原材料含量对顶管施工触变泥浆性能的影响

袁为岭，荣　亮，杨红军

(中铁隧道股份有限公司，河南 郑州　450000)



原材料含量对顶管施工触变泥浆性能的影响

袁为岭，荣亮，杨红军

(中铁隧道股份有限公司，河南 郑州450000)

摘要：触变泥浆在顶管施工过程中起到润滑减阻、支撑地层等作用，是顶管施工中的关键之一。为解决长距离、大断面矩形顶管沉降控制困难及阻力过大的问题，通过对触变泥浆中各种原材料对其性能的影响进行类比试验，寻找各种原材料对泥浆性能的影响规律，分析每种材料对触变泥浆性能的影响，从而根据郑州市下穿中州大道隧道工程地层情况确定了适应本工程的触变泥浆配合比，顶管推进减阻30%左右，解决了大断面矩形顶管沉降控制困难和推进摩擦阻力大的问题。

关键词：顶管；触变泥浆；漏斗黏度；析水率；API失水量

0引言

随着社会的进步和经济的发展，越来越多的长距离、大断面顶管隧道应用在城市地下工程的建设中，因此，如何减小顶管施工过程中的地层阻力和有效控制地层沉降成为工程的关键。

文献[1-4]研究的是触变泥浆浆液注入的时间、方式和压力等因素对顶管施工的影响；文献[5-6]主要介绍了触变泥浆在顶管施工中的机制及触变泥浆的应用；文献[7]介绍了砂性土中长距离顶管的触变泥浆试验研究；文献[8-9]介绍了水泥浆触变性的分析及实验研究；文献[10]研究的是新型的触变泥浆减阻材料；文献[11]主要研究了膨润土对泥水平衡盾构泥浆漏斗黏度的影响；文献[12-13]主要介绍了触变泥浆在桥涵顶进中的应用。以上文献很少有深入探讨和研究膨润土触变泥浆本身的性能以及各种原材料对泥浆性能的影响，本文以常用的膨润土泥浆作为顶管施工的触变减阻材料为例，采用类比试验法探索常规膨润土泥浆配合比中各种原材料对其性能的影响，从而根据不同地层对泥浆性能的要求，选择比较合适的配合比，并且可以根据现场施工情况的不同，增加一定的原材料，及时调整泥浆性能，使泥浆性能能够更好地适应地层要求。经过现场验证，经试验选择的泥浆配合比性能良好、稳定，在大断面矩形顶管施工中，起到了良好地控制地层沉降和减小顶进推力的作用。

1触变泥浆性能及其在顶管中的作用

1.1泥浆的触变性

浆液配制完成后为悬浮液，当悬浮液静止时，会絮凝成凝胶体；当浆液被搅拌、振动或泵送时，转变成黏性的液体；再次处于静止状态时，又会形成凝胶体，这种液体和凝胶体之间的交替可以发生多次，这类特性称为触变性。触变泥浆的触变性有助于顶管隧道顶层在运动时成为黏性浆液减小阻力，静止时成为凝胶体支撑地层。

1.2触变泥浆在顶管中的作用

1)减阻作用。将顶进管道与土体之间的干摩擦转换为液体摩擦，减小顶进的摩擦阻力。

2)填补作用。浆液填补施工时管道与土体之间产生的空隙。

3)支撑作用。在注浆压力下，减小土体变形，顶管隧道和土体之间的间隙被高浓度浆液填充，支撑地层。

当了解了触变泥浆的性能和在顶管施工中的作用后，就能根据施工地层的性质(颗粒含量、级配、黏粒含量和含水量等)，选择相应性能参数的触变泥浆。

2触变泥浆性能试验介绍

1)原材料:膨润土、Na2CO3、CMC(羧甲基纤维素纳)、PHP(聚丙烯酰胺)和水等。

2)试验仪器：六速旋转黏度计、比重称、马氏漏斗黏度计、打气筒滤失仪、含砂量测定仪、秒表、泥浆搅拌机、电子称、pH试纸、烧杯、玻璃板、玻璃棒和量筒等。

3)试验方法：在基本符合顶管施工触变泥浆性能配合比的情况下，调整配合比中某一种原材料的含量，检测其含量的变化对泥浆各种性能的影响；然后再调整其他几种原材料的含量，检测其对泥浆性能的影响，通过这样的类比试验，分析各种原材料对泥浆性能的影响。

