一种用于长距离顶管的触变泥浆减阻优化施工方法

摘要

本发明公开了一种用于长距离顶管的触变泥浆减阻优化施工方法，具体步骤如下：步骤一、确定触变泥浆配比；步骤二、连接顶管的管道上设置注浆孔和补浆孔；步骤三、顶进施工与注浆施工同步进行；步骤四、将补浆技术与注浆技术结合施工；步骤五、分为无中继间时顶进操作程序和中继间顶进操作程序，直至顶管完成。本发明通过前期对注浆配比的控制，以及设置的注浆孔和补浆孔，有利于最优化降低前进时的阻力；通过中继间的设置与否，给出了针对性的施工方案，保证顶管连接的准确性；通过测量控制，利于保证钻进角度和方向满足设计要求；通过实际注浆量和顶力的监测对比分析，可进一步规范和完善注浆方案和顶力顶进工作的设计。

说明书

技术领域

本发明属于顶管技术施工领域，特别涉及一种用于长距离顶管的触变泥浆减阻优化施工方法。

背景技术

随着经济的发展、社会的进步，为了减少不必要的拆迁和对交通出行的干扰，城市地下管网的建设越来越多采用顶管施工工艺，顶进长度也不断增加，而增加顶进长度的重要措施之一就是触变泥浆减阻技术。触变泥浆一方面可以把管壁与土体间的干摩擦转化为湿摩擦，减小顶进摩阻力，另一方面也可以在掏空的管道外壁空隙里形成完整的泥浆套，减小土体变形，使管道更加稳定，因此研究触变泥浆减阻技术对于顶管施工具有重要意义。

顶管施工目前是城市地下管网工程的重要施工技术，触变泥浆减阻技术是决定顶管施工距离的重要增因素。触变泥浆可以把管壁与土体间的干摩擦转化为湿摩擦，减小顶进摩阻力，但是传统的触变泥浆减阻技术并不能形成有效的泥浆套，设计规范平均侧摩阻力达到5~8kN/m

通过对传统注浆工艺进行改良，注浆施工的效果远比顶管施工规程中效果要好，为了详细对比现场施工与规范里的不同，了解直、曲线段的注浆量的趋势及效果，将几段顶管段作为试样进行数据统计分析。

发明内容

本发明提供了一种用于长距离顶管的触变泥浆减阻优化施工方法，用以解决在长距离顶管过程中的减阻、便捷施工、测量控制、泥浆注入控制以及顶力控制等预技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于长距离顶管的触变泥浆减阻优化施工方法，具体步骤如下：

步骤一、根据顶管处洞口的土质及顶管距离，进行预实验，从而确定触变泥浆配比；其中，触变泥浆由膨润土、添加剂和水组成；

步骤二、在掘进机后连接顶管的管道上设置注浆孔和补浆孔，在前3节管道均设置一组注浆孔，每个断面上设置3个注浆孔，之后每4~8m设置一组补浆孔，每个断面上设置3个补浆孔；随着顶进后泥浆套基本形成，按每10~16m设置一组补浆孔；

步骤三、在掘进机顶管顶进施工时，顶进施工与注浆施工同步进行；

步骤四、将补浆技术与注浆技术结合，随着顶进施工，持续、小量补浆，即从掘进洞口位置往掘进机机头方向逐一补浆，补至机头后侧之后，重复向洞口位置补浆；

步骤五、在顶进操作过程中分为无中继间时顶进操作程序和中继间顶进操作程序，依据选取的不同操作程序，确定千斤顶的顶进速度和排泥管的流量，直至顶管完成。

进一步的，对于步骤一中，在土层主要为粉土、粉质黏土和粉砂中，地下水类型属潜水下，确定配合比为水：膨润土：添加剂=1500：225：1。

进一步的，对于步骤二中的注浆通过注浆设备完成，注浆设备主要有搅拌机、注浆泵、输浆管材及三通阀门；其中，输浆管线采用的镀锌钢管和胶管制作，洞内的输浆管线分为总管和支管，总管采用钢管，支管采用胶管，沉井上方的注浆泵出浆口与洞口位置用胶管连接；总管与每根支管的连接和每个注浆孔设置单向阀或球阀。

进一步的，对于步骤四中的注浆包含布浆和补浆两个环节，布浆是指在顶管机后部几节管道在管道推进的同时连续注浆；补浆是指对注浆后部的管道，在顶进一段时间后，对应补充减阻浆的损失；在机头后的1-3节管分别设置有一组布浆孔。

