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在砂砾石、卵石土质条件下大口径顶管施工中三浆结合使用技术实践
1楼 2009-07-28 16:32:45
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北京市
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姜殿斌(Dinbinjiang)
【摘要】在北京西部地区、南部和西南部地区，地面以下除少量的杂填土层、亚粘土层以外，大部分是松散的干砂、砂砾石和砂卵石层等土壤结构。这种土壤承载力较大，但是砂石层级配变化、孔隙率变化都很大，含水量较小，土层松散，粘聚力为零，土的内摩擦角很大，这对于顶管施工是极不稳定的土层。砂石土层的摩擦系数f小于0.6，在顶管掏土时不能形成卸荷拱，时常是稍加扰动就出现管前塌方，所以在顶进过程中，由于砂卵石层是阶梯式坍塌、滚动式挤压，不只是造成顶进工效低，顶进质量难以保证或顶力很大无法保证顶管到位，严重者还会造成质量低劣，地面沉陷严重威胁地下管线、构筑物、地上建筑物和道路交通的安全。对大口经管道在砂卵石中顶管过程中土壤加固、触变泥浆使用、水泥浆填充三浆的配合使用，以及与之配套的顶管工具管及注浆设备，控制好施工过程，可取得较好效果。
【关键词】大口径顶管；三浆；
1.前言
北京卢沟桥污水处理厂污水干线工程中，采用依托于北京市政总公司长期以来人工顶管的施工经验设计的顶管工具管及配套注浆设备，使大口径D=2400～2600mm管道施工每天进尺4～6m，按计划顺利完成。
2.工程概况
2.1北京市市政三建设工程有限责任公司承建的卢沟桥污水处理厂污水干线工程（C5.1）上段1#～16#段污水管道顶管工程，是卢沟桥污水处理厂流域排水规划安排的重点工程的一部分。管线北起吴家村路，南至梅市口路。桩号：8+507.0～7+362.0，井号：1#～16#，干线全长：1145m，为D=2400mm滑动胶圈钢承口钢筋砼顶管,管口接口密封采用双组分聚氨密封膏。合同工期为2002年6月25日－2003年6月25日。
2.2土层地质条件
卢沟桥污水处理厂流域，地形坡度较陡，高差较大，地面坡度一般为千分之四，本工程设计污水管线的地面坡度平均为千分之一左右。
工程土质自上而下为：表层人工堆积层，厚度为0.6~1.9m，其下为新近沉积的亚砂土②层，轻、中亚粘土②1层；粉、细砂②2层，细、粉砂②3层，中亚粘土层②4层，再下为圆砾、卵石③层，细、粉砂③1层，粉、细砂③2层，轻亚粘土、重亚粘土③3层，再下为第四纪沉积的卵石、圆砾④层，卵石混粘性土④2层。
污水管线座落在土质为④层卵石、圆砾层，卵石直径一般为50~70mm，最大为180mm，亚圆形，含砂量约为25%。地基土容许承载力〔σ0〕为：第四纪沉积的卵石、圆砾④层400KPa；第四纪沉积的细砂④1层300KPa；第四纪沉积的卵石混粘性土④2层200KPa。
3.工程特点、难点
3.1土质自身稳定性差，土层凝聚力小。本工程设计污水管线主要穿越的地层为4层卵石，圆砾层，含砂量约为25%，含水量小，形成卸力拱的能力差。
3.2本工程所采用的管材管径大D=2400mm,顶距长L=72～90m。
3.3管道埋置较深，卵石粒径较大，土层摩擦阻力大，产生顶进偏差时不易纠偏。
4.顶进施工技术
4.1.顶管施工工艺流程：
    施工放线→工作坑开挖护壁支护→四角架设备安装→后背→导轨安装→顶进设备安装→工具管安装顶进→砼管顶进→压浆→中继间安装顶进→水泥浆填充处理→顶管接口及预留孔处理。
4.2.顶力设计：
A.顶力计算：
根据上海《市政排水管道工程施工及验收规程》DBJ08-220-96，顶进阻力可按下式估算：F=fπD L
式中： F—顶进管子全部阻力(KN)；
       f—采用注浆工艺的摩阻系数，砂卵石土层取f=12KN/m2;
       D—管子外径(m)；
       L—全部顶进长度(m).