触变泥浆主要有以下7个参数：密度、黏度、含砂量、pH值、稳定性、失水量和静切力。主要测试的是对顶管施工非常重要的黏度、稳定性(析水率)和失水量3个指标。

3触变泥浆成分与泥浆性能的关系

触变泥浆主要由膨润土和水按一定比例配制而成，加入CMC、纯碱和PHP以改善其性能指标。其中，CMC作用为增稠、降低失水量；纯碱作用为促进膨润土水化；PHP作用为抗分散。通过类比试验来检测各种原材料对触变泥浆性能的影响。

3.1膨润土对泥浆性能的影响

前期根据经验先试配几种触变泥浆，然后配制标准密度约为1.1 g/cm3的触变泥浆，在CMC、纯碱和PHP含量不变的情况下，改变膨润土的含量，见表1，测出膨润土含量对触变泥浆漏斗黏度、析水率和API失水量的影响曲线，如图1所示。

由图1可知，在一定配合比下，随着膨润土含量的增加触变泥浆的漏斗黏度变大，膨润土的含量对触变泥浆的漏斗黏度影响非常明显，尤其当膨润土含量较大时，影响更大；但当膨润土含量过大时，触变泥浆成流塑状态，不再适用本试验。

表1泥浆配合比试验1(膨润土含量变化)

Table 1Slurry mixing proportion test 1 (with different content of bentonite)

配合比(密度1.1g/cm3)膨润土/%CMC/%纯碱/%PHP/%水/%试验数据漏斗黏度/s泥浆析水率/%API失水量/(mL/30min)2.00.10.30.297.424.67.325.94.00.10.30.295.435.03.519.06.00.10.30.293.445.60.514.08.00.10.30.291.452.30.012.510.00.10.30.289.460.50.011.612.00.10.30.287.477.20.010.614.00.10.30.285.498.60.010.0

图1　膨润土含量对漏斗黏度、析水率和失水量影响曲线

Fig.1Curves showing influence of bentonite content on viscosity,water separating rate and filtration of slurry

随着膨润土含量的增加触变泥浆的析水率降低，当膨润土含量达到一定量后，析水率变为0，不再变化。

随着膨润土含量的增加触变泥浆API失水量减小，在膨润土含量较小时，影响非常明显；当膨润土含量较大时，影响较小。这主要是因为随着膨润土含量的增加，泥浆中固相含量增加，泥浆黏度增大，使泥浆失水量减小。

3.2CMC含量对触变泥浆性能的影响

配制密度1.1 g/cm3的触变泥浆，在膨润土、纯碱和PHP含量不变的情况下，改变CMC的含量，见表2，可以得出CMC含量对泥浆漏斗黏度、析水率和API失水量的影响曲线，如图2所示。

由图2可知，在一定配合比下，随着CMC含量的增加触变泥浆的漏斗黏度变大，当CMC含量较小时，影响较大；当CMC含量较大时，影响变小。CMC在泥浆中起到增稠的作用，随着含量的增加，泥浆黏度增大，当超过一定量时，其增稠效果降低，使得泥浆黏度增加较小。

表2泥浆配合比试验2(CMC含量变化)

Table 2Slurry mixing proportion test 2 (with different content of CMC)

配合比(密度1.1g/cm3)膨润土/%CMC/%纯碱/%PHP/%水/%试验数据漏斗黏度/s泥浆析水率/%API失水量/(mL/30min)6.00.00.30.293.533.01.516.06.00.10.30.293.445.60.214.06.00.20.30.293.355.30.016.06.00.30.30.293.263.40.016.06.00.40.30.293.169.50.015.06.00.50.30.293.075.60.014.96.00.60.30.292.977.80.014.5

图2　CMC含量对漏斗黏度、析水率和失水量影响曲线

Fig.2Curves showing influence of CMC content on viscosity,water separating rate and filtration of slurry