每组补浆时间不超过2分钟，随着顶进距离增大，泥浆套逐渐形成，补浆时间对应减少，在机头后部与洞口处的补浆量对应增加。

进一步的，对于顶进时，纠偏角度应保持在10’～20’不得大于0.5°，并设置偏差警戒线；初始推进阶段，方向主要是主顶油缸控制，一方面要减慢主顶推进速度，另一方面要不断调整油缸编组和机头纠偏；开始顶进前必须制定坡度计划，对每一米、每节管的位置、标高需事先计算，确保顶进时正确，以最终符合设计。

进一步的，在掘进机进入沉井前对所处的方位进行复测、确认顶管状态，评估掘进机出洞时状态和拟定施工轴线，且定时进行顶管轴线及标高复测；采用激光经纬仪量测，在顶管顶进过程中要不断与设计轴线相比较，发现偏差及时纠正；纠偏在管道顶进过程中进行，避免静止状态纠偏；采用小角度纠偏。

进一步的，对于激光经纬仪的设置，在后顶观察台架设激光经纬仪一台，设在沉井内液压主顶装置中间；通过后视测机头的光靶及后标点的水平角和竖直角各一测回，激光经纬仪直接读出误差值，供纠偏人员参考进行纠偏；在顶进方向设置3个后视点，随时进行校核，基坑基准点每顶进五十米复合一次。

进一步的，对于步骤五、无中继间时的操作程序，沉井顶进千斤顶设定顶进速度100mm/min，如加中继间，中继间设定顶进速度100mm/min；同时，流量计测量流量，调整工作井变频泵，使排泥管流量保持在1.07m

进一步的，在顶管顶进就位后，立即进行管道基础注浆加固，利用管道内的注浆孔向管外注浆加固，置换顶管施工过程中的触变润滑浆，填充管道周围的土层空隙；

注浆材料采用水泥水玻璃混合浆液，采用42.5普通硅酸盐水泥，水泥浆和水玻璃的体积比为1：1，水灰比0.5，注浆压力控制在0.2～0.4MPa之间，注浆量考虑3倍渗透系数；注浆范围为管外侧30mm空间量。

进一步的，在注浆管处中进行实时监测，通过在注浆管道上连接流量计并将收集的流量数据与数据控制平台连接，对实际注浆量与理论注浆量进行分析对比并及时调整注浆方案，其中实际注浆量分为直线段和全线段注浆量；通过应力传感器连接顶管并收集数据后与数据平台连接，通过实际顶力与规程计算顶力进行对比分析，从而及时验证或调整顶进的速度和作用力。

本发明的有益效果体现在：

1）本发明通过前期对注浆配比的控制，以及在顶管管道上设置的注浆孔和补浆孔，有利于对顶进过程中的管壁与土体间的摩擦力减小，最优化降低前进时的阻力；

2）本发明通过中继间的设置与否，给出了针对性的施工方案，进一步保证不同施工条件下，顶管连接的准确性；通过对钻进过程中的测量控制，利于保证钻进角度和方向满足设计要求，且通过不同的控制方法和纠偏措施，利于过程中调控；

3）本发明通过实际注浆量和顶力的监测分析，与设计和理论值进行对比，可进一步规范和完善注浆方案和顶力顶进工作的设计；

此外，在减阻过程中对管道基础注浆加固，可进一步提高顶管施工的质量和保证整体受力均衡；本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解；本发明的主要目的和其它优点可通过在说明书中所特别指出的方案来实现和获得。

附图说明

图1是全线注浆量图；

图2是直线段注浆量图；

图3是直线段累积注浆量图；

图4是曲线段注浆量图；

图5是曲线段累积注浆量图；

图6是实际顶力图。

具体实施方式

以某市污水管网及中水管网工程沿内河以及各条主次干路铺设开来为例，管道贯穿整市，全长42公里，全段采用顶管施工，其中机械顶管施工采用触变泥浆施工工艺。

结合图1至图6进一步说明用于长距离顶管的触变泥浆减阻优化施工方法，具体步骤如下：

步骤一、根据顶管处洞口的土质及顶管距离，进行预实验，从而确定触变泥浆配比；其中，触变泥浆由膨润土、添加剂和水组成；工程所处地貌单元为黄河冲积平原。地形基本平坦，海拔30~70m，交通便利，土层结构较为简单。土层主要为粉土、粉质黏土和粉砂，工程性质一般。拟建场地地下水位在现自然地面下3.5~5m左右，地下水类型属潜水，水位年变化幅度在±1.5m左右。确定配合比为水：膨润土：添加剂=1500：225：1。

