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超大断面矩形顶管减阻技术在郑州市下穿中州大道隧道工程中的应用

作者:杨红军,荣亮,徐虎城  发布:2017/5/27  浏览:
单位:中铁隧道股份有限公司

摘 要:郑州市下穿中州大道隧道工程采用矩形顶管法进行施工,顶管段具有断面超大、覆土浅、间距小、推进距离长、未采用中继间等特点,顶管推进推力大。为有效控制顶管推力,研究了注浆孔布置、触变泥浆配制、注浆管路优化设计和管节表面涂蜡等顶管减阻技术。结果表明,本工程采用的减阻技术效果良好。

0 引言

顶管施工过程中,由于管道受到周围土层的作用而产生摩阻力,影响管道的前进,故在顶管施工过程中需施加较大的推力来克服管道与地层间的摩阻力; 特别是对于长距离、大断面顶管推进,所需的推力会更大。如何克服和最大程度地减小顶管施工中的巨大推力已成为顶管施工的关键。文献[1 - 4]介绍了顶管施工过程中的推力计算,通过与实际值对比,对计算时应注意的问题和顶管施工的关键技术等进行了说明;文献[5 - 7]主要介绍了顶管顶进过程中出现顶力不足、推力不足和塌方等问题的主要控制措施; 文献[8]主要介绍了长距离顶管施工中应如何配置优质触变泥浆; 文献[9]介绍了土舱压力和顶管顶进推力的关系及推力控制措施; 文献[10]介绍了润滑剂摩擦特性及其对顶管推力和管- 土相互作用的影响; 文献[11 - 12]介绍了相邻水平平行顶管推进引起的附加荷载。以上研究针对顶管推力计算、推力控制措施的一个或几个方面进行了介绍,而对超大断面矩形顶管推力控制的整套技术,可供参考的文献并不多。本文以郑州市下穿中州大道隧道工程为依托,对超大断面矩形顶管推进过程中有效控制顶进推力的减阻技术开展了深入研究。

1 工程概况

郑州市下穿中州大道隧道工程起于红专路与姚寨路交叉口,沿红专路向东下穿中州大道,终点位于红专路与龙湖外环路交叉口,工程全长801. 263 m。其中,下穿中州大道段采用矩形土压平衡顶管法施工,长度105 m。顶管段隧道为4 条隧道平行布置,隧道间净间距1 m。中间2 孔为机动车道,顶管断面为10. 10 m ×7. 25 m( 宽× 高) ,两侧2 孔为非机动车道,顶管断面为7. 50 m × 5. 40 m( 宽× 高) ,管节环宽为1. 5 m。顶管隧道平面和横断面布置如图1 和图2 所示。

图1 顶管段隧道平面布置图( 单位: m)

图2 顶管段隧道横断面布置图( 单位: m)

根据地质勘查报告,本工程所处地貌单元为黄河冲积平原,地形起伏较小。勘探深度范围内地基土属第四系( Q) 沉积地层,分布较为规律,其纵横向展布较均匀,起伏变化不大,主要为人工填土、第四系全新统( Q4) 粉土、粉质黏土、粉砂及细砂等,工程地质纵断面见图3。

图3 顶管隧道地质纵断面图

本场地勘察期间,地下水位埋深为7. 7 ~ 9. 0 m,根据区域资料,场地地下水位年变幅为1 ~ 2 m。地表高程为89. 67 ~ 92. 89 m,其中大顶管中心埋深为6. 7 ~ 7. 9 m,小顶管中心埋深为5. 7 ~ 6. 9 m。

2 顶管机介绍

4 条顶管隧道采用2 台顶管机进行施工,其中机动车道顶管机( 见图4 ( a) ) 断面为10. 12 m ×7. 27 m( 宽× 高) ,非机动车道顶管机( 见图4 ( b) )断面为7. 52 m × 5. 42 m( 宽× 高) 。2 台土压顶管机均采用6 刀盘切削土体,2 台螺旋机出土,顶推系统设置在始发井内,推进油缸布置如图5 所示,推进系统参数见表1。

图4 顶管机

图5 推进油缸布置图( 单位: mm)

表1 推进系统参数表

3 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。触变泥浆的触变性有助于减小顶管阻力。

如果注入的触变泥浆能在管道外周形成一个比较完整的泥浆套,则接下来注入的泥浆不能向外渗透,留在管道与泥浆套的空隙处,管节在泥浆的包围之中顶进,其减阻效果显著。

4 触变泥浆制作及注浆控制

4. 1 触变泥浆的制作

目前在顶管施工过程中应用的触变泥浆是由膨润土、CMC、纯碱、PHP( 丙烯酰胺) 和水按一定的比例配制而成。根据膨润土的性能、地层和注浆设备等参数进行配比试验,得到既能适应工程又能满足一定经济合理性的配合比。触变泥浆配合比及相应性能指标见表2。配制所得触变泥浆( 见图6) 性能稳定,且性能指标较高。特别注意,触变泥浆必须经过12 h 膨化后方可使用。

