乌兰布和生态沙产业示范区巴音湖输水穿沙管道工程, 是为治理乌兰布和沙漠与改善当地气候打造的绿色生态旅游重点工程项目。工程位于乌兰布和沙漠巴音湖南侧, 是产业示范区输水工程的关键管线, 管线设计采用DN3 000钢筋混凝土管道单管供水, 由乌兰湖接出, 从南向北越穿乌兰布和沙漠带, 终点接至巴音湖, 线路全长1.52km, 共设临时顶管井9座, 其中工作井4座、接收井5座, 单段最长顶距为423.3m。

施工区主要以第四系中更新统冲基层为主, 自上而下土层主要为:松散粉砂层、稍密粉砂层、中密粉砂层, 其中中密粉砂层中存在部分粉土层和圆砾层, 圆砾层岩性为级配不良砾, 中密, 一般粒径1.00~2.00cm, 最大可见粒径约4.00cm。根据地勘报告, 中密粉砂层地质建议地基承载力为260kPa。管道所处标高为1 071.000~1 072.000m, 地层变化不大, 土质为稍密~中密粉砂。

根据地勘报告所示, 本次顶管施工范围内未见地下水, 且井底四周设计采用钻孔灌注桩作为围护结构、高压旋喷桩加固土体, 可不考虑地下水的影响。根据附近地下水资料参考, 地下水位大概位于管道底部2m位置。

施工区域无地下水, 顶管穿越的土层基本为稍密~中密粉砂, 且顶管管道直径大, 施工具有较大难度, 需要选择合适的顶管施工工艺, 设计适应该地层的顶管机械 (特别是切削刀盘) 并辅以可靠的施工技术措施, 以确保管道的顺利顶进。

本工程最大顶距为423.3m, 属长距离顶管工程, 且管道全程穿越粉砂层, 顶进阻力较大, 需采取有效的技术措施 (中继间、注浆减阻技术等) , 以增大顶进力或减小土体阻力, 技术难度较大。

根据地勘报告可知, 本工程顶管全程均穿越无水粉砂地层, 通过查阅有关文献, 均无类似工程施工经验。为此, 施工方成立了专门的科研小组对该项课题进行研究。

根据施工方丰富的施工经验及对顶管工艺适应性等方面的分析, 初步讨论决定采用土压平衡顶管施工工艺。该工艺基于土压平衡的基本原理, 利用顶管机的刀盘切削和支承机内土压舱的正面土体, 抵抗开挖面的土压力以达到土体稳定的目的。以顶管机的顶速即切削量为常量, 螺旋输送机转速即排土量为变量进行控制, 待到土压舱内的土压力与切削面的土压力保持平衡, 由此则可减少对正面土体的扰动及减小地面的沉降与隆起。

现有顶管机在沙漠顶管施工中, 由于刀具的结构和布局不合理, 强度未能达到地质要求, 因此不能适应沙漠地质的工作环境。为了能够在沙漠地区顺利完成顶管施工, 因此需要对刀盘进行改进。

沙漠顶管机外径3 560mm, 总长7 126mm, 其中机身长度4 912mm, 螺旋输送机伸出壳体2 215mm, 最大推进速度80mm/min, 刀盘转矩1 562kN·m, 刀盘转速0~1.1r/min。沙漠顶管机的切削刀盘包括中心支架1, 中心支架上连接有多圈围板2组成主支架3, 主支架上连接有刀盘面板4, 主支架的背面连接有多个刮板5;刀盘面板沿环周方向设置有4根宽幅条6和4根窄幅条7, 宽幅条和窄幅条之间间隔布置, 并自所述刀盘面板的中心向边缘方向呈放射状均匀排列, 宽幅条两侧均呈八字形对称设置有若干对主切削刀8, 每个宽幅条的若干对主切削刀之间设置有多个间隔布置的强先行刀9;4根窄幅条上沿径向均布有多个砂砾刀10, 砂砾刀之间以及刀盘面板的外周均布有多个辅助切削刀11;刀盘面板的圆周面均布有多个埋入刀20, 埋入刀嵌置在刀盘面板的环周, 刀盘布置如图1所示。

砂砾刀包括:第1刀体12, 第1刀体的上端面以及两侧端面均分呈人字形结构, 第1刀体上部两端以及中部分别设置有第1刀刃槽13, 第1刀刃槽内设置有与第1刀刃槽相匹配的第1刀刃14;且砂砾刀的高度小于主切削刀。

