摘要：苏州市城北路综合管廊工程采用明挖与矩形顶管法结合的方式进行施工，其中顶管段下穿元和塘，且顶管具有断面大、过河段覆土浅、距离长、地质条件差等特点，顶管顶力大，施工风险高。为了减少顶管施工风险并控制超大断面矩形顶管的推力，本文对矩形顶管减阻技术进行了研究与分析，经工程实践的验证，技术所达到的效果较为理想，可作为类似超大断面矩形顶管减阻施工的参考。
关键词：超大断面；矩形顶管；注浆减阻；
0引言
顶管施工过程中，为了在土中顺利顶进管道，千斤顶的顶进力需要克服各种阻力以及外界因素的影响（纠偏、后背位移）[1]。而在顶管施工设计中，顶进力的确定将直接影响到整个工程的造价，工作井的设计、顶进设备的选择、管道的强度和中继间的位置等都受到顶进力大小的影响。所以，顶进力计算的准确性对于实施顶管工程具有不可忽视的作用。顶进阻力主要包括切削刀盘的迎面阻力和管壁与土体之间的摩擦阻力，并且，摩擦阻力占主要部分。而对于长距离、大断面的顶管顶进，这个问题更不可忽视。。
文献[2-8]分别通过实验、模拟及微观分析对注浆作用及注浆工艺进行了研究，对实际施工提供了参数与技术上的指导；文献[9-17]针对不同的复杂地层设计优选出了相应的泥浆及注浆优化方案；文献[18-26]研究分析了顶管顶进力、摩阻力的计算方法及矩形顶管顶进力的影响因素。以上研究针对顶管工程中泥浆的机理与配比、注浆的技术与优化、矩形顶管的顶力计算等进行了介绍，但实际上泥浆的研究与技术优化大多是针对圆形顶管的，针对矩形顶管的减阻技术的研究仍还较少，且矩形顶管浅埋过河的研究几乎为空白。本文以苏州市城北路（金政街—江宇路）综合管廊工程中顶管施工管段为依托，对超大断面矩形顶管施工的减阻技术以进行深入研究。
1工程概况
苏州市城北路（金政街—江宇路）综合管廊工程GCB2+180～GCB2+420段管廊采用顶管施工，在GCB2+420设置始发井，在GCB2+180处设置接收井，中间取直线，并尽量避开上部建筑，顶进长度233.6m，顶管施工段平均覆土厚度为9m。顶管施工现场如图1所示。
图1 顶管施工现场平面
顶管始发井位于场地东侧，尺寸为14m×15.1m（长×宽），净空尺寸12 m×13.1m（长×宽），内衬墙厚1m，开挖深度为15.826m。始发井基坑采用φ1200mm钻孔灌注桩+内支撑进行围护，桩间嵌缝采用一道φ800@400高压旋喷止水；基坑止水帷幕采用φ800@650三轴搅拌桩止水，旋喷桩与钻孔桩间嵌缝采用一道φ800@400高压旋喷止水；始发端土体加固采用φ800@650三轴搅拌桩，平面形状为矩形，后靠背土体加固采用φ800@650三轴搅拌桩，平面形状为梯形。
顶管接收井位于场地西侧，尺寸为10m×14.1m（长×宽），净空尺寸8m×12.1m（长×宽），内衬墙厚1m，开挖深度为16.520m。接收井基坑采用φ1200mm钻孔灌注桩+内支撑进行围护，桩间嵌缝采用一道φ800@400高压旋喷止水；基坑止水采用φ800@650三轴搅拌桩止水，旋喷桩与钻孔桩间嵌缝采用一道φ800@400高压旋喷止水；接收端土体加固采用φ800@650三轴搅拌桩，平面形状为矩形。
顶管顶进长度233.6m，顶管管节预制152节，综合管廊采用断面尺寸为5.5m×9.1m，壁厚650mm，内径为4.2m×7.8m（见图2）。
图2 管节结构图
管节长度为1.5m/节，单节重约66.8t；管节混凝土强度为C50，抗渗等级为P8。顶管结构全部采用预制矩形钢筋混凝土管节，管节接口采用“F”型承插式。
2工程地质环境
根据地质勘查资料，顶管穿越地层为粉砂夹粉土、粉土层，局部下穿河道处顶管顶部存在淤泥，地下水丰富（见图2）。施工时引起地下水位变化，易引起周边地面产生较大的沉降，对周边建筑物及道路、管线安全造成威胁。为控制地面沉降，确保顶管段地表及结构物安全，顶管采用组合式刀盘土压平衡式矩形顶管机进行掘进施工。