步骤二、在掘进机后连接顶管的管道上设置注浆孔和补浆孔，在前3节管道均设置一组注浆孔，每个断面上设置3个注浆孔，之后每4~8m设置一组补浆孔，每个断面上设置3个补浆孔；随着顶进后泥浆套基本形成，按每10~16m设置一组补浆孔。

对于步骤二中的注浆通过注浆设备完成，注浆设备主要有搅拌机、注浆泵、输浆管材及三通阀门；其中，输浆管线采用的镀锌钢管和胶管制作，洞内的输浆管线分为总管和支管，总管采用钢管，支管采用胶管，沉井上方的注浆泵出浆口与洞口位置用胶管连接；总管与每根支管的连接和每个注浆孔设置单向阀或球阀。

步骤三、在掘进机顶管顶进施工时，顶进施工与注浆施工同步进行；对于顶进时，纠偏角度应保持在10’～20’不得大于0.5°，并设置偏差警戒线；初始推进阶段，方向主要是主顶油缸控制，一方面要减慢主顶推进速度，另一方面要不断调整油缸编组和机头纠偏；开始顶进前必须制定坡度计划，对每一米、每节管的位置、标高需事先计算，确保顶进时正确，以最终符合设计。，在顶管顶进就位后，立即进行管道基础注浆加固，利用管道内的注浆孔向管外注浆加固，置换顶管施工过程中的触变润滑浆，填充管道周围的土层空隙；注浆材料采用水泥水玻璃混合浆液，采用42.5普通硅酸盐水泥，水泥浆和水玻璃的体积比为1：1，水灰比0.5，注浆压力控制在0.2～0.4MPa之间，注浆量考虑3倍渗透系数；注浆范围为管外侧30mm空间量。

步骤四、将补浆技术与注浆技术结合，随着顶进施工，持续、小量补浆，即从掘进洞口位置往掘进机机头方向逐一补浆，补至机头后侧之后，重复向洞口位置补浆；对于步骤四中的注浆包含布浆和补浆两个环节，布浆是指在顶管机后部几节管道在管道推进的同时连续注浆；补浆是指对注浆后部的管道，在顶进一段时间后，对应补充减阻浆的损失；在机头后的1-3节管分别设置有一组布浆孔。

每组补浆时间不超过2分钟，随着顶进距离增大，泥浆套逐渐形成，补浆时间对应减少，在机头后部与洞口处的补浆量对应增加。

步骤五、在顶进操作过程中分为无中继间时顶进操作程序和中继间顶进操作程序，依据选取的不同操作程序，确定千斤顶的顶进速度和排泥管的流量，直至顶管完成。

对于步骤五、无中继间时的操作程序，沉井顶进千斤顶设定顶进速度100mm/min，如加中继间，中继间设定顶进速度100mm/min；同时，流量计测量流量，调整工作井变频泵，使排泥管流量保持在1.07m

本实施例中，在掘进机进入沉井前对所处的方位进行复测、确认顶管状态，评估掘进机出洞时状态和拟定施工轴线，且定时进行顶管轴线及标高复测；采用激光经纬仪量测，在顶管顶进过程中要不断与设计轴线相比较，发现偏差及时纠正；纠偏在管道顶进过程中进行，避免静止状态纠偏；采用小角度纠偏。

对于激光经纬仪的设置，在后顶观察台架设激光经纬仪一台，设在沉井内液压主顶装置中间；通过后视测机头的光靶及后标点的水平角和竖直角各一测回，激光经纬仪直接读出误差值，供纠偏人员参考进行纠偏；在顶进方向设置3个后视点，随时进行校核，基坑基准点每顶进五十米复合一次。

本实施例中，在注浆管处中进行实时监测，通过在注浆管道上连接流量计并将收集的流量数据与数据控制平台连接，对实际注浆量与理论注浆量进行分析对比并及时调整注浆方案，其中实际注浆量分为直线段和全线段注浆量；通过应力传感器连接顶管并收集数据后与数据平台连接，通过实际顶力与规程计算顶力进行对比分析，从而及时验证或调整顶进的速度和作用力。

