顶管施工中的注浆减摩技术(全)

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1、顶管施工中的注浆减摩技术1、基本要求在顶管顶进施工中，对于一定的土层和管径，其迎面阻力为一定值，而沿线管道所受到的摩阻力将会随顶进长度的增加而增大。管壁与周围土体的摩阻力，在正压力不变的情况下，摩擦系数是其主要影响因素。因此，要降低摩阻力就要降低摩擦系数的值。目前主要采用膨润土触变泥浆来降低摩擦系数的大小。将膨润土触变泥浆这种润滑材料注入到顶进管道与周边土层之间的环状空间中，就能实现减小顶进管道与地层之间的摩擦阻力，进而避免跳动式顶进，特别在软硬交叉的地层中顶进时，可使顶力作用较为均匀，就能较好地实施长距离顶进施工。但是，这种注浆减摩也需要一定的前提条件：(1)顶进管道与地层之间的环状间隙要足

2、够大，一般不应小20mm;对于较坚硬的土层，一般要求的间隙更大，甚至达到30mm(实际环状间隙应结合实际情况针对性设计)。这样才能在顶进管道外周形成一个较完整的连续润滑膜，也才能保证减摩效果。(2)在顶进的整个施工阶段都要保持注浆材料的流动性，并保证注浆介质不会漏失到地层中，以确保减摩润滑膜的完全形式。如有漏失，需及时补浆，并防止发生地层的软化作用而降低了顶管顶进的平衡压力。2.注浆材料及方法顶管施工中，触变泥浆的基系成分由膨润土和水组成。另外，根据不同的土体掺入不同聚合物的外掺剂来调节泥浆性能以满足使用要求。当前，应用在顶管工程中的注浆材料有两类：以膨润土为主；以人工合成的高分子聚合物为主。

3、膨润土的使用历史悠久，它是1890年由美国人奥托贝顿发现的。它的主要成分是具有支承和润滑作用的蒙脱石黏土;该黏土矿物结构成分的晶胞中进入水分后形成的膨润土浆液，体积将膨胀；将其搅拌、振动后，它的结构会破坏，但再静下来后，它又可以恢复呈胶凝状。这就是其具有的触变性，因而它适合于制作触变泥浆。润滑浆的减摩作用可从表IO-I和表10-2中的对比数据中看出，有无润滑浆液，其摩擦系数可相差5.8-25倍；其黏聚力的相差也会超过5倍。为了使触变泥浆满足实际工程的需要，要求其性能和配比符合下列要求：(1)当触变泥浆中膨润土含量大时，泥浆的比重大，泥浆的黏度和稳定性较好。黏度越大，流动性就差，则泵送压力会提高

4、，也增加工程成本。但同时，黏度大的泥浆能较好地在土壁上形成薄膜，阻止泥浆向土层内流失。因而，泥浆比重应控制在一定限度范围内。(2)触变泥浆作为一种胶体，其土颗粒与水分离的程度不能太大，并且应有一定的稳定性。泥浆的失水量也不能太大。当失水量较小时，能在土壁上形成一层薄而致密的泥皮，可保护土壁和防止泥浆流失，此时泥浆的造壁能力也较好。这也是选配泥浆的重要条件。(3)为了满足各种不同地层顶管需要，可在泥浆中添加不同的外掺剂来改善泥浆性能。这需要进行配比试验作出优选。(4)在铁路或重要建筑物下顶进时，由于要严格控制地面沉降。此时可采用润滑性和造壁性良好的自凝泥浆，以保证它在后期固化后具有一定的强度并能

5、加大承载效果。膨润土可细分为两类：钙基膨润土；钠基膨润土。它们配置的浆液，其中后者比前者多含15-20倍的极薄的硅酸盐层，其膨润性增加，触变后的流动性增加及静止下来的胶凝性与固化性都变好。因而，应优先选用钠基膨润土来配制顶管施工用的减摩泥浆。对膨润土浆液的注浆方法有以下几种：(1)切削刀盘位置注浆；(2)非进人管道的注浆管注浆；(3)进人管道的人工注浆；(4)自动注浆。在顶进施工的注浆过程中，应尽可能保证浆液的均匀分布，以形成真正的润滑膜减阻浆套。因而，应认真选择注浆压力、浆液黏度和用浆量等参数，确保其润滑减摩效果。3、切削刀盘位置注浆对于直径小于800mm的不能进人的顶进管道来说，由于施工长

