道轴线为对称线，从对称线向两边分别间隔1.5m、2.5m及2.5m设监测点，共布设7个监测点。如图2所示。

图2 北段WN6-WN7工程试验段监测点布置示意图

三、现场实际验证

本次研究提出一种改良的承口注浆自溢型钢承口顶管管材，通过在承口的外壁上设置密封圈槽并且在密封圈槽内设置密封圈（图3a），提升了承口钢套管与承口之间的密封性，达到止水的效果，避免接缝外的地下水渗入管线中。同时密封圈还起到防止带压泥浆经管材之间的接口回灌进入管线内部的技术效果。并且通过将多组注浆孔及预埋注浆管设置在承口的侧壁上以及令承口钢套管阻断各预埋注浆管的径向喷浆路径并且在承口钢套管与管材本体之间形成与预埋注浆管贯通的溢浆通道（图3b-c），可以将泥浆以溢流的方式从溢浆通道向外侧均匀溢出，无法直接喷射到管材周围的土体上。

图3 承口注浆自溢型钢承口顶管管材结构图

（一）注浆压力控制效果分析

一般来讲，实际注浆压力需比地下水土压要大，但不可超过土层的被动土压力，因为一旦超越被动土压力过多，不但会使得管节与膨润土泥浆接触面的剪切应力变大，继而影响摩阻力，不利于鼎力、轴线控制，而且会使得膨润土胶体渗流过大，出现冒浆现象[8]。由式(1)计算可以得到：顶进管道处地下水压PW=81.98kPa；主动土压力Pa=54.15kPa；被动土压力Pb=346.95kpa。则注浆压力P应该满足136.13kPa＜P＜428.93 kPa。相关文献阐述的实际的注浆压力宜为管顶上方覆土水土压力值（理想注浆压力）的1.1倍[9-10]，则实际注浆压力149.74kPa＜P1＜471.82 kPa。所以注浆泵出口压力需控制在0.14～0.47MPa。

图4 传统管材与研究管材的注浆压力随顶近距离变化对比图

从图4可以看出，与现有管材相比，本次我们改良的一种承口注浆自溢型钢筋混凝土顶管管材通过优化承插口形式，调整注浆管位置，成功避免注浆过程中，带压泥浆直接冲击或接触土体，减少注浆量的注入，起到减小土层扰动、控制泥浆流失、降低土层坍塌风险的作用，同时在承插口经过短暂停留后，承口内泥浆均匀溢出，顶管管材改良后的注浆压力比改良前更加稳定，有助于形成稳定完整的泥浆套。

（二）注浆量测量结果分析

触变泥浆注入开始至形成较为稳定的泥浆块过程中，泥浆也会渗流入附近土层形成触变泥浆渗流区域，所以要形成稳定的膨润土泥浆套，除了同步注浆以外，还要加上已经顶进的管节周围二次注浆和多次重复补浆。实际测量结果如图5所示。

图5 传统管材与研究管材的注浆量随顶近距离变化对比图

从注浆量中可以看出，本次顶管工程从顶进开始至顶进贯通，按照传统顶管施工工艺进行施工需消耗触变泥浆共计9222.71t，采用改良顶管管材可减少约12%泥浆流失率，消耗触变泥浆约8115.98t，耗费膨润土、CMC和水的具体用量见表3。注浆压力控制在0.15-0.2MPa内，比改良前的注浆压力更为稳定。

表3 管节注浆结构优化后的触变泥浆配比用量

（三）地表沉降控制效果分析

研究采用承口注浆自溢型钢筋混凝土顶管管材进行作业时，对实际施工过程中的地表沉降变化进行实时监测，结果如图6b所示。以D2作为典型监测断面进行分析，研究发现，整个地面沉降过程大致分为4个阶段：①阶段Ⅰ：顶管机从始发到顶进至监测断面D2，使D2前2.13R范围内的土体产生较明显的扰动变形；②阶段Ⅱ：该阶段施工时土体在重力的作用下，因摩阻力的影响，使得地面沉降迅速增加；③阶段Ⅲ：该阶段出现注浆的填充速率低于洞边周围土体的收缩变形速率的情况，使得顶管机尾部在脱离D2后地面沉降迅速增加；④阶段Ⅳ：该阶段地面沉降及沉降增幅已基本稳定。并且，图6a显示，监测断面D2的地面沉降近似正态分布，主要集中在开挖面宽度范围内。而产生地层损失的主要原因为随着顶近距离的逐渐增大，顶部土体与管节的接触面积越来越大，触变泥浆受扰动后会变成较为松散的状态，使得浆液对周围土体径向收缩的限制作用减弱，进而导致地层损失的增加。

图6 改良管材D2断面沉降曲线图

图7 沉降控制后最终沉降曲线

针对上述情况，本次研究通过优化顶进参数、洞内超前注浆加固、减少停机时间的方式对地表沉降进行控制，结果如图7所示。根据监测结果显示，采用承口注浆自溢型钢筋混凝土顶管管材进行施工时，试验段附近的地表建筑沉降可以快速实现稳定控制。通过采取沉降控制方案，达到密实周边土体、减小土体透水性的效果，大大提高了掌子面土体稳定性，实现了地表沉降量控制在30mm以内。

四、结论

本次研究综合考虑到顶管注浆压力、注浆量和工程周边地表沉降控制因素，以成都市锦江水生态治理（一期）建设项目锦江截污管涵工程（两江环抱区段）施工二标段顶管项目为依托，采用承口注浆自溢型钢筋混凝土顶管管材对顶管工程进行量化分析。通过对传统顶管和研究顶管的注浆压力、注浆量的理论计算和实际检测对比，发现改良管材比传统管材的注浆压力更稳定，有助于形成稳定完整的泥浆套。并且采用改良顶管管材可减少约12%泥浆流失率，大大节约了施工成本。随后对改良管材施工过程中的地表沉降情况进行监测并分析，发现对改良管材采取沉降控制方案，可以达到密实周边土体、减小土体透水性的效果，大大提高了掌子面的土体稳定性，实现了地表沉降量控制在30mm以内，确保了施工过程中的安全性。

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【作者简介】张祎（1987.03-），男，汉族，河南省开封市人，大学本科学历，中交西南城市开发有限公司副总经理，主要研究方向：项目管理、市场开发。

【通讯作者】季想（1990.02-），男，汉族，四川省成都市人，硕士研究生学历，中交西南城市开发有限公司技术中心主任，主要研究方向：科技管理。