透水卵砾石层粘土膏浆顶管施工方法

透水卵砾石层粘土膏浆顶管施工方法

邓永驰孙焕斌

邓永驰孙焕斌

中铁上海工程局集团市政工程有限公司上海200331

摘要：本文分析了在砂卵石地层中顶管施工常出现的各种问题及原因，通过工程实例论述了采用粘土膏浆顶管施工解决卵砾石顶管施工问题的方法，并介绍了施工工艺的原理、施工方法及实施效果，对类似工程具有参考意义。

关键词：顶管；粘土膏浆；卵砾石

1引言

近年来，随着市政公用事业的快速发展，有大量的市政给排水管道需要采用顶管技术建造。其中许多引水、截污等临水顶管工程常在透水卵砾石地层中施工。透水卵砾石地层中顶管常出现机头爬高方向失控、地面沉降塌陷、顶进阻力急剧上升等问题，并导致顶进施工失败。故卵砾石层顶管问题亟待有效解决。本文以襄阳张湾截污管工程过小清河顶管施工为例，浅谈在卵砾石层中采用粘土膏浆解决卵砾石层顶管问题的新工艺。

2工程概况

本工程设计有2根D1220mm×14mm钢顶管下穿小清河，埋深25m。河面宽约100m，水面距顶管13m。顶管工作井、接收井均在河堤内，井间距214m。顶管断面全部处在砂卵石层，其中圆砾石和卵石占60%，粒径最大为100mm，孔隙承压水较丰富，水量较大。

图1顶管纵断面图

顶管采用泥水平衡施工工艺，由1台直径1240mm破碎型泥水平衡顶管机掘进施工，该机刀盘后设圆锥破碎机构，可将大块卵石挤压破碎至30mm以下，便于通过DN100排泥管排出。顶管始发后仅在洞外加固区正常掘进约3m后，便出现泥浆漏失、泥水压力大幅波动、排泥管堵塞等异常现象，挖掘面泥水平衡压力难以建立，掘进面上方沉降超过20cm，局部塌陷形成了一个80×80cm深50cm的孔洞。同时顶管以大于1/50的坡度持续爬升，且爬升坡度有增大趋势，顶进22m顶管机已高出设计轴线约50cm。顶力也不断上升，顶进22m主顶顶力已达到2000kN。为了避免影响堤防安全，避免管道完全顶进报废，不得以采取回拉措施将顶管退回工作井，以待解决问题重新顶进施工。

3粘土膏浆顶管工艺原理

大于2mm砾石含量超过30%的土层被称为砾石土，其中粒径大于5mm的即为卵石。由于卵砾石松散、渗透性强，顶管平衡泥浆容介质易渗透流失，顶管施工时刀盘掘进扰动挖掘面，造成地面沉降，而顶管机前进时将沿着地下土层滑裂面上爬。卵砾石层成拱能力弱，极易包紧管外壁增大摩擦阻力，且减摩浆液因大量流失很难形成润滑套。

膏状浆液是指抗剪屈服强度大于20Pa，塑性黏度较大的混合浆液，其基本特征是的剪切屈服强度值大于其重力的影响，其状态类似牙膏。它具有遇水不分散，抗水流冲释能力强，流动性小，在透水砂卵砾石层灌浆堵漏防渗效果好[1]。粘土膏浆指以粘土为主要材料配置的膏状浆液，向顶管机前方压注的粘土膏浆，膏浆向卵砾石层空隙渗透填充地层空隙隔离地下水，在顶管机前方形成了一个不透水的改良区域，顶管机刀盘挖掘砂卵砾石土层并与膏浆混合搅拌，泥水顶管泥浆不再大量散逸，挖掘面保持稳定。同时粘土膏浆沿径向向外扩散，管道向前顶进后在管外形成了一层护壁泥膜，向管外压注减阻触变泥浆也不再大量散失。