表2 触变泥浆配合比及性能指标

图6 触变泥浆施工实景图

4. 2 注浆设备及管路

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。注浆设备工艺参数见表3。

表3 注浆设备工艺参数

注浆孔沿管节周圈进行布置,其中机动车道管节布置18 个DN25 减阻注浆孔,非机动车道管节布置16个DN25 减阻注浆孔,见图7。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,隧道内管路连接如图8 所示。

4. 3 注浆控制

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。

图7 管节注浆孔布置图( 单位: mm)

图8 隧道内管路连接实景图

4. 3. 1 注浆位置及顺序

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 环管节。掘进过程中,顶管机和4 环管节同时进行注浆,其中顶管机沿周圈全部进行注浆,4 环管节在顶部及两侧进行注浆。

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,在掘进过程中循环进行补充注浆。施工过程中,按从洞门处管节至顶管机后第5 环管节的顺序每1 环或2 环进行补充注浆,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。

4. 3. 2 注浆量的控制

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,一般每环同步注浆量为理论注浆量的3 ~ 4 倍,每环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。

4. 3. 3 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. 2 ~ 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。

5 触变泥浆管结构及位置的优化设计

在预埋管节内的注浆管两侧增加DN25 单向阀和DN25 球阀,单向阀安装在管节外壁上( 见图9 ( a) ) ,球阀安装在管节内壁上。单向阀可防止触变泥浆倒流,球阀可实现定点、定位注浆。预埋注浆管路设置在管节承插口内( 见图9( b) ) ,可有效防止单向阀失效。

6 管节表面涂蜡

对管节表面进行涂蜡( 见图10) ,可减少土层与管壁直接接触的机会,进一步起到减阻作用。管节表面涂蜡后,必须用火烘烤,使石蜡完全渗透在混凝土表面。

7 顶管隧道止退及防栽头措施

由于顶管隧道推进过程中前端阻力很大,即使顶进较长距离后,每次管节拼装时,机头和管节会后退20 ~ 30 cm,造成土舱压力下降,易造成地表沉降及顶管机“栽头”现象。为此,在始发基座上安装一套止退装置( 如图11 所示) ,将管节和机头稳住,同时顶管机和管节间采用螺栓连接( 见图12) ,管节间采用自锁型连接销进行连接( 见图13) ,使顶管隧道与顶管机形成一个整体,防止顶管机“栽头”。

图9 触变泥浆注浆孔

图10 管节涂蜡

图11 止退装置

图12 管节与顶管机螺栓连接

图13 管节间自锁型连接销

8 工程实施效果

8. 1 顶管推力理论计算公式

目前针对矩形顶管推力的计算尚无规范可依,可以经圆形顶管推力计算公式进行优化。

FP = l0 lfk + NF。

式中: FP为顶进推力,kN; l0为管节周长,大管节长30. 6 m,小管节长23. 2 m; l 为盾构顶进设计长度,取105 m; fk为管道外壁与土的单位面积平均摩阻力,取8. 0 kN/m2 ; NF为顶管机的迎面阻力,kN,NF = Sp( S为顶管机开挖面积; p 为顶层迎面阻力平均值) 。

8. 2 矩形顶管最大推力计算

注入触变泥浆时,大顶管理论最大推力FP = 8. 0 ×30. 6 ×105 +67. 7 ×150 =35 859 kN; 小顶管理论最大推力FP =8. 0 ×23. 2 ×105 +38. 5 ×130 =24 493 kN。8. 3 实际推力

4 条顶管隧道已于2014 年8 月30 日全部贯通,实际推力汇总见图14。

9 结论与讨论

针对超大断面矩形顶管减阻技术的应用,通过理论推力和现场实际推力的对比,得出如下主要结论。

1) 本工程通过采用注浆孔布置、触变泥浆配制、注浆管路优化设计和管节涂蜡等减阻技术,使顶管推力得到了有效控制,减阻效果明显,可为同类工程提供借鉴和参考。

2) 正常段顶管推进过程中,顶管推力随着掘进距离的增大呈线性增加,在始发段、到达段顶进推力发生突变,主要是由于端头加固和泥浆泄露等原因造成的。

3) 顶管施工中,形成良好的泥浆套是减小顶管推力的关键,如何通过控制注浆量和注浆压力,在不同的地层中形成良好的泥浆套,有待今后进一步研究。

图14  4条顶管隧道实际推力曲线图

4) 触变注浆孔沿管节周圈进行布置,下部注浆孔在施工过程中基本未使用,在今后类似的工程中,可根据工程实际情况减少或取消设置下部注浆孔。

摘自:隧道建设

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