触变泥浆析水率随着CMC含量的增加而降低，当CMC含量达到一定量后，析水率变为0，不再变化。

CMC含量对触变泥浆API失水量影响几乎可以不考虑。

3.3纯碱含量对触变泥浆性能的影响

配制密度1.1 g/cm3的触变泥浆，在膨润土、CMC和PHP含量不变的情况下，改变纯碱的含量，见表3，可以得出纯碱含量对触变泥浆漏斗黏度、析水率和API失水量的影响曲线，如图3所示。

表3泥浆配合比试验3(纯碱含量变化)

Table 3Slurry mixing proportion test 3 (with different content of sodium carbonate)

配合比(密度1.1g/cm3)膨润土/%CMC/%纯碱/%PHP/%水/%试验数据漏斗黏度/s泥浆析水率/%API失水量/(mL/30min)6.00.10.00.293.732.62.018.16.00.10.10.293.638.71.016.36.00.10.20.293.542.70.015.06.00.10.30.293.445.60.014.06.00.10.40.293.343.50.014.26.00.10.50.293.240.00.015.06.00.10.60.293.138.00.015.3

图3　纯碱含量对漏斗黏度、析水率和失水量影响曲线

Fig.3Curves showing influence of sodium carbonate content on viscosity,water separating rate and filtration of slurry

由图3可知，在一定配合比下，当纯碱含量较小时，随着纯碱含量的增加触变泥浆的漏斗黏度变大，当超过一定含量后，随着纯碱含量的增加而黏度逐渐减小，其中，在含量0.3%附近漏斗黏度最大。

触变泥浆析水率随着纯碱含量的增加而降低，当纯碱含量达到一定量后，析水率变为0，不再变化。

当纯碱含量较小时，触变泥浆API失水量随着纯碱含量增加而减小，当超过一定含量后，随着纯碱含量的增加而逐渐变大，其中，在含量0.3%附近API失水量最小。加入纯碱后，可以去除泥浆中的部分钙离子，从而提高泥浆的水化分散能力，使得失水量减小，当加入量过多时，泥浆的水化分散能力下降，使得失水量增大。

3.4PHP含量对触变泥浆性能的影响

配制密度1.1 g/cm3的触变泥浆，在膨润土、CMC和纯碱含量不变的情况下，改变PHP的含量，见表4，可以得出PHP含量对触变泥浆漏斗黏度、析水率和API失水量的影响曲线，如图4所示。

表4泥浆配合比试验4(PHP含量变化)

Table 4Slurry mixing proportion test 4 (with different content of PHP)

配合比(密度1.1g/cm3)膨润土/%CMC/%纯碱/%PHP/%水/%试验数据漏斗黏度/s泥浆析水率/%API失水量/(mL/30min)6.00.10.00.293.732.62.018.16.00.10.10.293.638.71.016.36.00.10.20.293.542.70.015.06.00.10.30.293.445.60.014.06.00.10.40.293.343.50.014.26.00.10.50.293.240.00.015.06.00.10.60.293.138.00.015.3

图4　PHP含量对泥浆漏斗、析水率和失水量影响曲线

Fig.4Curves showing influence of PHP content on viscosity,water separating rate and filtration of slurry

由图4可知，在一定配合比下，PHP含量对漏斗黏度影响不大。

触变泥浆析水率随着PHP含量的增加而升高，在0.5%左右达到顶峰，当含量较大时，析水率再次降低。随着PHP含量的增加，泥浆的絮凝效果提高，使得泥浆中细颗粒形成比较大的絮团，析水率逐渐升高，当超过一定含量，其絮凝效果而下降，造成析水率降低。

API失水量随着PHP含量的增加而逐渐变大，但影响较小。

4工程实例

郑州市下穿中州大道工程，采用2台矩形顶管(10.1 m×7.25 m,7.5 m×5.4 m)施工4条平行的隧道，隧道埋深在3 m左右，地层以粉土和粉质黏土为主，地下水位在5～7 m，随着季节变化而变换2 m左右，隧道上部为繁忙的交通主干道，地下管线较多，由于首次采用如此大断面施工，切覆土超浅，平行隧道间距只有1 m，且100 m长隧道未采用中继间，因此对施工的沉降控制和摩擦阻力的降低提出了更高的要求。