    本次顶管外径D=2.88m，最长顶距为l=90m，总顶进阻力为：
       F=12×3.14×2.88×90=9766.7(KN)
    采用四台320t顶镐及中继间使用，并采用触变泥浆减阻可以满足此次总顶力要求。
B．坑底处理：
由于本次顶管坑底为砂卵石级配砂石层，工作坑底采用天然地基作基础，横放枕木，枕木采用4m长、15×15cm方木，间距1m，卧入天然级配砂卵石层中，其上铺安钢制导轨，级配砂石表面比方木面低2cm。
C．后背及导轨：
在护壁锚喷砼前，现浇C25厚40cm的钢筋砼后背墙，宽度与坑同宽，高度4m，深度低于管内底50～80cm，采用Φ18双排主筋，间距15cm，横放30#以上工字钢密排满焊牢固。顶砼管穿越钢筋砼后背范围，为便于调头顶进，采用膨胀水泥打眼处理；调头顶进时，采用已顶进管子做后背，管前增设外加工特殊整体边圈。
导轨采用30kg/m钢轨，长度不小于6m，要求光滑、直顺，导轨安装中心偏差3mm，采用道钉固定在导轨两侧的枕木上，导轨安装高程的预抬量，一般取10mm，每顶进10m需对已顶完管段全线复测一次确定顶进时的预留量，导轨固定后，外侧用两层15×15cm方木挤靠牢固，防止导轨因受砼管挤压而倾斜移位。
4.3.可调向工具管
    4.3.1针对本工程顶进施工的复杂性，北京市政总公司顶管经验采用可调向工具管在穿越砂卵土质中有如下优点：
⑴穿越土质松散、稳定性差的砂卵石土层时，工具管可插入土体中，可以有效地防止管外壁超挖及由于砂卵石松散而产生的坍塌，并保证切土顶进过程中的质量要求。
⑵严格控制了管前、管壁土方超挖，按操作规程保证了未超挖。
⑶易于纠偏，操作简单，纠偏效果好，安全可靠。
⑷工具管前方刃角可切削土方，降低劳动强度，提高顶进速度。
⑸工具管前端管设计为斜面，其倾斜角度根据土质确定，保证土体自身稳定性，有效地防止了前方土体自身滑移。
⑹工具管设计安装了注浆系统，可对管顶土方进行土壤加固，防止踏方，减少后继顶力。
4.3.2可调向工具管工作原理：
⑴采用定型钢制带调向的工具管，由帽沿、推进器、工具间三部分组成，总长3.6m，工具管外径比顶管管材周边外径大各1.5cm，以形成注触变泥浆需要的空隙，管前保证足够的插入力切土顶进，管中安装带纠偏调节方向的八台小顶镐(50t)，小顶镐布置于工具管上下左右四个方向，每两个为一组，控制顶进的上下高程及左右偏差。工具管内纠偏调向要勤调微调。50t顶镐型号参数如下：
顶镐型号YDT500-A 公称压力500KN 额定油压48Mpa
顶压面积103.82cm2 行程150cm 外形尺寸φ149×360cm
⑵工具管注浆系统：
距工具管后端向前1.2m处设置12个带内丝注浆孔，孔直径为6cm，沿管顶225°布置。首节砼管入土40～50cm和在工具管内自始至终采取灌缝注入水泥浆封闭孔隙，注浆压力控制在1～2Mpa，为保证管路畅通，防止砂浆堵死，涂抹盾尾油脂。注入水泥浆的目的是确保工具管经过的土体形成相对密实的拱体，即改善顶管上方易坍塌的砂卵石土体的结构以增加其稳定性。（见附图1）

4.4顶进装置设计：
    4.4.1顶镐、顶铁、护口铁布置：
顶进系统采用均布排列的形式，4台顶镐分为上下两排，分别为下排 2 台 135°位置，上排2台135°位置，使顶力分布均匀，满足顶力的要求 。
管体与U顶铁之间采用钢护铁保护管口，工程实际中采取的护铁外径略小于管道加工时本身自带的钢套环内径尺寸1厘米，使护口铁置于钢套环内，这样一方面保证护口铁与管口紧密接触，增大接触面积，一方面确保护口铁安放位置准确，从而使顶进受力均匀。
U形顶铁采用两个95cm长，一个50cm长作为一个顶管工作面顶铁设备。
四台320t顶镐采用特制顶镐架，使顶镐位于设计位置。
