长距离大直径混凝土顶管中的减阻泥浆研究与应用*

罗云峰

1. 上海市基础工程集团有限公司 上海 200433；2. 上海城市非开挖建造工程技术研究中心 上海 200433

1 减阻泥浆介绍

在顶管施工中，为减小顶进时管外壁所受的摩擦阻力需进行注浆减阻。其原理是在管节外壁注入减阻泥浆，形成泥浆套，减小管壁与土体间的摩阻力[1]。减阻泥浆在顶管工程施工中的主要作用有两个：一是起润滑减阻作用，减阻泥浆在输送和灌注过程中具有流动性，呈胶状液体，将顶进管道与土体之间的干摩擦变为湿摩擦，减小顶进时的摩擦阻力；二是起填补和支撑作用，浆液填补施工时管道与土体之间产生的空隙，减阻泥浆经过一定静置时间固结呈胶凝状，同时在注浆压力下，对土体有支护作用，减小土体变形，使隧洞变的稳定[2-4]。

在长距离顶管中，减阻泥浆更是不可或缺的一个重要环节，减阻泥浆的好坏将是长距离工程能否顺利进行的关键。对于长距离顶管，管节外壁摩阻力远大于正面阻力，若在顶进中向管节外注入一定量的减阻泥浆，变固体间的滑动摩擦为固液间的滑动摩擦，如果能形成良好的减阻泥浆套，其减阻效果将是十分令人满意的，将极大地减小阻力。减阻泥浆的成功应用，可以增加单级顶进长度，减少中继间用量，加大工作井与接收井之间距离，从而减少工作井与接收井的数量，降低工程成本。

现有的减阻泥浆施工配比多靠经验确定，导致制备出的泥浆影响实际施工时的使用。现有的拌制泥浆的方法拌制速度慢，且搅拌出的泥浆膨润土水化不够充分，浆液浓度不均，会影响其性能，需要静置一段时间充分水化后才能使用，其质量和数量都无法满足长距离大直径顶管快速顶进施工时的用浆需求。

在长距离大直径顶管中，除了制备出足够量的性能指标好的减阻泥浆，注浆工艺也是决定顶管成败的关键性因素之一[5]。只有采取积极有效的注浆措施，才能保证长距离大直径顶管全程全断面都能形成较好的泥浆套，起到良好的减阻效果。

2 工程概况

上海市污水治理白龙港片区南线输送干线完善工程，主要建设内容为长约26.21 km的污水输送干管。全线干管采用顶管法施工，敷设方式采用平行双管，管道材质为钢筋混凝土顶管，每节管的长度为2.5 m。管道内径4 000 mm，外径4 640 mm，为国内最大直径顶管。工程分为6 个标段，SST2.2标段顶管工程为外环8#井至迎宾3#井之间的输送干管，西临申江路立交（外环8#顶管工作井），东临唐黄路（迎宾3#接收井），总长7 890.71 m。其中迎宾1#～3#区间内顶管单次顶进长度达2 039.82 m，为同直径最长距离顶管，如图1所示。

本工程顶管覆土厚度约为6～11 m，顶管主要位于③层淤泥质粉质黏土和④层淤泥质黏土，仅于局部顶管遇及②3砂质粉土。③层、④层为软黏性土层，厚度较厚，其强度低、渗透性差、含水量高、压缩性高、灵敏度高，具触变性和流变性，施工易受扰动。场地地下水埋藏较浅，地下水对顶管施工影响很大。浅层潜水由于顶管开挖出土产生水头差而渗流，导致粉性土产生流砂，对顶管施工不利。总的来说，顶管施工受地质水文条件影响较大。

在本顶管施工过程中，工具管刀盘比管段外径大1 cm左右，工具管穿越土体后会在土体与管段之间产生一空隙，产生的空隙需要泥浆来填充弥补，即泥浆形成支撑面，若支撑不足则土体就会塌落于管外壁使滑动摩擦主要作用因素为干摩擦，此时整个管段摩阻力会大幅上升；如果注入的润滑泥浆能在管子的外围形成一个比较完整的浆套，一般情况摩阻力可由12～30 kN/m2减至3～5 kN/m2。本长距离大直径顶管过程必须十分小心地选择减阻泥浆材料配比和完善注浆工艺，注浆减阻的好坏将是该顶管成功与否的一个极其重要的环节。