依据触变泥浆在顶管施工过程中的作用，要求触变泥浆性能必须满足以下指标，见表5。

表5　触变泥浆性能要求

采用正交试验对试验数据进行分析，在满足顶管触变泥浆性能指标要求的情况下，确定触变泥浆最佳配合比见表6。

同时根据试验取得的原材料对泥浆性能的影响规律，在不同时段(始发、推进和到达)、不同位置(洞门、隧道内补充注浆和顶管机机头)注入性能差异不大的触变泥浆，最终确保了项目成功实施。

表6触变泥浆配合及性能指标

Table 6　Mixing proportions of every raw material of thixotropic slurry and performance indexes

通过计算得出顶管隧道贯通的推力为64 670 kN，而实际推力只有理论推力的70%左右，沉降在交通主干道保证在25 mm以内，触变泥浆对该项目的成功施工起到了非常关键的作用。

5结论与建议

5.1结论

1)在一定配比下，随着膨润土含量的增加，漏斗黏度增大(超过一定量后就无法在进行试验)，析水率降低(含量少时降低量大，变化接近0后不变)，失水量减小；

2)在一定配合比下，随着CMC含量的增加，漏斗黏度增大，析水率降低(含量少时降低量大，变化接近0后不变)，失水量保持基本不变；

3)在一定配合比下，随着纯碱含量的增大，漏斗黏度发生驼峰式先增后减，析水率降低(含量少时降低量大，变化接近0后不变)，失水量保持基本不变；

4)在一定配合比下，随着PHP含量的增加，漏斗黏度保持不变，析水率出现驼峰式先升后降，失水量缓慢增大。

5.2存在的不足

1)由于本试验采用了几种固定膨润土进行试验，试验的数据受到限制，因此可能对部分性能还无法测试出来，趋势有可能不够准确。

2)由于本试验受到试验时间等限制，试验数据分析的不够精细，可能出现部分趋势在本次试验中未表现出来。

3)试验原材料的选择，尤其是膨润土的选择对泥浆性能影响非常大，因此选择的膨润土不同，泥浆的性能趋势可能会发生变化。

5.3建议

1)针对不同地层对触变泥浆性能的要求有较大差异，要根据地层参数选择与之相适应的性能指标。

2)在施工现场应用时，应根据膨润土的性能、地层参数等进行大量试验，找到最适合本工程的触变泥浆配合比。

3)在施工过程中，根据不同的位置和时间，利用本文泥浆性能随原材料变化的规律，适当地调整泥浆性能，以取得更好的效果，但是要特别注意驼峰变化点。

参考文献(References)：

[1]阎向林.郑州黄河顶管工程注浆减阻技术的应用[J].隧道建设，2012,32(3):372-376.(YAN Xianglin.Case study of resistance reduction in Yellow River crossing pipe jacking works on West-East Natural Gas Transfer Project[J].Tunnel Construction,2012,32(3):372-376.(in Chinese))

[2]严国仙.超长距离大口径钢顶管泥浆减阻系统设计[J].建筑施工，2012,34(1):20-21.(YAN Guoxian.Design of mud friction reduction system for jacking of large diameter steel pipe with super long-distance[J].Building Construction,2012,34(1):20-21.(in Chinese))

[3]贾连辉.超大断面矩形盾构顶管设计关键技术[J].隧道建设，2014,34(11):1098-1106.(JIA Lianhui.Key technologies for design of super-large rectangular pipe jacking machine[J].Tunnel Construction,2014,34(11):1098-1106.(in Chinese))

[4]冯鼎华.简述顶管工程中的触变泥浆的使用[J].中国房地产业,2012(1):244.(FENG Dinghua.Brief introduction of application of thixotropic slurry to pipe jacking projects [J].China Real Estate,2012(1):244.(in Chinese))