主切削刀包括:第2刀体15, 第2刀体的上端面为倾斜面, 第2刀体的一端为人字形结构, 第2刀体呈人字形结构的一端上部设置有第2刀刃槽16, 第2刀刃槽内设置有与第2刀刃槽相匹配的第2刀刃17;宽幅条上每对主切削刀相背设置。第2刀体的上端中部设置有多道第3刀刃槽18, 第3刀刃槽内设置有与之相匹配的第3刀刃19, 第3刀刃的高度低于第2刀刃。

埋入刀20包括:第3刀体21, 第3刀体的外端面设置有第3刀刃槽22, 第3刀刃槽内设置有第3刀刃23, 第3刀刃向外伸出刀盘面板的圆周面。

机头刀盘进行改进后, 刀盘面板圆周面均布的埋入刀可以保护刀盘圆周不受沙石的摩擦而磨损, 使刀盘面板的切削直径不受磨损而缩小;另外, 在窄幅条上均布有多个砂砾刀, 砂砾刀的上端面以及两侧端面均分呈人字形结构, 增加了切削角度, 使刀具在切削时切削阻力变小, 增加了顶进距离, 且砂砾刀的高度高于主切削刀, 在切削过程中, 砂砾刀起到了先行破坏土层结构、扰动土体, 为接下来的主切削刀减少迎面阻力, 更减小了正面刀因挤压切削造成的磨损量;主切削刀的上端面为倾斜面, 其中一端为人字形结构, 使其切削阻力降低, 上端中部设置有多道第3刀刃槽并配有相应的第3刀刃, 第3刀刃的高度低于第2刀刃, 形成多排阶梯式的辅助刀片, 充分减少了主切削刀刀座主体的磨损, 且当主切削刀片磨损后, 后方辅助刀片会继续切削。通过对道具的改进及强化, 在沙漠地质条件下保证了顶管施工的正常进行, 并使顶进距离有效增长, 达到长距离顶管的目的。

本工程顶进管道全程穿越无水粉砂层, 管外壁摩阻力较大, 因此在顶进作业前必须进行顶力验算, 确定中继间的使用数量及设置位置。

本工程全程顶管所穿越土层均为无水粉砂地层, 地质较均匀, 针对423.3m顶进段进行探讨将具有典型意义。2~4号顶进段参数如下:管道直径DN3 000mm, 埋深48m, 顶进长度423.3m。

实际施工时, 最大顶力控制需在计算顶力、管材端面承受最大顶力、工作井最大允许顶力之间进行比选, 选取最小值作为施工顶力的最大允许值。经分析计算, 采用工作井最大允许顶力20 000kN作为本工程顶进施工时的控制顶力, 即中继间设置以20 000kN为依据进行分析。

在进行中继间设置时必须要考虑到必要的施工损耗, 即不能完全按照计算数据进行设置。根据大量施工数据统计, 通常当总顶力达到中继间总顶力40%~60%时, 就应安放第1个中继间, 此后每当达到中继间总顶力的70%~80%时, 安放1个中继间。而当主顶千斤顶达到中继间总顶力的90%时, 就必须启用中继间。经计算, 本段顶管最长顶段中继间设置情况如下:第1处中继间距离机头38m, 第2处中继间距离机头154m, 第3处中继间距离机头270m, 第4处中继间距离机头386m。

为了提高中继间的使用效率, 本工程采取丢弃式中继间, 即在顶管作业结束后, 前特殊管、后特殊管以及钢制的外壳都留在地层中, 不再进行回收, 进行处理后作为管道使用, 但是其内部的组成部分 (如推进油缸、连接件、均压环和液压管线等) 将由工作人员通过手工的方法进行拆卸, 可回收利用。

沙漠地区地层稳定性差, 砂土呈松散、流动态, 无黏性, 摩阻力大, 长距离大直径顶管施工时间长、难度大, 护壁与减阻浆液性能维护要求高, 浆液长距离输送压力损失大, 浆液作用效果不理想, 顶管施工时极易造成地层垮塌埋管, 顶管阻力急剧增加导致顶管失败。根据诸多顶管工程施工案例和技术资料, 沙漠地区大直径顶管能否顺利顶进的关键是润滑减阻和成套护壁作用, 但是沙漠地区大直径顶管是国内外首例, 因此需研制出一种新型的适用于沙漠地区的注浆减阻浆液, 使其达到润滑减阻和成套护壁的作用。