图1 工程示意

3 减阻泥浆配比及制浆方法的确定

3.1 减阻泥浆配比确定

在顶管工程开始顶进之前，先进行了泥浆配比试验。本文的泥浆配比试验主要是采用膨润土、纯碱和CMC以不同的配合比配制泥浆。通过试验来寻找性能指标良好的泥浆材料配比，充分掌握泥浆材料性能，研究分析不同配比泥浆的性能指标。在配制泥浆的这些材料中，纯碱的作用为利用其钠离子的同相置换作用增大膨润土颗粒的遇水膨胀性能，增加其吸附能力及膨胀性；CMC主要作为增黏剂，增强泥浆的支撑性能。

泥浆的性能是泥浆的组成以及其各组分间相互物理化学作用的宏观反映，是反映泥浆质量的具体参数。泥浆性能及其变化直接影响着减阻润滑等问题。泥浆的主要性能有泥浆的相对密度、泥浆的流变特性、泥浆的虑失性能以及泥浆的含砂量、润滑性、胶体率和pH值等。本工程主要关注的泥浆性能有泥浆的相对密度、流变特性和虑失性能等，故进行泥浆配比试验时重点加强相对密度、黏度、失水量、泥皮厚度等4 项性能指标参数的测定。

本顶管工程主要穿越土质为第④层淤泥质黏性土，该层土渗透系数低，土壤颗粒小，基本不需要过高的黏度。但由于地下水位高，土层含水量大，要求泥浆泥皮形成良好，失水量小，因此，泥浆黏度控制在20～25 s、相对密度控制在1.05～1.07、失水量控制在5～10 ml、泥皮厚度控制在3～5 mm为宜。结合工程实际和泥浆配比试验的情况，在数种配比中选择了水∶钠基膨润土∶纯碱∶CMC=1 000∶100∶6∶2的方案来作为背景工程的施工配合比使用。

3.2 制浆方法确定

泥浆中膨润土的膨胀性能是否充分发挥主要取决于搅拌时间。搅拌越充分则越可缩短泥浆静置等待膨胀的时间，特别是在温度较低的情况下搅拌更应该加长时间。拌制泥浆过程也是非常重要的，在现场实际使用时，拌制出的泥浆性能指标能否达到配比试验时的性能指标也是一个重要的问题。此外，由于本工程尤其是迎宾1#井侧顶管施工，进度极快，泥浆需求量大。现有的传统拌制泥浆的方法一般是在一个搅拌桶内用搅拌机进行拌制，每个搅拌桶一次只能拌制1～2 m3泥浆，拌制速度慢，远达不到工程快速施工用浆量的要求。

为满足本工程顶管施工对减阻泥浆的要求，本工程采用剪切泵来拌制泥浆，拌浆设备示意如图2所示，通过泥浆不断的在这个系统中的循环运动来实现泥浆的拌制。剪切泵是一种能够快速配置和处理泥浆的固控设备，能满足配置高性能泥浆的要求。

图2 拌浆设备示意

当采用剪切泵拌制泥浆时，先向储浆箱中灌注18 m3左右的水，打开输浆管上的阀门，开启剪切泵，按既定的材料配比分别把钠基膨润土、纯碱和CMC投入加料漏斗，运行30 min后关闭剪切泵，关闭阀门，储浆箱中即有20 m3左右减阻泥浆可供工程实际使用。

在制备泥浆时还应注意：新配置的泥浆或多或少会含有颗粒状物，可在泥浆箱上部覆盖细密的钢丝网，用来过滤泥浆中的颗粒物，防止颗粒物进入泥浆输送管，致使泥浆输送管堵塞；当泥浆静置后，会出现沉淀现象，导致浆液浓度不均。

因此在压浆使用前，需开启制浆设备对浆液进行循环3 min左右，以保证泥浆浓度的均匀。

范氏、中行氏反易天明，斩艾百姓，欲擅晋国而灭其君。寡君恃郑而保焉。今郑为不道，弃君助臣，二三子顺天明，从君命，经德义，除诟耻，在此行也。克敌者，上大夫受县，下大夫受郡，士田十万，庶人工商遂，人臣隶圉免。志父无罪，君实图之！若其有罪，绞缢以戮，桐棺三寸，不设属辟，素车朴马，无入于兆，下卿之罚也。[8](P1613-1615)