（见附图2）

4.4.2顶进方向及注浆孔、注浆管用埋铁设置（见附图3）：
⑴应用触变泥浆减少顶进阻力，主要包括注浆孔的选择与设置、注浆材料的选择、注浆方法的选择。工程实际考虑在砂卵石顶进过程容易堵塞注浆孔，于管材插口部位位于钢套环下面布置，方位为左上45°、左下45°、右下45°、右上45°四个方向，预留孔内预埋φ32带内丝钢管。
注浆孔设置的特点：
①孔位于钢套环下，泥浆孔后设置橡胶密封圈，使触变泥浆在钢套环的保护下压出，同时橡胶密封圈封堵确保了触变泥浆压出的压力，有效地防止泥浆外溢。
②考虑管径较大，设置四个注浆孔可以增加注浆范围，减少泥浆损失形成泥浆套。
③预留孔内预埋φ32带内丝钢管与注浆管丝扣连接确保注浆设备能在设计压力下进行注浆，确保了注浆效果。
④采用四个注浆孔设置是根据顶管需要注浆量确定的。
⑤采用上两、下两注浆孔并按图示布置，在顶进过程中四孔同时注浆，对管体上部、下部孔隙均有较好的注浆效果。
⑵埋铁距管端0.8m，每根管共设6块，凹进管内壁10mm；埋铁尺寸为不小于15×15cm。埋铁的主要作用是固定注浆管，安装照明设备及通风设备。最后由管材厂家处理埋铁。

4.4.3后封闭技术：
为避免顶管工作竖井与管体间密封不好，造成触变泥浆浆液外流，影响注浆效果，同时为保证顶管机出洞时触变泥浆不从顶管机外壳周围涌出，需要在出洞口安装封闭装置。顶管机顶入前，将封闭装置安装在洞口预埋钢筋上，用螺栓固定，在压板上安装预制好的橡胶套环，当顶管机进入洞口后，利用充气轮胎调整橡胶套环与顶管机外壳的距离，当顶管机机尾刚进入洞口时，再调整充气轮胎，使整橡胶套环落在混凝土管节上。（见附图3）

4.5中继间：
在进行顶管施工过程中，由于顶距最长一次达90m，为增大顶进长度、保证调偏质量和顶进补浆。管道顶进过程中，根据顶力计算，部分长距离的管段需加设中继间。中继间在当管道顶进长度达到30m时加设，以减小顶进摩阻力，以保证管道正常顶进及施工质量。
4.5.1中继间原理：
与传统的中继间不同，主要有前加长型T型套环、特殊管、后特殊钢筋混凝土管和中继间油缸、均压环等组成。前部是一个与T型套环相类似的密封圈和接口。中继间壳体的前端与 T型套环的一半相似，利用它把中继间壳体与混凝土管连接起来。中继间的后特殊管外则设有两环止水密封圈，使壳体虽在其上来回抽动而不会产生渗漏。
4.5.2中断间使用：
⑴中断间为一钢制两节插接筒体，两节可以伸缩滑动，环缝由密封圈，防止泥水流入管道。前后节分别与前方和后方混凝土管相连接，沿筒壁园周均布16台Qys50型油缸（千斤顶）。
⑵当顶动前方管前进时后方管相对静止，油缸回镐，下级中断间或主顶站油缸启动，如此往复，使多级中断间和主顶站顶镐联合完成长距离顶施工。
⑶顶管顶进施工完成后，即开始拆卸中继间。将千斤顶全部拆除，钢板内肋割除，支相同管径的钢内模板，注入高于管材混凝土强度一个等级的高强混凝土。
4.5.3中断间作用：中继间除担负中继顶进作用外，另一重要作用是在管道顶进过程中，其千斤顶除为管道顶进提供顶力外，还担负顶进中心“调偏”作用，同时为长距离顶管中触变泥浆的“补浆”提供方便。（见附图4)

4.6洞口固化
为防止工具管刚顶入洞口时塌方，采取洞口加固措施，在工具管外30cm、180°范围内采用小管棚注浆，花管间距30cm，深度1.5m，灌注水玻璃浆液，最大限度地减少入口开门造成的塌方。当工具管全部入土后，利用预埋好的注浆花管向土内注入水玻璃固化浆液。注浆量视现场情况而定。注浆压力0.2～0.4Mpa，缓慢升压。
   固化浆材料配比：采用玻璃、硫酸、碳酸氢钾、水或水玻璃、氟硅酸钠、水两种、固化材料进行固化，具体配比按现场土质情况由技术人员现场试验确定。
   材料性能：水玻璃：模数3～4；硫酸：浓度为98%，碳酸氢钾：工业纯。

