一种控制大型矩形顶管掘进土体变形的方法
【专利摘要】本发明公开了一种控制大型矩形顶管掘进土体变形的方法，包括以下步骤：拌制减摩浆液，减摩浆液的组分包括水、膨润土、高分子聚合物；在矩形顶管的管片上设置注浆口，在注浆口上连接注浆管路；于管片的推进过程中，通过注浆管路对管片外表面与土体之间压注减摩浆液，于管片外表面形成一层泥浆套，以隔断管片与土体间的直接接触。通过综合手段来控制复杂土层、大断面矩形顶管掘进过程中的土体变形，首先在原顶管施工中所用的膨润土浆液中按照一定配比添加高分子聚合物，大大提高充填浆液的黏度及承压性，并减少在复杂土层中自身的滤失量。其次通过土体补偿措施稳定沉降，甚至抬升沉降区域土体，使沉降参数符合施工要求。
【专利说明】一种控制大型矩形顶管掘进土体变形的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种隧道施工领域，尤其涉及一种控制大型矩形顶管掘进土体变形的 方法、装置及减摩浆液。
【背景技术】
[0002] 矩形顶管作为地下通道非开挖施工的一种，其对交通繁忙、人口密度、地面建筑物 众多、地下建筑物和管线复杂的市区来说非常重要。其施工特点是不影响穿越段地面的交 通及穿越土层中的管线，于是顶进施工中对于土体的变形必须严格控制。
[0003] 传统土体变形控制措施是通过匹配出土量及施工过程中压注减摩浆液（膨润土 + 水），但对复杂地层无法做到严格控制，且对于已形成沉降大的顶进断面尚无明确控制及弥 补的措施。
[0004] 传统土体变形控制的实现方案如下：
[0005] 1、减摩浆液压注：
[0006] 1)准备步骤
[0007] 减摩浆液材料准备：水、膨润土；
[0008] 调试压浆系统相关设备：地面供水系统、地面拌浆系统、井下浆液压注管路系统；
[0009] 压注量计算：管节与土体间隙容量；
[0010] 2)压注步骤
[0011] (1)按照一定配比拌制浆液；
[0012] (2)发酵后浆液泵送至井下储浆桶；
[0013] (3)手动开启注浆管路球阀进行浆液压注；
[0014] (4)控制并记录压入量及压注压力；
[0015] 2、施工中控制匹配进尺量及出土量：
[0016] 根据断面尺寸计算出理论推进每延米的出土量，根据此数据控制出土量。
[0017] 施工推进过程中刀盘会对上层土体持续扰动，通过管壁外填充浆液具有一定效 果，但针对复杂土层膨润土浆液自身的滤失量及承压性无法保证土体沉降变形在可控范 围；根据匹配进尺量控制出土量在经过土体改良后及倒土不彻底等因素下其准确性存在较 大波动。
【发明内容】
[0018] 本发明所要解决的技术问题是提供一种减小摩擦阻力、提高充填浆液的黏度及承 压性，并减少在复杂土层中自身的滤失量的控制大型矩形顶管掘进土体变形的方法、装置 及减摩楽液。
[0019] 为实现上述技术效果，本发明公开了一种控制大型矩形顶管掘进土体变形的方 法，所述方法包括以下步骤：
[0020] 拌制减摩浆液，所述减摩浆液的组分包括水、膨润土、高分子聚合物，其中所述高 分子聚合物占减摩浆液的2?2. 5% ;
[0021] 在所述矩形顶管的管片上设置注浆口，在所述注浆口上连接注浆管路；
[0022] 于所述管片的推进过程中，通过所述注浆管路对所述管片外表面与土体之间压注 所述减摩浆液，于所述管片外表面形成一层泥浆套，以隔断所述管片与所述土体间的直接 接触。
[0023] 本发明进一步的改进在于，所述高分子聚合物包括大、中分子量的聚丙烯酸盐、纤 维素盐、抗盐抗钙剂、改性土。用于配制初始基础减摩浆液。大、中分子量的聚合物材料与 有益颗粒（切削下的改性土或膨润土）之间，颗粒与颗粒之间相互吸附，形成布满整个泥水 空间的网状结构框架，将自由水喝土颗粒包围其结构中，以提高泥浆的粘度切力，降低滤失 量，完成造浆护壁的初始浆液。
[0024] 本发明进一步的改进在于，在所述管片的左右两边对称设置多个所述注浆口。
[0025] 本发明进一步的改进在于，所述注浆管路包括注浆总管和多个注浆支管，所述注 浆支管的第一端分别采用三通或二通相互并接于所述注浆总管上，所述注浆支管的第二端 连接所述注浆口。
[0026] 本发明进一步的改进在于，所述注浆总管与所述注浆支管之间安装有用于控制所 述注浆口启闭的电动球阀，所述电动球阀控制连接于PLC控制器，所述PLC控制器控制所述 电动球阀采用左右单点循环压注的方式使所述注浆口向所述管片外表面与所述土体之间 压注所述减摩浆液。
[0027] 本发明进一步的改进在于，所述注浆总管与所述注浆支管之间还设有电子压力 计，用于监控所述注浆管路内的压力。