3触变泥浆减阻
3.1触变泥浆减阻机制
触变浆液配置完成后为悬浮液，当悬浮液静止时，会絮凝成凝胶体。当浆液被搅拌、振动或泵送时，转变成黏性液体；当其再次处于静止状态时，又会形成凝胶体。这种液体和凝胶体之间的交替可以发生多次，这类特性称为触变性。泥浆注入在地层与管节间形成泥浆套（图 4），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；此外膨润土触变泥浆还有填补和支撑土体的扰动）同时在注浆压力下，减小土体变形，使隧洞变的稳定。
对于矩形顶管工程，减阻泥浆要具有良好的触变性，泥浆注入管道与隧洞的间隙后，由于无需循环流动，只需使其长时间的保持在节空间隙内，形成凝胶体填充管节与地层间隙，维持良好的润滑减阻作用。因此，触变泥浆设计时，主要需要考虑三点：足够的
图3 泥浆润滑减阻示意图
本工程对泥浆性能要求如表1。
3.2触变泥浆制作
为了达到上述本工程对泥浆性能的要求，使用目前在顶管施工过程中配制触变泥
浆的常用材料——膨润土、CMC、PHP、NaOH，在现场进行正交实验，检查各材料的配伍性，通过滤失量、粘度、触变性等参数的大小，确定泥浆的最优配方。（备注：由于烧碱等添加剂的含量一般表示为膨润土的百分比，但为了实验方便，统一将烧碱等添加剂的含量表示为触变泥浆总质量的百分比。例如：烧碱含量为膨润土含量的6%，而膨润土含量为泥浆总质量的5%，因此，烧碱含量为泥浆总质量的0.3%）。
通过正交实验，膨润土加量增加使泥浆性能增加明显，添加10%的膨润土泥浆性能能达到70s以上，如添加10%膨润土+1.5%CMC+1.0%烧碱+0.3%PHP泥浆性能优越，粘度能达到78s，失水量达8mL/30min。但原材料用量大，不够经济，而且泥浆粘度大，泵送困难。可在失水量大的局部地段使用。
对于一般地段，现场采用5%膨润土+1.0%CMC+1.0%烧碱+0.6%PHP，泥浆性能为63s（粉砂地层>45s即可），失水量为10mL/30min（粉砂地层<15mL/30min即可）。对于砂土含量高，水压高的地段，可采用特殊地段泥浆配方：7.5%膨润土+1.5%CMC+1.0% 烧碱+0.6%PHP，相应增加了膨润土和CMC的含量，增加泥浆粘度及减小泥浆滤失量（见表2）。
3.3注浆控制
3.3.1注浆顺序及管路
选择适宜的注浆设备是注浆减阻成功的保障。由于隧道覆土较浅，注浆设备选用螺杆泵，注浆过程中无脉动，自吸能力强，注浆压力均匀平稳。注浆孔沿管节周围进行布置，其中管节设计布置12个DN25减阻注浆孔，而实际只启用了10个注浆孔。注浆管路分为总管和支管，其中总管采用DN50的钢管，支管采用DN25的胶管。在每根支管与总管连接处设置1个球阀，注浆管路如图4所示。
注浆流程：地面拌浆→启动压浆泵→总管阀门打开→管节阀门打开→送浆（顶进开始）→管节阀门关闭（顶进停止）→总管阀门关闭→井内快速接头拆开→下管节→接注浆
表1 粉砂地层泥浆性能要求
图4 管内注浆管路布置图
总管。
泥浆套在同步注浆过程中形成，为保证形成完好的泥浆套，同步注浆范围为顶管机及其后方的4节管节。顶进过程中，顶管机和4节管节同时进行注浆，其中顶管机沿周圈全部进行注浆，4节管节在管道四周进行注浆。泥浆套在地层中会因失水、固结等作用造成泥浆套被破坏，为此在掘进过程中必须及时进行补充注浆，确保泥浆套完好。补充注浆的范围为拼装完成的整条顶管隧道，在掘进过程中循节进行补充注浆。施工过程中，按从洞门处管节至顶管机后第5节管节的顺序每1节或2节进行补充注浆，且一般只在管节顶部进行补充注浆，当顶部注浆无法满足要求时，可适当在管节两侧或底部进行补充注浆。