4.7顶进操作实施要点：
4.7.1加大测量频率：可调向工具管及首节砼管下到导轨上，应测量其高程中心是否符合要求，并经驻地监理验收合格后方准顶进，每顶进20cm即对中心高程进行量测一次，及时、细致、精心操作，防止出现偏差；正常顶进时每30cm即对顶进所有管子进行高程中心量测，如发现工具管或砼管出现偏差，要及时进行纠偏调整，纠偏过程要勤调微调，防止纠偏过猛。
4.7.2严格顶进注浆、补浆：顶进应24小时昼夜不间断施工，防止因中途停置造成阻力增加，严格注浆作业工艺，保证注浆效果，达到降低顶力的目的。
4.7.3严格控制管前掏挖土方长度：因本工程土质较差，容易产生坍塌，故规定每次纵向掏挖长度不得超过10cm，人工管前掏挖土方须在帽沿工具管内进行，特别强调随掏随顶，不得在管外壁超挖。
4.8顶管过程中三浆的结合使用：
由于本次顶管工程管径大、顶距长，又穿越砂卵石土层，为防止顶进过程前、后、上方土体塌方，保证其在顶进过程中的足够稳定，采用根据不同土质情况分别有针对性的进行注浆处理，即三浆的结合使用。
4.8.1.触变泥浆：
用于全部顶管过程中的减阻。为了减少顶进阻力，增大顶进长度，采用在管壁与土壁的缝隙间注入触变泥浆，形成泥浆套，减少管壁与土壁之间的摩擦阻力。施工中认真拌制浆液，选定泥浆配合比，搅拌好的泥浆须静置12小时以上方可使用，保证浆液在输送和灌注过程中具有流动性、可泵性。管子顶进10m后开始进行注浆，随顶随注浆以保证泥浆套环的连续性达到减阻目的。灌浆压力，刚开始不大于0.1Mpa，然后逐渐加压，由小到大进行，0.2~0.3Mpa为宜但不能超过0.4Mpa；
调浆设备：拌浆机及储罐；灌浆设备：注浆泵，输浆管。
触变泥浆材料主要成分：膨润土、碱(碳酸钠)和水；触变泥浆拌制配合比(重量比)如下表：
膨润土的胶质价
膨润土
水
碱(碳酸钠)
60～70
100
524
2～3
70～80
100
524
1.5～2
80～90
100
614
2～3
90～100
100
614
1.5～2
触变泥浆的拌合程序：
a.将定量的水放入搅拌罐内，并取其中一部分水溶化碱；
b.在搅拌过程中，将定量的膨润土徐徐加入搅拌罐内搅拌均匀；
c．将溶化的碱水倒入搅拌罐内(碱水必须在膨润土搅拌均匀后加入)，再搅拌均匀，静置12小时后即可使用。
注入触变泥浆应注意的事项：
a.搅拌均匀的泥浆须静置12小时后方可使用；
b.设专人负责灌注触变泥浆，并做好注浆记录；
c.与管厂商定每节管设置四个注浆孔，成90°布置，预留孔内设置套扣的寸管，下管时相邻两节管错开布置；
d.灌浆前，应通过注水检查灌浆效果，确认各注浆设备及管道工作正常后方可注浆；
e.每次顶进同时给每个注浆孔注浆，如遇机械管道故障或接头渗漏及时处理后再行注浆顶进。
4.8.2.土壤固化浆：
用于不良土质条件下的顶进施工及现况地面的固化。由于顶管所处的地层为砂卵石层，土质松散，在顶管前采用超前小导管注浆支护方法，对管前土体进行固化处理，每次顶进循环施作一次超前小导管管棚支护。工艺流程为：钻孔→插入钢花管→封堵→注浆。
具体施工方法为：采用风动凿岩机或煤电钻进行钻孔，相邻导管间距30cm，倾角度以仰角5°～8°为宜,插入钢花管为直径Φ42mm，端头焊成锥形，在1m长范围内钻Φ6的孔若干，以便泄浆；用风动凿岩机将钢管击入土层中，用压缩空气将在管内积物吹净，孔口采用暂时封堵措施，注浆前将管尾部及孔口周边空隙封堵。注浆采用改性玻璃浆液进行注浆加固，浆液现场配置，已配制好的浆液需在规定时间内用完；注浆中随时检查各联接管件的状态，防止跑浆；对注浆速度严格控制，注浆压力经试验确定注浆厚度即注浆浆液扩散半径应不小于50cm。
4.8.3.水泥浆填充：
