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平喷式注浆系统在长距离管道顶进施工中的应用

摘要 东莞市第四水厂二期万江区DN3000B顶管段工程管材为直径3m的钢管，一次顶进291m，属大管径长距离顶管。由于采用了平喷式注浆系统，很好的解决了顶进施工中的注浆减阻技术难题，仅用40天就完成了全部管道顶进，创造了国内大管径长距离顶管的新记录。

关键词 大管径长距离顶管 平喷式注浆系统
一、工程概况
万江区DN3000B顶管段工程是东莞市第四水厂二期输配水管道工程的一个重要组成部分，由于管线穿越现况一0七国道，交通部门要求管道施工时不得影响国道正常使用，因此采用机械化顶管工艺铺设管道。
本工程所顶管材为φ3020×30mm钢管，外防腐采用 “六油二布”加强级环氧煤沥青。顶管段管线长291m，管道埋深约7.8m，采用泥水平衡式机械化顶管工法施工。
二、地质及水文资料
1、地质
第③层，粉砂。浅灰色，饱和，松散状，颗粒较均一。厚度介于2.10～7.0m，平均4.08m，顶面高程介于-1.63～2.60m。属松散软弱地层。
第④层，淤泥质粉细砂。灰色，饱和，松散状，以粉细砂为主，局部夹流塑状淤泥质土。厚度介于2.50～13.40m，平均6.11m，顶面高程介于-1.02～2.65m。经测试，其主要物理力学性质指标值：天然含水率ω=50.1～68.7%，平均59.4%，孔隙比e=1.298～1.947，平均1.623，液性指数IL=1.70～2.37，压缩系数a1-2=0.52～1.67MPa-1。为高压缩性土，属软弱地层。
第⑤层，中砂。灰黄色，灰白色，饱和，松散状。厚度介于1.80～9.50m，平均4.99m。属松散软弱地层。
管道主要穿越淤泥质粉细砂层及中砂层。
2、水文
根据场地地层分布和简易水文观测，场地地下水主要分布于第四系冲击粉砂、中砂及淤泥质粉细砂、中细砂中，均为含水丰富的强透水性地层。水位埋深介于0.50～3.80m，平均1.13m。
三、注浆减阻原理
根据现行《顶管施工技术规范》顶力计算公式：
P=fγD1[2h+(2h+ D1)tg2(45°-ф/2)+ω/γD1]L+PF 式（一）
式中 P——计算的总顶力(kN)；
γ——管道所处土层的重力密度(kN/m3)；
D1——管道的外径(mm)；
H——管道顶部以上覆盖土层的厚度(m)；
ф——管道所处土层的内摩擦角(o)；
ω——管道单位长度的自重(kH/m)；
L——管道的计算顶进长度(m)；
f——顶进时，管道表面与其周围土层之间的摩擦系数；
PF ——顶进时，工具管的迎面阻力(kN)。
由此可见，管道顶进阻力由两部分组成：迎面阻力及管道摩阻力。

其中管道摩阻力在很大程度上可以通过各种手段来施加影响。若使顶管工具头切削直径比它相应于管子外径应有的尺寸稍大一点，就有可能降低管外壁摩阻力。这样能使上层不直接压在管体上。只要土层足够坚硬，这种方法就会取到预期的效果。而如果向管子和土层之间形成的空隙内压人支承介质，这种方法的效力更可以大大提高，并能维持一定的时间，从而足以顶进一段相当长的管路，再则，支承介质在起支承作用的同时，也可以作为润滑剂起到减少摩阻力的作用，对于长距离顶管十分有利。
本工程采用钠基膨润土作为注浆减阻的填充材料。
四、平喷式注浆系统结构
以往顶管注浆孔多采用在管壁上开凿直孔，浆液几乎垂直于管外壁压入土体，管嘴喷射压力不小于1.0MPa。本工程管道穿越土层主要为粉细砂及中砂层，均为软弱松散土层，且地下水丰富，若采用常规注浆孔结构，注浆液大部分将在土体内流失，因此，很难在如此大管径的管道四周形成封闭的注浆环套，也就无法充分发挥注浆减阻的功效。
经过技术人员精心设计、反复论证，决定在本工程中试用平喷式注浆减阻系统。通过加设盖板，改变浆液喷射方向，使注浆液变单点直喷为平面均布，加大了浆液的影响面积，从而确保注浆液在管壁外形成封闭环套，最大限度的减少管壁摩阻力。
平喷式注浆系统由钢制注浆套管、单向阀及铸铁水堵组成，详见下图：
平喷式注浆系统示意图
其工作原理为：注浆液通过输送管道，高压通过单向阀（单向阀用于防止注浆结束后地下水反渗入管道），经由盖板下1/2断面缺口，呈半圆形注入超挖间隙内。注浆孔位于管道前方，距管口20cm位置，环向均布三个。

钢制套管大样图

五、实际应用结果分析

六、结语
此次顶管工程一次顶进3m钢管291m，管径大、顶距长，创造了国内大管径长距离顶管的新记录，实际顶进时间仅为40天。在没有采用中继间接力顶进的情况下，顶力有效的控制在 以下，轴线最大偏差在3cm以内，取得了良好的社会效益和经济效益。
由于采用了新型注浆减阻系统，很好的解决了强透水地层注浆液抗渗防漏及大管径注浆液环套成型等技术难题，充分的发挥了超挖注浆的减阻功效，从而确保了管道顶进的顺利完成。