针对沙漠地区顶管的新型润滑减阻浆液, 用膨润土聚合物浆液作为同步注浆浆液, 用无黏土高聚物浆液作为跟进补浆浆液, 注浆系统也将由同步注浆系统和跟进补浆系统组成, 形成同步和跟进两套注浆工艺;同步注浆浆液在润滑减阻的基础上主要突出成套护壁作用, 而跟进补浆浆液主要突出润滑减阻特性, 从而使润滑减阻浆液系统达到最佳的润滑和护壁作用。

通过现场采集样本, 多次进行了实验室浆液配比设计, 以密度、黏度、失水量、稳定性、p H值等为指标进行调配。通过在普通膨润土中掺入化工原料来提高浆液的各项性能指标, 其中:在机尾同步注浆浆液中掺入了羧甲基纤维素 (CMC) 及烧碱 (Na OH) , 分别利用了其良好的成膜性及絮凝作用, 并且能够有效调节pH值, 使浆液处于弱碱性范围内, 有利于浆液的稳定;跟进补浆采用聚丙烯酰胺 (PAM, 2 000万分子量) 调配, 主要是利用其良好的絮凝能力及防塌能力, 同时PAM和其他水溶性聚合物一样, 能够大幅度降低流体通过管线所需要的能量, 摩擦力可降低80%。

通过不断调整化工原料的掺量进行对比试验, 得出结论:同步注浆液中浆液的漏斗黏度、动切力等总体上是随着CMC、黏土加量增加而变大, 失水量随着CMC、黏土加量增加而减小, CMC增黏的效果对于该浆液起作用;跟进补浆浆液中的失水量随PAM量的增加而减小, 且根据试验数据可知PAM (2 000万分子量) 用作减阻浆液是非常合适的。

经过现场的实际应用, 采集相关数据进行分析, 最终确定现场浆液配比如下:膨润土为100kg/m³, NaOH为0.2kg/m³, CMC为0.25kg/m³, 水为1 000kg/m³, PAM (2 000万分子量) 为5kg/m³。

为了保证管外壁泥浆套有效成形, 本工程采用增加管内注浆断面的方法进行配合, 在顶管机头后连续设置6个注浆断面, 保证同步注浆效果, 使机头后浆液能有效成环 (套) ;在其余断面则每隔6m设置1个注浆断面, 保证有足够的注浆通道, 从而使浆液能够得到有效的扩散, 充满管外壁空隙, 使流失的浆液及时得到补充, 管外壁减阻浆套始终保持完整状态, 起到减阻的作用。

本工程采用刀盘改良后的土压平衡顶管工艺施工, 其中最长顶段 (423.3m) 自2016年8月6日开始顶进至8月29日贯通, 历时24d, 平均每天顶进18m, 已达到在常规土体中的顶进速度, 说明改良后的机头在沙漠地质条件下能够有效完成土体切削, 达到了预期效果;另外, 根据方案计算, 共设置了4套中继间, 但在实际施工过程中, 因注浆效果较好, 实际顶力远小于计算顶力, 因此, 中继间并未启用, 仅作为施工停顿后, 重新启动时的应急措施设置;因实际顶力远小于计算顶力, 由此可分析出减阻浆液起到了良好的减阻效果, 且经过数据统计, 实际使用的浆液用量为理论浆液用量的4.3倍, 使用量稍大于在常规土体中的用量, 但就所取得的效果而言, 该部分增加的成本很小, 经济效益显著。工程中的顶管施工参数如表1所示。

沙漠地区顶管施工技术在乌兰布和生态沙产业区巴音湖输水穿沙管道工程的成功实施, 说明对刀盘切削刀的设计及布置完全能够适应该种地质条件, 是本工程管道顺利顶进的关键因素之一。

此外, 通过在本工程的研究试验以及成功实施, 总结表明, 通过在普通浆液中掺入一定比例的CMC及NaOH之后可有效提高浆液的成膜性, 减少了浆液的流失, 而在跟进补浆中使用高分子PAM进行浆液调配, 有效提高了浆液的润滑性, 对减少摩阻力起到了良好的效果。

本工程的顺利贯通, 标志着土压平衡顶管施工工艺在沙漠地层中的成功应用, 填补了国内该项施工工艺的技术空白, 为今后类似工程借鉴。