[0028] 本发明进一步的改进在于，所述注浆支管上还设有手动球阀。
[0029] 本发明进一步的改进在于，在所述管片的推进过程中还包括以下步骤：
[0030] 拌制改良土体；
[0031] 在所述矩形顶管的顶部及底部设置压泥口，在所述压泥口上连接压泥管路；
[0032] 于所述管片的推进过程中，实时监测土体沉降情况，通过所述压泥管路对沉降区 域的所述管片与土体之间压注所述改良土体，抬升所述沉降区域。
[0033] 本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
[0034] 1、减摩浆液通过改良，提高稠度、承压性，降低滤失量，大大提高浆液质量；
[0035] 2、自动化、全断面浆液压注，确保泥浆套连续性及完整性，减少背土，控制土体变 形；
[0036] 3、土体补偿，作为土体变形控制后续手段，能及时稳定施工段土体沉降，对于压入 量的调节可以抬升沉降区域，减少沉降量，效果显著。
[0037] 通过综合手段来控制复杂土层、大断面矩形顶管掘进过程中的土体变形，首先在 原顶管施工中所用的膨润土浆液中按照一定配比添加高分子聚合物，大大提高充填浆液的 黏度及承压性，并减少在复杂土层中自身的滤失量。其次通过土体补偿措施稳定沉降，甚至 抬升沉降区域土体，使沉降参数符合施工要求。
[0038] 减摩浆液在减少管片管壁摩阻力的同时，其自身所形成的泥浆套隔断了管片管壁 与土体的直接接触，防止掘进过程中背土现象，有效的减小及控制了施工段土体变形。注浆 管路左右独立，保证管节每个点位都能及时得到浆液补充。自动化操作及数据采集，精确控 制压注量及压注压力，确保泥浆套形成的连续性和完整性。
【专利附图】
【附图说明】
[0039] 图1是矩形顶管的施工状态示意图。
[0040] 图2是本发明控制大型矩形顶管掘进土体变形的方法中减摩注浆系统的断面结 构示意图。
[0041] 图3是本发明控制大型矩形顶管掘进土体变形的方法中土体补偿系统的断面结 构示意图。
[0042] 图4是注浆总管与注浆支管的三通连接结构示意图。
[0043] 图5是注浆总管与注浆支管的二通连接结构示意图。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图以及【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0045] 参阅图1所示，矩形顶管的机头20于土体中掘进，当掘进至一定距离后，机头20 停止推进，然后利用始发井23内的主顶装置22将第一环管片21推出，依此类推，依次推进 机头20和管片21，直至隧道贯通。本发明的控制大型矩形顶管掘进土体变形的装置就是用 于在管片推进过程中减少管片与土体间的摩阻力，防止掘进过程中发生背土现象，有效的 减小及控制施工段土体变形。
[0046] 配合图2和图3所示，本发明的控制大型矩形顶管掘进土体变形的装置主要由一 减摩注浆系统和一土体补偿系统构成，矩形顶管的管片21上分别开设有注浆口 211和压泥 口 212,如图1所示，注浆口 211设置于管片上，如图2所示，压泥口 212设置于管片的顶部 及底部。
[0047] 减摩注浆系统由地面供水系统、地面拌浆系统、井下浆液压注管路系统及电动球 阀PLC控制系统构成，地面供水系统及地面拌浆系统用于拌制减摩浆液，井下浆液压注管 路系统包括注浆管路11，注浆管路11由2寸注浆总管111及多道相互并接于注浆总管上 的注浆支管112构成，注浆总管111自地面供水系统和地面拌浆系统分两路由G点和g点 分别接入矩形顶管21内部，由G点和g点接入的两道注浆总管111分别沿管片21内壁布 设于管片21的左右两边，对矩形顶管21的左右两边独立注浆。配合图4和图5所示，注浆 总管111的中部通过三通141连通注浆支管112的第一端，注浆总管111的末端则通过二 通142连通注浆支管112的第一端，注浆支管112的第二端连接管片上的注浆口 211，注浆 口 211均匀布设于管片21的管壁一周。电动球阀PLC控制系统包括一PLC控制器121及 控制连接于PLC控制器121的多个电动球阀122。在注浆总管111的中部，电动球阀122通 过安装于三通141连通于注浆总管111与注浆支管112之间，用于控制注浆口 211的启闭； 如图5所示，在注浆总管111的末端，电动球阀122通过安装于注浆支管112上连通于注 浆总管111与注浆支管112之间，并且在二通142与注浆支管112的第一端之间连接一电 子压力计123,用于配合电动球阀122监控注浆管路11内的压力。通过PLC控制器121控 制电动球阀12实现自动化压注，提高施工质量及效率。根据PLC控制器121内设置的PLC 程序，在管片21推进过程中，采用左右单点循环压注的自动压注方式，如：A-B-C-D-E-F-A， a-b-c-d-e-f-a，如图2所示，对管片21的外表面与掘进土体之间进往复注浆，压注点位顺 序可根据程序做相应改动。注浆支管上还连通有手动球阀124,用于手动控制注浆口 211的 启闭。