6、度和管道截面的限制，一般难以安装注浆管实现润滑。但是，对非液力平衡的工作面，却可以在切削刀盘处直接连接单独的注浆管道，通过带有止逆阀的注浆管压入润滑介质。对于以膨润土浆液作为平衡和输送介质的泥水平衡式顶管机，可以在向工作面加压的过程中自动完成间隙式注浆润滑，只是要求顶管机的破碎室与刀盘切削形成足够大的环状空间直接连通。(a)是在顶管机的切削工具管周围上安装的导流环和相应的导流板。它的作用是可将润滑介质均匀分布在管道周围。图10-2(b)顶管机切削刀盘上配置的梭形切削头(双刀盘)。它的作用是可利用其转动驱动将切削下来的碎土块与膨润浆液更好地混合，并有效控制其润滑管道周围的环状空间。采用这种工法，

7、可以不使用中继环。但是，它的润滑状况随着顶进长度有所变化。对于掘进超控量为3550mm,施工顶进约200m长的管段环状间隙，用它实现的充填润滑较好。此时作用在浆液上的压力通常比地层中地下水的压力高0.2X105Pao随着环状间隙的平衡压力不断减小，它的平衡及润滑作用也在不断减小，见图10-3b)o当施工长度超过300m以后，它将完全丧失平衡和润滑作用，见图10-3(c)o当然，可以继续加大环状间隙(12Omm),以此来获取更大施工管长的足够平衡润滑作用，但又会导致施工管线的浮动及严重地表沉降，其后果就不堪设想了。图10-4为所示状况。4.非进人管道的注浆管注浆对于非进人的管道顶进施工，可以通过

8、注浆管进行注浆，其施工方法可分为两步：第一步，使用导向管或护管一类的过渡管，并在其上布置润滑管道，实现对管道周围和整个管线长度范围内的均匀润滑。第二步，可以回收过渡管及其上的注浆装置，进行重复利用。5、进人管道的人工注浆这是一种人工控制注浆润滑方法，需要操作人员直接进入顶进管道内进行手动控制。往往由于对注浆压力、浆液用量和注浆时间的控制不当，其润滑和平衡作用常常仅限于注浆装置的邻近区域这类注浆方法目前仅限于较短管道（穿越式顶进）的分步掘进式顶管机掘进时使用。6、自动注浆对于长距离和曲线顶管施工，一般宜采用先进的自动注浆技术，适用于管径大于等于800mm的长距离管道的润滑施工。这种自动注浆是通过

9、润滑工作站和注浆装置对润滑过程中的注浆压力、时间和流量实施自动控制。机操人员在控制台前可随施工过程和地层变化情况进行调整。带有注浆装置管道的润滑工作站，须根据顶进管线长度范围布设许多个。站与站之间距离，可以根据施工经验来确定。对于采用膨润土浆液作为平衡和润滑介质，其设站间距可在915m范围内选择。对渗透性较高的地层土质条件，设站间距可取小些，其中第一个润滑工作站应尽可能靠近顶管机头布置。每个润滑工作站均安装有三个注浆装置（图10-6）,均匀地分布在顶进管道的环周，以方便浆液在地层中的扩散充润性能。采用膨润土浆液的润滑系统，可以使顶进管道和地层之间的摩阻力减小到IkNf以下。必须注意：顶管穿越地

10、层的水文地质条件对润滑浆液产生的摩阻力变化影响很大。经过室内相关试验表明，顶进管道从含水地层过渡到干地层时，浆液失水严重，从而导致了摩阻力的增大，有时可高达初始摩阻力的4倍，为此，须采取相应的技术措施进行减摩润滑。有一种不依赖地层条件也不使用中继环技术就可实现的长距离顶进施工的润滑系统。液力平衡式顶管工法（SS-MoIe工法）就是采用的这种自动润滑系统。它所采用的润滑和平衡介质是水玻璃，属于无机的碱金属硅酸盐水溶液，可以起到降低失水剂（聚合物）作用，即没有胶凝的保护作用。采用SS-MoIe工法进行超长距离顶管施工时应用的T.B.K自动润滑系统，它的结构布置如图10-7所示。该系统第一个润滑工作站布置在距顶管掘进机头20Om处，包括一个带有均匀分布在顶进管道周围的68个注浆孔，如图10-8所示。随后的润滑工作站的站间距离为50mo当顶管结束及注浆管拆除后，将用沉头螺钉对注浆孔封闭并用水泥浆抹平。采用这种润滑平衡介质，实现的管道与地层之间的摩阻力一般在L22.5kNrf范围内。在不使用中继环并采取相应措施的情况下，一般可顶进900m长，最长顶进甚至可以达到1700mo