中长距离超大直径顶管触变泥浆减阻注浆系统及注浆方法

1.本发明涉及地下工程施工技术领域，具体是一种在黏土及基岩露头地层条件下的中长距离超大直径顶管触变泥浆减阻注浆系统及注浆方法。


背景技术：

2.随着城镇化进程的快速发展，对现有给排水系统改造是在既有城市路网中进行的，所以应尽量缩短施工周期，降低对现有通行路面面积占用率，以减少对该路段所有路面交通的不良影响和城市生活的干扰，进而尽快恢复道路原有的通行能力。因此，非开挖技术正越来越广泛应用于城市综合管网系统建设中。
3.顶管施工作为一种非开挖的铺管方式,其使用越来越广泛。如何减小管道与土体之间的摩擦力以及保持土体稳定性是顶管施工成功的关键，所以在顶管施工中，触变泥浆减阻系统是至关重要的一个环节。如果能形成良好的触变泥浆套，可以增加工作井与接收井之间的距离，减少中续间数量，从而减少工作井与接受井的数量，降低成本等。
4.现有顶管施工中触变泥浆多靠常规经验而定，导致在黏土及基岩露头地层条件下和长距离超大直径工况下，拌制泥浆量不准确、泥浆性能不稳定、确定注浆压力不严谨、减阻效果不达标等问题。因此，当遇上黏土及基岩露头地层条件且长距离超大直径顶管施工时，对于触变泥浆的质量要求更高、需求量更大，传统的泥浆搅拌方法制备出的触变泥浆质量和数量都无法满足最大顶进速度的要求，进而影响施工效率。因此，有必要设计一种黏土及基岩露头地层条件下长距离超大直径顶管触变泥浆减阻系统。