图2粘土膏浆改良土体

4施工方法

4.1膏浆配置

粘土膏浆比重1.3～1.5g/cm3，主要材料为水、粘土、增稠剂，按照1000kg：1000kg：2.5kg比例配置。粘土采用200目袋装粉末粘土，使用前应筛除其中的较大颗粒，以免堵塞膏浆压注通道。增稠剂为羧甲基纤维素（CMC）。膏浆粘稠度较大，采用350型滚筒式砂浆搅拌机拌制，拌制时间不小于5min。

4.2膏浆压注系统

压注系统包括：粘土泵、泵送管道、压注喷孔、压力表等组成。

粘土膏浆流动性差，可注入性不佳。STB50/5型粘土泵是为此类粘土膏浆专用的压注泵，该泵为单缸液压活塞泵，最大出口压力6MPa，适合长距离压送膏浆。粘土泵出口DN50mm，压送能力为5m3/h。该泵采用料斗供料，料斗内配有螺旋喂料机构，对膏浆搅拌的同时向泵的入口喂料以保证压送顺畅。

泵管从地面通往井下，向前一直延伸至顶管机，采直径DN65mm钢管，柔性哈弗卡箍连接。洞口处采用高压橡胶软管，施工时须注意软管弯曲半径不宜过小。

注浆喷孔设置于顶管机前仓，在顶管机隔仓板开孔，通径不小于φ60mm。喷孔应穿过圆锥壳从隔仓板向前延伸至前方（图2）。

4.3膏浆压注方法

膏浆压注与管道顶进交替进行。先向顶管前方压注膏浆，形成完整土体改良区域后开始正常顶进作业。顶进一段距离后暂停继续压注膏浆，然后重复上述步骤。每段膏浆压注量按填充1.5m长顶管断面控制，或当注浆压力超过1.5MPa时就可停止膏浆压注开始管道顶进。每次压注膏浆后，管道可向前顶进1m。

4.4其他改进措施

为了顶管施工顺利，对原顶管系统也进行了改进。主要措施包括：

1.将井下的排泥泵更换为杨程、排量和通过粒径更大的离心渣浆泵。

2.进排泥泵分别增设变频调速装置，通过调节进排泥泵转速，精确控制泥水仓压力，以达到最佳平衡效果。

3.增设1台ZX-100B型泥浆净化机，对携带渣土的泥浆进行净化。该机具有双层震动筛和旋流除砂2级分离功能，能够将泥浆中粒径大于0.074mm的砂、石全部清除，每小时净化泥浆100m3。净化后的泥浆经补充粘土、CMC等材料后调整比重和粘度后重复循环利用。

4.5效果

采取上述新顶管方法和措施后重新开始顶进，效果十分显著。泥水系统正常运转，出渣顺畅。挖掘面平衡效果良好，地面沉降数值恢复正常，最大沉降未超过10mm。顶管机不再爬高，纠偏动作灵敏，顶进方向控制稳定，顶管轴线偏差复合规范要求。顶力控制效果良好，两段顶管贯通时的最大顶力均未超过1200kN。

膏浆顶管工艺解决了透水卵砾石层顶管施工的技术难题。但也存在以下问题：由于顶进、注浆交替作业带来的施工效率降低，与常规顶管相比效率降低约25%。由于增加膏浆系统和施工效率降低而造成成本增加约30%。由于通过在顶管机隔仓板开孔增加膏浆喷嘴，膏浆压注的位置和范围受限，如顶管机制造设计时考虑预留通过主轴通往刀盘前方和周边的通道，实现顶进作业时同步压注粘土膏浆。同时加大压注管道避免堵塞，不用袋装粘土，可以显著提高顶管施工效率并降低施工成本。

5结束语

通过采用向顶管前方压注粘土膏浆的工艺方法，能有效地解决了砂卵石层中顶管易出现：泥浆漏失、顶力增大、方向爬升、地面沉降现象等难题，对今后类似工程具有良好的参考意义。

参考文献：

[1]赵为全，等.新型水泥膏浆研究及应用[J]中国水利水电科学研究院学报.2008.3

作者简介：

邓永驰，男，1971年2月出生，本科，高工。