本工程水泥浆压浆系统包括两个系统，第一系统是在管道顶进的同时在工具管后部注入水泥浆，以预先加固管道上方土体，防止顶进过程中的土方坍塌；第二系统是在管道完成顶进后对全部顶进到位的管子进行水泥浆充填置换，即在顶管、接口工序结束后，为防止顶管管段及过路口处出现沉降，立即进行由管内通过注浆孔向管外注入水泥浆填充，最大限度地消除因顶管施工造成的现况地面沉降，有效地补偿管外壁空隙部分，达到顶进管子外侧土体结构密实度。
注浆材料以低标号水泥为主，掺入适量粉煤灰或石灰膏，配比按水泥：粉煤灰1：3(重量比)，加水量适当，可参考水：灰=1：1，并能够满足注浆泵使用。
第一系统水泥浆加固注浆是在顶进过程中不间断进行注浆，注浆压力控制在0.2～0.4Mpa。
第二系统水泥浆充填置换注浆顺序由管段下游向上游倒孔注浆；第一次压注水泥浆后，停置24小时，待一次注浆初凝后，疏通注浆管，进行第二次压注补浆。如果顶进过程中个别地段出现塌方，应认真记录塌方位置和范围，以便顶管完毕后，从地面自上而下钻孔压浆填充；注浆压力控制在0.2～0.3Mpa为宜。
水泥浆充填设备：泥浆泵，搅拌机、注浆管；注浆时加装注浆压力表，确认各孔位注浆压力，并做好注浆记录，注浆管、接头管要求无破损，不堵塞，使管内浆液输送流畅。
5结语：
5.1本工程中大口径砂卵石顶管施工技术是一个系统的成套技术，始终围绕着满足顶力要求、防止顶管塌方、满足工程质量、降低工程成本几方面进行顶管工具管设计，低成本、高效率地完成顶进施工。
5.2本工程采用的人工顶管技术比用土压平衡顶管机械式顶管的优点在于施工工法比机械顶管操作简单，可以多个工作面进行，其总体施工进度较高。
5.3顶进过程中，采用工具管后部注浆系统，一方面采取水泥浆对管道上方土体进行水泥浆预先加固注浆，一方面，在工具管经过地段形成比管体外径大1.5cm的空隙，并及时在顶进过程中注入触变泥浆，形成包围管体的泥浆套（支撑环），在顶进过程中持续注入触变泥浆确保形成的泥浆环保持一定厚度，以达到减阻的作用,工程实际平均每节管（3m长）用膨润土量约为1吨，本工程注浆是对管道四周全范围内注浆，提供了触变泥浆对管道能够产生有效浮力的条件，实践证明在钢筋混凝土管情况下，触变泥浆所产生的浮力约为管子自重的1.4倍，极大的提高了其减阻能力。
5.4顶进施工过程中，采用工具管顶管设备，可以切断顶管机头前方被挖掘的土体与周边的土体的联系，在顶进过程中依靠土体的反作用力，将松动土体挤入机头内部，人工出土，起到一定的土体平衡和稳定作用，可以有效的减少施工的即时沉降；同时采用预先注水泥浆、固化浆加固前方不稳定土体、顶进过程中的触变泥浆注浆减阻、顶进完成后的水泥浆填充的三浆结合使用技术可有效控制后期的地面沉降，确保管线上方建筑物、道路和其它公用设施的安全和正常使用。
参考文献：
⑴DBJO1-47-2000；北京市市政工程总公司；北京市给水排水管道工程施工技术规程；北京；北京市建委； 2001年出版；1～354页；
⑵顶管施工技术，人民交通出版社，1998年出版
⑶北京市市政工程局；市政施工技术手册（第二卷）；北京；中国建筑工业出版社，1995年出版 1～1362页
作者简历：
姓名：姜殿斌；性别：男；1975年6月生；助理工程师；华北水利水电学院土木工程系建筑工程专业毕业；2000年参加工作；工作单位：北京市市政三建设工程有限责任公司；通讯地址：北京市朝阳区定福庄北街16号1510；邮编：100024。
参加过吴家村污水处理厂污水干线工程、卢沟桥污水处理厂污水干线工程等城市排水管道工程的施工。在砂砾石、卵石土质条件下顶管施工技术方案获北京市总工会2002年优秀合理化建议奖。

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