4 长距离大直径顶管注浆工艺研究

顶管注浆的工艺流程为：施工准备→拌浆送浆→同步注浆→跟踪补浆。顶管顶进结束后，对已形成的泥浆套的浆液进行置换。

4.1 注浆设备布置

为满足本工程泥浆减阻的需求，泥浆系统设备具体配置如下：

（a）工具管尾部环向设1 道同步注浆环，工具管后3 节管段每节设置1 道同步注浆环，减阻泥浆由此在工具管向前顶进的过程中及时在后管外壁形成泥浆套。其后的跟踪注浆环每隔3 管节设置1 环，在顶进时起分段、同时补浆的作用。每道补浆环有独立的阀门控制，并能承受外水压，浆液压力维持至它被水泥浆替换。

（b）由于本工程管径超大，为提高注浆效率的同时，便于注浆控制，注浆供给采用2 路管路，分别与各注浆环连接。每管供应单侧（左侧或者右侧）的3 个注浆孔，注浆孔环形布置，每环6 个压浆孔，每个压浆孔之间呈60°布置（图3）。

（c）在工具管后部设置泥浆箱，能供应同步注浆所需泥浆。浆箱容积为3 m3，配置BW160型压浆泵2 台。其后每隔200 m设置1 个泥浆中继站，泥浆中继站设置泥浆箱2 只（1.5 m3）及BW160压浆泵2 台。工作井地面设置3 台BW250压浆泵（1 台备用），泥浆箱配套使用BM250压浆泵负责同步注浆。

图3 注浆孔设置示意

本工程中，为了保证管壁外泥浆套的效果，采用自动压浆控制系统来全面管理压浆工序，来有效控制注浆量及注浆压力，减小因注浆对土体的扰动。同时，结合地面监测数据，若压力过高，应适当降低注浆压力；若泥浆压力较低，适当提高注浆压力；若泥浆压力消失，则说明泥浆固结失效或浆量严重缺失，必须进行大量注浆。

4.2 注浆压力及注浆量

工具管刀盘直径大于混凝土管1 cm，穿越土体后产生的空隙需要减阻泥浆来填充弥补。如果在这一环套和顶进管之间保持一个相当于土压力的减阻泥浆压力，减阻泥浆便承受着全部的土压力，致使土压力间接地加荷于管壁。

4.2.1 注浆压力设定

本工程顶管覆土厚度约为6～11 m，则按照管底水土压力计算P压力=1.1γh=0.27 MPa。

安全阀的压力设定不仅要满足注浆孔注浆压力的要求，还要满足长距离输送的水头损失、考虑沿程水头损失等情况，可以将安全阀标定在0.40 MPa，并在一个级别±0.05 MPa中进行多级调整。

4.2.2 注浆量确定

顶管工程压浆由2 个部分组成，一个工具头后部的同步注浆，另一个是管道内的跟踪补浆。采用重叠压浆机理来控制注浆量，即每个压浆环压出去的浆都和下个压浆环的压浆范围重叠，压浆量控制在6 倍建筑空隙以内，加上重叠范围，总体上压浆量为8 倍建筑空隙。

管段压浆量控制为：同步注浆时，每节管节压浆量为1.46 m3；跟踪注浆段，即每200 m补浆1.46 m3。

为确保能形成完整有效的泥浆环套，管道内的补压浆的次数及压浆量根据管壁为泥浆反压、外壁摩阻力变化情况结合地面监测数据及时调整。

5 结语

本文对减阻泥浆应用于顶管的重要性，尤其是在长距离顶管施工的重要性进行了阐述，并以目前国内最大直径且同直径最长距离混凝土顶管工程——白龙港工程为依托，对适合该工程用减阻泥浆配比试验、制浆方法和注浆工艺等进行了研究。根据记录的顶力数据计算出施工阶段的平均摩阻力在0.5～0.8 kN/m2（最小值0.3 kN/m2）之间，仅为规范规程规定的施加减阻泥浆后的平均摩阻力1/4～1/3，效果良好。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，节省了工期和节约了施工成本。