[0048] 其中，所注浆液为由水、膨润土、高分子聚合物组成的减摩浆液，高分子聚合物作 为一种HS-I型盾构专用聚合物，主要由大、中分子量的聚丙烯酸盐类、纤维素盐类、抗盐抗 钙剂、改性土以及增效添加剂等组成。减摩浆液中包含2-2. 5%的该种高分子聚合物。大、 中分子量的聚合物材料与有益颗粒（切削下的改性土或膨润土）之间，颗粒与颗粒之间相 互吸附，形成布满整个泥水空间的网状结构框架，将自由水和土颗粒包围其结构中，以提高 泥浆的粘度切力，降低滤失量，完成造浆护壁。
[0049] 根据摩阻力公式屮=€￥〇1[2肝(2!1+01)七&11(45。-(35/2)+￥八￥01)儿，采用25 8 上述高分子聚合物、120g膨润土和IOOOml水配置而成的减摩浆液可以有效减少1000? 1500KN的摩阻力,其中，P为摩阻力，f为摩擦系数，γ为土的容重,H为覆土深度，Φ为土层 内摩察角，W为管道单位长度自重，Dl为管道外径，L为顶进长度。
[0050] 减摩浆液在减少管片管壁摩阻力的同时，其自身所形成的泥浆套隔断了管片管壁 与土体的直接接触，防止掘进过程中背土现象，有效的减小及控制了施工段土体变形。在管 片21推进过程中，采用自动化操作及数据采集，精确控制减摩浆液的压注量及压注压力， 确保管片21的外表面与掘进土体之间形成连续、完整的泥浆套，以避免由于管片21的推进 对周边土体的牵带而引起的土体沉降变形，保证了矩形顶管掘进施工的质量及安全。
[0051] 土体补偿系统包括压泥设备131及压泥管路132,压泥设备131顶部设有一加泥斗 1311，用于将施工出土添加膨润土浆液改良后的土体送至压泥设备151，压泥管路132的第 一端连接压泥设备131，压泥管路132的第二端连接压泥口 212,压泥口 212均匀布设于矩 形顶管外管壁的顶部及底部，通过压泥管路152对管片21外的泥浆套外侧与土体之间进行 压泥以抬高土体，补偿土体沉降。
[0052] 本发明控制大型矩形顶管掘进土体变形的方法主要由减摩浆液压注施工及土体 补偿施工构成，其中，
[0053] 1、减摩浆液压注施工步骤如下：
[0054] 1)准备步骤
[0055] 减摩浆液材料准备：水、膨润土、HS-I型盾构专用聚合物；
[0056] 调试压浆系统相关设备：地面供水系统、地面拌浆系统、井下浆液压注管路系统、 电动球阀PLC控制系统；
[0057] 压注量计算：管片与土体间隙容量。
[0058] 2)压注步骤
[0059] (1)按照一定配比拌制减摩楽液，减摩楽液采用25g高分子聚合物、120g膨润土和 IOOOml水拌制而成；
[0060] (2)通过注浆管路11将减摩浆液泵送至井下储浆桶；
[0061] (3)采用PLC控制器自动开启注浆管路电动球阀对管片外表面及土体间进行浆液 压注；
[0062] (4)自动采集压入量及压注压力。
[0063] 3)连接方式：
[0064] (1)管节内注浆总管111及注浆支管112分为左右2部分，各自独立，分别对对称 设置与管片左右两边的注浆口进行注浆，保证每个点位浆液压注充分；
[0065] (2)2寸注浆总管111接入，经三通分出注浆支管112并联管壁一周的第一注浆孔， 加装电动球阀及电子压力计，实现自动化压注，提高施工质量及效率。
[0066] 4)控制方式：
[0067] 根据设置的PLC程序，自动压注方式为左右单点循环压注。如：A-B-C-D-E-F-A， a-b-c-d-e-f-a，如此往复，压注点位顺序可根据程序做相应改动。
[0068] 减摩浆液在减少管片管壁摩阻力的同时，其自身于管片管壁与土体之间形成的泥 浆套，隔断了管片管壁与土体的直接接触，防止掘进过程中背土现象，有效的减小及控制了 施工段土体变形。12个压注点，左右管路独立，保证管节每个点位都能及时得到浆液补充。 自动化操作及数据采集，精确控制压注量及压注压力，确保泥浆套形成的连续性和完整性。
[0069] 2、土体补偿施工步骤如下：
[0070] 1)准备步骤