技术实现要素：

5.为了解决在黏土及基岩露头地层工况下，长距离超大直径顶管施工减阻的技术问题，本发明提供一种中长距离超大直径顶管触变泥浆减阻注浆系统及注浆方法。
6.为了解决以上技术问题，本发明的技术方案如下：一种中长距离超大直径顶管触变泥浆减阻注浆系统，包括注浆系统和触变泥浆系统，注浆系统包括泥浆存储槽、注浆泵站、泥浆搅拌机和注浆料堆场，触变泥浆系统包括用于同步注浆和沿线补浆的a、b两种浆液，所述的用于同步注浆的a浆液按膨润土：碳酸钠：羧甲基纤维素＝333:17:1配制，所述的用于沿线补浆的b浆液按pam
‑
3：nacl：水＝8:8:1配制。
7.所述的中长距离超大直径顶管触变泥浆减阻注浆系统的注浆方法，包括如下步骤：
8.①
注浆量
9.1)机尾同步压浆
10.同步压浆是及时填充机头与管节之间的空隙以及纠偏产生的空隙，在泥土接触管节前先一步填满空隙，建立泥浆套，
11.同步注浆填充管外壁20mm土体空隙，注浆流量计算公式如下：
12.q＝[(d+0.04)2－d2]
×
π
×
v/4
[0013]
式中：q——同步注浆量(l/min)，d——管外径(m)，v——顶速(mm/min)，
[0014]
同步注浆总量计算公式：
[0015]
q1＝[(d+0.04)2－d2]
×
π
×
l/4
[0016]
式中：q1——同步注浆总量(m3)，l——顶进长度(m)，
[0017]
2)沿线补浆
[0018]
因管外壁泥浆会渗透到土层中，沿线补浆是对泥浆套缺损进行修补，沿线补浆量由沿线各补浆站注入，各站补浆量计算公式如下：
[0019]
q2＝0.002
×
q1×
l
[0020]
式中：q2——沿线补浆量(m3)，l——注浆站间隔(m)，
[0021]
②
注浆压力
[0022]
注浆压力是以朗肯土压力计算公式为基础，结合实际的工程经验，对考虑土体粘聚力部分进行安全折减，得到相应注浆压力计算公式及范围如下：
[0023]
p
a
≤p≤p
b
[0024][0025][0026]
式中，p
a
——泥浆套顶部的水压力和主动土压力(kpa)，p
b
——泥浆套顶部的水压力和被动土压力(kpa)，γ
w
——水的重度(kn/m3)，h1——顶管顶部以上的水位高度(m)，γ——土的密度(kn/m3)，h——顶管顶部以上覆土层的厚度(m)，——顶管处土层的内摩擦角(
°
)，c——土的粘聚力(kpa)，k——安全折减系数，取值为0.8，
[0027]
其中k为朗肯土压力计算公式中考虑粘聚力部分的安全折减系数，即对部分保留一部分安全储备。
[0028]
所述的注浆系统共设置二根dn50总管，一根用于掘进机尾部的同步注浆，另一根用于补浆，共二套管路系统。
[0029]
所述的注浆泵采用100mm口径螺杆泵。
[0030]
机头后3节管道为同步注浆管道，后方管道每隔2节管道设置一节带有6个注浆孔的管道，按60
°
均分，每50m设置一节带有12孔注浆孔的管道，按30
°
均分。
[0031]
本发明的有益效果如下：
[0032]
1.采用的顶管减阻系统能够满足长距离超大直径顶管施工工况下，对于触变泥浆的质量要求更高、需求量更大的条件。
[0033]
2.通过触变泥浆系统减少顶管与土壤的摩擦力，进而增加工作井与接收井之间的距离，减少中续间数量，从而减少工作井与接受井的数量，缩短施工周期，降低成本。
[0034]
3.采用a、b两种新型浆液，解决了基岩露头工况下，因放慢顶进速度造成的顶管与触变泥浆摩擦力增大、进而顶推力增大导致的顶推失败的问题。
[0035]
4.采用采用a、b两种浆液分别用于同步注浆和沿线补浆。
[0036]
同步注浆的目的是为了及时填充机头与管节之间的空隙以及纠偏产生的空隙，在泥土接触管节前先一步填满空隙，建立泥浆套。
[0037]
沿线补浆的目的是对泥浆套缺损进行修补，因管外壁泥浆会渗透到土层中。
[0038]
通过采用双注浆模式，进而以双重保障的方式建立完整的泥浆套，进一步提高了
注浆的可靠度，达到更为良好的工程效果，如控制地面变形，以及减阻等。
[0039]
5.通过对朗肯土压力计算公式中考虑粘聚力的部分进行安全折减的方式计算注浆压力，摒弃以往依靠常规的经验确定注浆压力的不严谨方式，使得最终得到的公式将会更精确、更科学、更严谨。
附图说明
[0040]
图1是本发明所述的中长距离超大直径顶管触变泥浆减阻注浆系统及注浆方法示意图。
[0041]
图2是6孔注浆孔布置图。
[0042]
图3是12孔注浆孔布置图。
[0043]
图中标记为：同步注浆储浆池1、沿线补浆储浆池2、泥浆搅拌机3、注浆泵站4、注浆管5、压力表6、流量计7、顶管8、注浆孔9、同步注浆管51、沿线注浆管52。
具体实施方式
[0044]
为了使本发明的技术方案、目的及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步详细描述。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非限制本发明的保护范围。