[5]王志军.触变泥浆减阻方案在顶管中的应用[J].城市建设理论研究(电子版),2015,5(1):2408-2409.(WANG Zhijun.Application of thixotropic slurry resistance reduction technology to pipe jacking[J].Urban Construction Theory Research (Electronic Edition),2015,5(1):2408-2409.(in Chinese))

[6]邱跃然，李晓明.顶管过程中触变泥浆减阻的原理及应用[J].市政技术，2012(增刊1):82-84.(QIU Yueran,LI Xiaoming.The principle and application of thixotropic slurry drag reduction in pipe jacking[J].Municipal Engineering

Technology,2012(S1):82-84.(in Chinese))

[7]罗云峰.在砂性土中进行长距离顶管的触变泥浆试验研究[J].建筑施工,2011,33(4):295-297.(LUO Yunfeng.Experimental study of thixotropic slurry used for long-distance pipe-jacking in sandy soil[J].Building Construction,2011,33(4):295-297.(in Chinese))

[8]姜林林，王瑞和，步玉环，等.水泥浆触变性评价新方法的试验研究[J].石油钻探技术,2009,37(5):62-65.(JIANG Linlin,WANG Ruihe,BU Yuhuan,et al.A new evaluation method of cement thixotropic property[J].Petroleum Drilling Techniques,2009,37(5):62-65.(in Chinese))

[9]姜林林，王瑞和，步玉环.新型触变性水泥浆触变剂的研制[J].钻采工艺,2009,32(6):103-106.(JIANG Linlin,WANG Ruihe,BU Yuhuan.Study of thixotropic agent of new thixotropic cement slurry[J].Drilling &Production Technology,2009,32(6):103-106.(in Chinese))

[10]尤军，步玉环，姜林林.新型油气并固井水泥浆触变剂的优选实验研究[J].钻采工艺,2011,34(1):75-77.(YOU Jun,BU Yuhuan,JIANG Linlin.Optimization study on new thixotropic agents of cement slurry[J].Drilling &Production Technology,2011,34(1):75-77.(in Chinese))

[11]王光辉，蔡军峰.泥水平衡盾构泥浆漏斗黏度分析[J].隧道建设，2008，28(6):646-649.(WANG Guanghui,CAI Junfeng.Analysis of funnel viscosity of slurry used in slurry balanced shield machines[J].Tunnel Construction,2008,28(6):646-649.(in Chinese))

[12]刘红雷,党昌.触变泥浆减阻技术在软土地基框构桥顶进施工中的应用[J].城市建设理论研究(电子版),2014(19):251-252.(LIU Honglei,DANG Chang.Application of thixotropic slurry resistance reduction technology to soft foundation frame bridge jacking project [J].Urban Construction Theory Research (Electronic Edition),2014(19):251-252.(in Chinese))

[13]侯洪才,侯爱臣.莲花池西路下穿丰沙铁路立交工程触变泥浆减阻效果浅释[J].大科技·科技天地,2011(5):375-376.(HOU Hongcai,HOU Aichen.Study of resistance reduction effect of thixotropic slurry used in Lianhuachi West Road crossing underneath railway overpass [J].Super Science,2011(5):375-376.(in Chinese))

Influence of Raw Materials Content on Performance of Thixotropic Slurry Used in Pipe Jacking

YUAN Weiling，RONG Liang，YANG Hongjun

(China Railway Tunnel Stock Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,Henan,China)

Abstract:The thixotropic slurry plays an important role in pipe jacking.The influence of raw materials content on performance of thixotropic slurry is studied,so as to learn the influencing rules of raw materials,control ground settlement and minimize the resistance.The mixing proportions of thixotropic slurry used in pipe jacking of shield tunnel crossing underneath Zhongzhou Road in Zhengzhou are decided.The practice shows that good effects have been achieved.

Keywords:pipe jacking;thixotropic slurry;funnel viscosity;water separating rate;API filtration

收稿日期：2015-07-08;修回日期:2016-01-17

第一作者简介：袁为岭(1975—)，男，江苏建湖人，1998年毕业于华南理工大学，化工环保专业，硕士，高级工程师，现从事市政工程质量监督工作。 E-mail：13838549902@163.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.005

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)06-0683-05