[0071] 材料准备：土、水、膨润土；
[0072] 地面土体改良拌制系统，优化土体流塑性；
[0073] 压泥系统调试。
[0074] 2)控制步骤
[0075] (1)施工出土添加膨润土浆液改良，拌制改良主体；
[0076] (2)改良后土体送至压泥设备151 ;
[0077] (3)根据沉降位置确定压注位置；
[0078] (4)实施压泥操作；
[0079] (5)控制压注量及压力并作相关数据记录；
[0080] (6)地面实时监测压注区域地面沉降变化。
[0081] 结合图5所示，矩形顶管施工过程中，通过地面沉降报表实时反馈施工段地面沉 降情况。如测量人员在顶进里程A点发现沉降超过预警值，通过该位置的实际里程，找到相 应土层正下方的2#管片。这样可以通过在该区域1#、2#、3#管片进行管片外壁压泥，根据 压泥量的控制先达到稳定沉降趋势，之后抬升沉降区域减少沉降量。
[0082] 本发明通过综合手段来控制复杂土层、大断面矩形顶管掘进过程中的土体变形， 首先在原顶管施工中所用的膨润土浆液中添加HS-I型盾构专用聚合物，大大提高充填浆 液的黏度及承压性，并减少在复杂土层中自身的滤失量。其次通过土体补偿措施稳定沉降， 甚至抬升沉降区域土体，使沉降参数符合施工要求。
[0083] 以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上 述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本 发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种控制大型矩形顶管掘进土体变形的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤： 拌制减摩浆液，所述减摩浆液的组分包括水、膨润土、高分子聚合物，其中所述高分子 聚合物占减摩浆液的2?2. 5% ; 在所述矩形顶管的管片上设置注浆口，在所述注浆口上连接注浆管路； 于所述管片的推进过程中，通过所述注浆管路对所述管片外表面与土体之间压注所述 减摩浆液，于所述管片外表面形成一层泥浆套，以隔断所述管片与所述土体间的直接接触。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述高分子聚合物包括大、中分子量的聚丙 烯酸盐、纤维素盐、抗盐抗钙剂、改性土。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述管片的左右两边对称设置多个所述 注浆口。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述注浆管路包括注浆总管和多个注浆支 管，所述注浆支管的第一端分别采用三通或二通相互并接于所述注浆总管上，所述注浆支 管的第二端连接所述注浆口。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述注浆总管与所述注浆支管之间安装有 用于控制所述注浆口启闭的电动球阀，所述电动球阀控制连接于PLC控制器，所述PLC控制 器控制所述电动球阀采用左右单点循环压注的方式使所述注浆口向所述管片外表面与所 述土体之间压注所述减摩浆液。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述注浆总管与所述注浆支管之间还设有 电子压力计，用于监控所述注浆管路内的压力。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述注浆支管上还设有手动球阀。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述管片的推进过程中还包括以下步骤： 拌制改良土体； 在所述矩形顶管的顶部及底部设置压泥口，在所述压泥口上连接压泥管路； 于所述管片的推进过程中，实时监测土体沉降情况，通过所述压泥管路对沉降区域的 所述管片与土体之间压注所述改良土体，抬升所述沉降区域。
【文档编号】C04B30/00GK104265326SQ201410382501
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】陈旭光, 方涛, 黄 俊, 蔡雯俊, 黄德中, 吴列成, 李刚, 舒刚强, 徐连刚, 范杰, 吕锦, 王旋东, 钱晓华 申请人:上海隧道工程有限公司, 上海隧道盾构工程有限公司