[0045]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0046]
实施例1
[0047]
参见图1至图3，本发明所述的中长距离超大直径顶管触变泥浆减阻注浆系统，包括注浆系统和触变泥浆系统，注浆系统包括泥浆存储槽、注浆泵站、泥浆搅拌机和注浆料堆场，触变泥浆系统包括用于同步注浆和沿线补浆的a、b两种浆液，所述的用于同步注浆的a浆液按膨润土：碳酸钠：羧甲基纤维素＝333:17:1配制，所述的用于沿线补浆的b浆液按pam
‑
3：nacl：水＝8:8:1配制。
[0048]
所述注浆系统包括2个钢制泥浆存储槽、2套注浆泵站4、泥浆搅拌机3和注浆料堆场。注浆料堆场顶部搭设防雨棚，底部离地不小于20cm，防止受潮板结。为便于材料运输，靠近重载便道布置。2根dn50注浆管道5分别从注浆泵站通往井底。
[0049]
机头后3节管道为同步注浆管道51，后方管道每隔2节管道设置一节带有6个注浆孔的管道，按60
°
均分；每50m设置一节带有12孔注浆孔的管道，按30
°
均分。
[0050]
所述触变泥浆质量控制按如下表
[0051]
泥浆质量控制标准表
[0052]
粘度滤失量比重含砂率稳定性静切力>30s<25ml/30min1.1～1.6≤3％静置24h无离析水100pa左右
[0053]
实施例2
[0054]
本发明所述的中长距离超大直径顶管触变泥浆减阻注浆系统的注浆方法，包括如下步骤：
[0055]
①
注浆量
[0056]
1)机尾同步压浆
[0057]
同步压浆是及时填充机头与管节之间的空隙以及纠偏产生的空隙，在泥土接触管节前先一步填满空隙，建立泥浆套，
[0058]
同步注浆填充管外壁20mm土体空隙，注浆流量计算公式如下：
[0059]
q＝[(d+0.04)2－d2]
×
π
×
v/4
[0060]
式中：q——同步注浆量(l/min)，d——管外径(m)，v——顶速(mm/min)，
[0061]
同步注浆总量计算公式：
[0062]
q1＝[(d+0.04)2－d2]
×
π
×
l/4
[0063]
式中：q1——同步注浆总量(m3)，l——顶进长度(m)，
[0064]
2)沿线补浆
[0065]
因管外壁泥浆会渗透到土层中，沿线补浆的目的是对泥浆套缺损进行修补，沿线补浆量由沿线各补浆站注入，各站补浆量计算公式如下：
[0066]
q2＝0.002
×
q1×
l
[0067]
式中：q2——沿线补浆量(m3)，l——注浆站间隔(m)，
[0068]
②
注浆压力
[0069]
注浆压力是以朗肯土压力计算公式为基础，结合实际的工程经验，对考虑土体粘聚力部分进行安全折减，得到相应注浆压力计算公式及范围如下：
[0070]
p
a
≤p≤p
b
[0071][0072][0073]
式中，p
a
——泥浆套顶部的水压力和主动土压力(kpa)，p
b
——泥浆套顶部的水压力和被动土压力(kpa)，γ
w
——水的重度(kn/m3)，h1——顶管顶部以上的水位高度(m)，γ——土的密度(kn/m3)，h——顶管顶部以上覆土层的厚度(m)，——顶管处土层的内摩擦角(
°
)，c——土的粘聚力(kpa)，k——安全折减系数，取值为0.8，
[0074]
其中k为朗肯土压力计算公式中考虑粘聚力部分的安全折减系数，即对部分保留一部分安全储备。
[0075]
实施例3
[0076]
本发明所述的中长距离超大直径顶管触变泥浆减阻注浆系统及注浆方法的应用实例，包括如下步骤：
[0077]
本应用实例设计并排设置2根d4000钢筋混凝土管，单线长695.2m，分三段顶管，长度分别为66m、184.4m、444.8m。管道间净距5000mm，管厚400mm，内径4000mm，外径4800mm，采用特制钢筋混凝土管。顶管工程穿越的为上部为粘土下部为中风化石灰岩地区,顶管全程皆处于地下水位以下,顶管所处土层含水量高。
[0078]
同步注浆的a浆液按膨润土：碳酸钠：羧甲基纤维素＝333:17:1配制，用于沿线补浆的b浆液按pam
‑
3：nacl：水＝8:8:1配制,制备出的泥浆量满足工快速顶进时的减阻泥浆用量要求。目前工程已顺利顶进完毕,由于顶管在地下施工,无法用肉眼观测泥浆套形成情况,故通过记录的顶力数据分析减阻效果及泥浆套形成情况。根据记录的顶力数据计算出
该工程顶管顶进时的平均摩阻力2.0～2.4kn/m2,其减阻效果和泥浆套形成情况都较良好。应用本发明节省了减阻泥浆材料用量,在减小顶管顶进摩阻力的同时,也增大了顶进速度,提高了施工效率,节省了工期节约了施工成本。
[0079]
至此，本发明的技术方案已经结合附图所示的实施方式进行了描述，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。