本实施例中，对实际注浆量进行分析，通过理论注浆量与实际注浆量对比

1）理论注浆量

顶管机头外壁直径为2.2m，管道外壁直径为2.16m，

直线段理论注浆量为： (1.1

曲线段理论注浆量为：(1.1023

2）实际注浆量

全线实际注浆量如图1所示：直线段实际注浆量总和为：57.21m³。

曲线段实际注浆量总和为：118.29m³（忽略直线段的补浆量）。

3）泥浆量分析

直线段的实际注浆量是理论注浆量的2.8倍，与《给水排水工程顶管技术规程》中1.5-3倍渗透系数一致。而曲线段的实际注浆量是理论注浆量的4.7倍。考虑曲线段顶进时直线段的补浆量时，此时需要将其看做一个整体，整体注浆量是理论注浆量的3.8倍。分析认为，这是由于顶进过程纠偏造成顶管施工孔径变大，曲线顶管中纠偏超挖量比理论更大。

4）注浆经验函数

潜水层粉土地质条件下，直线段注浆量图和直线段累积注浆量图如图2和图3所示，由图2可以看出直线段每根管道的注浆量浮动较大，较为突出的几组数据为现场意外导致顶管停止，持续注浆造成，而其他的一些起伏为工人换班个人补浆操作原因造成；因此为排除操作原因对单节管道注浆的影响，修正突出值后将累积注浆量作为注浆量的计量标准，得到直线段累积注浆量如图3所示：图3中可得直线段管道的累积注浆量趋势线符合二次函数线型趋势，此二次函数为

5）曲线段注浆经验函数

由图4曲线段注浆量可以看出曲线段每根管的注浆量与直线段对比还算比较稳定，总体都在1.3m³左右，主要是因为施工到了中后期整体的工况都比较熟悉，施工较为顺利、稳定，出现的突出点是由于施工土质变为砖渣，需要大量注浆。在修正突出点后，得到如图5所示的曲线段累积注浆，由图5可以得出去除个别突出点曲线段累积注浆量趋势线符合二次函数：

本实施例中对顶力进行分析

1）估算顶力

根据《顶管技术规程》顶力估算采用以下公式：

根据规程取摩阻力为5.0~8.0，估算顶力

触变泥浆减阻管壁与土的平均摩阻力（kN/㎡）为在软黏土中混凝土管为3.0~5.0、钢管为3.0~4.0；在粉性土中混凝土管为5.0~8.0、钢管为4.0~7.0；在粉细土中混凝土管为8.0~11.0、钢管为7.0~10.0；在中粗砂中混凝土管为11.0~16.0、钢管为10.0~13.0。

由图6可以看出前35节管的顶力维持在750kN,左右，35节管道到141节管道顶进顶力下降至700kN左右，从141节管道顶进由于土质情况发生变化，由原来的粉土变为砖渣，机头迎面阻力急增，顶进压力升至1400kN，稳定后顶力基本能维持在1100kN左右。

2）实际顶力自身分析

整个顶管工程初期由于机头进洞并未马上进行注浆，因此顶力较大，顶进2-3节后开始注浆。在顶进至31节时，顶力有相对初期顶力有明显的下降，表明了泥浆套开始形成，摩阻力变小。泥浆套的形成需要一定的时间，在饱满有效的泥浆套形成后顶力开始减小，说明顶进摩擦系数开始减小，触变泥浆起到了减阻作用。

3）实际顶力与规程计算顶力对比分析

顶力估算是一个随顶进距离递增的

当顶进至10m左右，估算顶力与实际顶力相差不大，但随着顶进长度增加估算顶力逐渐上升，而实际顶力不升反降，后期也不随顶力长度线性上升只是阶段性提高，上升值也较小，完全脱离估算顶力趋势。

当顶进长度达到300m时，估算顶力已经达到了10000~15000kN左右，需要加设1-2个中继间，而实际顶管中，由于土质变化，顶力增大也最多达到1400kN，按规程最小摩阻力取值3.0kN/m

由以上可以得知，通过对注浆技术的改良，尤其是补浆技术的优化，触变泥浆本身的减阻效果较规程中更加优秀，大范围小注浆量的补浆方式，有助于泥浆套的形成，而在泥浆套形成后，顶进顶力出现了一定的回落，这对长距离顶进施工奠定了良好的基础。实际施工中，对于顶力计算，在参考规程的基础上，应进行试验段施工，从而确定摩阻力情况，增加施工效率，减少中继间的安装和使用。实际注浆量一般大于理论注浆量3倍左右，曲线段可达到4倍多，相同地质情况下，累积注浆量的增加速度在缓慢增长，这是由于随着顶进长度的增加，泥浆套也会出现损失。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。