3.3.2注浆注意事项
注浆分为同步注浆和二次补浆。同步注浆的主要目的是形成良好的泥浆套，二次补浆的主要目的是保证泥浆套的完好性。顶管注浆的原则为：先压后顶，随顶随压，及时补浆。
二次补浆的重要性。在顶进的过程中泥浆经过一段时间后会渗透、流失，所以为了尽快让泥浆填满管节与土壤周围出现的空隙，尽快形成完整的泥浆套，使得减阻目的达到，就需要经常在顶进过程中对顶管沿线补压浆，以保证有一个完整的泥浆套覆盖整条管道。
在实际施工中发现，在深层砂土中，静态和动态的周边阻力相差极为明显，如果产生顶进中断时间较长，就会出现周围土壤和管道固结，再进行启动作业时就会产生箍紧的情况，这种作用力比较大，会大大影响顶进的过程。所以，在实际施工中，一般最好采取24小时不间断施工，以保证顶进过程能处于相对平衡的状态。
3.3.3注浆量注浆压力控制
（1）注浆量
注浆量是保证触变泥浆套完好性的重要指标之一。注浆量与顶管管材、地质参数、地层含水率和触变泥浆性能等因素有关，一般每节同步注浆量为理论注浆量的3～4倍，每节二次补浆量一般为同步注浆量的0.2~0.3倍。施工过程中以注浆量控制为主，注浆压力控制为辅。顶管施工过程中，必须做好注浆量、顶进长度、顶进推力和注浆压力等现场记录，并及时进行分析、总结，对比理论推力和实际推力的差别，以确保注浆生顶进中断时间较长，就会出现周围土壤和管道固结，再进行启动作业时就会产生箍紧的情况，这种作用力比较大，会大大影响顶进的过程。所以，在实际施工中，一般最好采取24小时不间断施工，以保证顶进过程能处于相对平衡的状态。
3.3.3注浆量注浆压力控制
（1）注浆量
注浆量是保证触变泥浆套完好性的重要指标之一。注浆量与顶管管材、地质参数、地层含水率和触变泥浆性能等因素有关，一般每节同步注浆量为理论注浆量的3～4倍，每节二次补浆量一般为同步注浆量的0.2~0.3倍。施工过程中以注浆量控制为主，注浆压力控制为辅。顶管施工过程中，必须做好注浆量、顶进长度、顶进推力和注浆压力等现场记录，并及时进行分析、总结，对比理论推力和实际推力的差别，以确保注浆减阻的作用效果。
（2）注浆压力的控制
合适的注浆压力应使触变泥浆能顺利地注入管节外壁，又不严重扰动地层。注浆压力较低时，不能保证注浆量和注浆渗透半径，无法形成泥浆套。注浆压力过高时，易产生地层冒浆，不易形成泥浆套。合适的注浆压力一般为地层压力的1.1～1.3倍。为确保注浆压力的准确性，在注浆泵出口处和注浆孔端部安装压力表，并在施工过程中做好记录，分析、总结注浆压力和注浆量的关系，进而确定合适的注浆压力。
3.4其他减阻技术
3.4.1管节表面涂蜡减阻
在管节表面涂蜡（如图5）并用火烘烤，使石蜡完全融入混凝土表面，形成一层蜡膜，从而能够进一步减小顶进施工中管节结构与外侧土体之间的摩阻力，且该技术对于富水砂层的顶管施工减阻效果更好。此外，蜡膜层还能防止管节结构混凝土受外部腐蚀环境的影响。
图5 管节刷蜡
3.4.2注“浓泥”减阻
触变泥浆为了满足长距离泵送，膨润土的含量不能太高，一般为4%~10%。由于现场条件的限制，往往会导致现场泥浆水化时间不充分，会导致触变泥浆实际施工的效果达不到理想的效果。触变泥浆注入管壁外地层后，受到施工的扰动和地下水的侵入导致泥浆失去稳定性，在管壁周围很快消散。因此，如果顶管工程中不注意后续补浆，以及顶进期间停工时间过长，管壁外形成的泥浆套易失去稳定，会导致施工顶力过大。在管道顶部设置大口径的“浓泥”（如图6）注浆孔，由于高浓度浆液流动性差，所以可以有效滞留在管道顶部，同时该浆液可以和传统泥浆相结合，配合管道下方注射的传统泥浆，能够在大直径管道外壁周围形成良好的泥浆套，防止管道顶部“背土”、底部“积浆”的现象发生。
图6 配置好的“浓泥”效果图
3.5减阻效果
3.5.1总顶进力分析
在上海地区，矩形顶管技术的发展时间较早，到目前为止已有多次矩形顶管施工的成功案例。结合本地区地质地层条件，采用触变泥浆顶管的经验认为，矩形顶管的顶进力可按管道外表面顶进力经验系数（8~12kN/m2）。由于上海地层与苏州相似，所以苏州地区矩形顶管工程顶进力可以借鉴上海经验公式。则上海地区矩形顶管顶力计算经验公式为：
实际推力情况汇总如图7、图8所示。从顶进力实测曲线可以发现，顶进力的总体变化趋势是随着顶进里程的增加呈缓慢增长趋势，但因现场施工参数的改变而发生高低震荡的变化。
（1）顶进里程在50m~110m期间时，顶进速率较快，反映在图中对应里程曲线较陡，这期间在中发现顶进力增长速率慢，出现比较平稳的增长，因为顶管快速顶进期间，保持了顶管的高速不间断顶进，也保持了不间断的注浆减阻，管壁与土体保持一个较低的摩擦系数状态，所以顶进力增长较为缓慢。
（2）施工停顿会增大顶进力。在顶进里程为20m、36m、120m、150m以及194m左右，因为现场原因导致了施工进度的降低甚至施工停顿，这些里程期间顶进力都出现了大幅度的增长。这其中的原因可能是由于停顿期间现场注浆频率降低，一方面管外已
图8 顶进日期与顶进里程关系图
注入的泥浆向地层中流失导致环空泥浆套不完整；另一方面已注入的泥浆在停工期间出现了在环空失水固结，导致泥浆套性能下降；此外还有一个重要的原因是由于泥浆的触变性，管道从静止到运动需要克服泥浆的较大的静切力。
3.5.2管周单位面积摩阻力分析
管周单位面积平均摩阻力计算式为：
通过实测顶进力与顶进里程曲线，计算并绘制了管周单位摩阻力与顶进里程曲线图（图 9）。由图可以看出，整个过程的减阻效果很明显。其中，由于顶管机在始发阶段需要穿过5m左右的始发端搅拌桩土体加固区，管周与加固区土体摩擦系数较大，而且由于初始时未采取注浆减阻的措施，故管周单位摩阻力异常的偏高。在6m~13m顶进里程段，逐渐在向管周环空注入普通泥浆进行减阻，管周单位面积平均摩阻力出现了一定程度的降低。但由于普通泥浆性能不佳，注入粉土地层后漏失严重，所以减阻效果不够理想。在顶进里程到13m之后，现场采用正交试验配置出的优选泥浆进行施工，管周单位面积平均摩阻力下降，说明所配置的泥浆减阻性能良好。但由于里程为20m左右，现场出现了施工停顿出现使得单位面积平均摩阻力出现了一定程度的上升。在顶进里程为70m以后，现场使用“浓泥”辅助减阻施工，单位面积平均摩阻力降到5kPa左右，说明“浓泥”辅助减阻施工能有效降低摩阻力。在顶进里程为130m以后，由于注入地层的泥浆与地层充分融合，出现大范围的泥浆套与管周接触，阻隔了管周与摩擦系数高的粉土地层接触；再者管周与地层经过长距离的顶进摩擦之后，管周外壁的摩擦系数相应也得到一定程度的降低，综合多种因素，单位面积平均摩阻力进一步下降到3kPa左右。
综上所述，顶管所采用的泥浆配方及综合其他减阻措施得到了很好地应用，泥浆的润滑性能、管节涂蜡和注“浓泥”技术得到很好地发挥，大大地减小了顶管施工所需要的顶进力。
图 9 顶管单位面积摩阻力变化图
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论文作者:王国红
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/4/30
标签：泥浆论文; 注浆论文; 顶管论文; 矩形论文; 地层论文; 阻力论文; 里程论文; 《基层建设》2019年第4期论文;