高浓度膨润土泥浆在大口径越江顶管工程中的应用

吕品

（上海公路桥梁（集团）有限公司，上海市200433）

高浓度膨润土泥浆在大口径越江顶管工程中的应用

吕品

（上海公路桥梁（集团）有限公司，上海市200433）

传统的膨润土泥浆在大口径、长距离、粉砂地质条件顶管工程中具有一定的局限性，具体表现为：大口径顶管顶部泥浆缺失，复顶后顶力激增以及下坡顶进时泥浆积聚在机头底部。介绍在传统的膨润土泥浆基础上，增设一种高浓度膨润土泥浆来解决上述问题，经实际工程应用取得了良好的效果。详细介绍了高浓度膨润土泥浆的配比以及特性。随后，阐述了其在工程中的应用价值，最后讨论了该泥浆自身缺陷。

高浓度膨润土泥浆；顶管工程；泥浆配比；应用

0 引言

对于长距离的越江顶管工程，经常在管道外壁注射膨润土泥浆，从而减小管道外壁承受的摩擦阻力。然而，随着顶管工程的发展，顶管管道直径逐渐增大，越江管道的地质条件也更加复杂，因此传统的注浆减摩技术往往会引发一些新的工程问题。针对传统泥浆减摩技术的不足，本文介绍了一种高浓度膨润土的新型泥浆，并将其应用在了实际工程中，成功克服了原有技术的不足，取得了良好的使用效果。

本文依托白龙港南线输送缸线SS T1.2标过江管工程，针对过江顶管工程中传统膨润土浆液的一些缺陷进行论述，详细介绍了高浓度膨润土泥浆及性能，并阐述其在过江顶管实际工程中诸多方面的应用效果。

1 高浓度膨润土泥浆及性能

目前，顶管工程中最广泛应用的注浆减摩材料是膨润土泥浆。传统的膨润土泥浆通常是由膨润土、纯碱、水以及聚合高分子添加剂按一定比例组成[1]，而通常膨润土的含量在5%左右。传统的膨润土泥浆加水搅拌后会形成悬浊液，当悬浊液静止时，会变成胶凝体。当浆液被搅拌、振动或泵送时，会转变成具有较强流动性的胶状液体[2]。

由于传统的膨润土泥浆流动性好，因此可以利用较长的管道系统输送，但也正由于其高流动性，将其注入管壁外地层后，消散速度快。因此，顶管工程中要注意后续补浆，同时推进不易暂停过长，一旦停滞时间过长，管壁外形成的泥浆套易消散，导致重新启动时顶力过大。

喻军和李元海[3]通过实验发现，膨润土含量的提高可以有效降低浆液流动时的摩擦系数；王福芝等[4]通过调整润滑泥浆中膨润土的含量来研究其性能。实验发现：在一定范围内，膨润土含量越高，泥浆的流动性越差，但失水性越小。泥浆失水正是其失去润滑减摩效用的主要原因之一。受此启发，作者通过提高膨润土在泥浆中的比例，配制出一种高浓度膨润土泥浆（俗称“厚浆”），并成功运用到实际工程之中。

高浓度膨润土泥浆的具体配比见表1。

表1 高浓度膨润土泥浆配比

该泥浆通过砂浆搅拌机充分拌和，坍落度控制在100～130 mm，拌和后的具体形态如图1所示。

为了改善泥浆性能，泥浆中还掺入少量聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺是一种高分子聚合物，能够减少液体之间的摩擦阻力，同时由于聚合物的高分子长链结构能够和膨润土颗粒结合，形成一张网状结构充填在膨润土颗粒之间，使得浆液更具有絮凝性。当浆液于先前开挖土体留在泥浆中的土颗粒结合起来时，能够更好地堵塞大颗粒之间的空隙，使得膨润土浆液具有良好的填补和支撑机头超挖区域的作用[1]。

图1 高浓度膨润土泥浆

2 高浓度膨润土在大直径管道中的应用

注浆减摩工艺由日本传入中国。传统的注浆孔布置如图2所示，平均分散在管道内壁的4个方向。对于早期的顶管管道而言，由于管道直径比较小，所以这种注浆方式能够有效地在管道外壁形成良好的泥浆套，达到减摩的效果。但现代工程中管道直径不断扩大，如上海白龙港片区污水治理南线工程已经达到D N4000[5]。对于大直径的管道而言，通过这种注浆方式，泥浆很难达到管道顶部，即图2中的A区域。同时，由于重力作用，在管道顶部和中上部的泥浆很难停留，会顺着管道外壁往下流，最终大部分的浆液会聚积在管道底部B区域。这样由于管道上部A区缺少泥浆，导致管道外壁于土层直接挤压接触，极易引发机头上方“背土”现象发生，直接导致上方土层损失严重，引发地表沉降。同时，由于管道上方无法有效形成良好的泥浆套，导致顶力过大。

图2 大直径管道中传统膨润土泥浆的聚积效应

针对传统泥浆在大直径管道中的缺陷，利用高浓度膨润土泥浆可以有效解决。具体方法是在管道顶部增设高浓度膨润土注浆孔。由于高浓度浆液流动性差，所以可以有效滞留在管道顶部，同时该浆液可以和传统泥浆相结合，配合管道下方注射的传统泥浆，能够在大直径管道外壁周围形成良好的泥浆套，防止管道顶部“背土”、底部“积浆”的现象发生。

3 高浓度泥浆在复顶过程中的应用

顶管工程在顶进过程中很难做到连续顶进，中途可能因各种突发情况而暂停，如管道内部渗水、洞口渗漏、管道测量、机头故障等。管道暂停之后，重新启动复顶时，往往会发现主顶油缸的顶力过大，而主顶力过大，往往会导致液压缸温度过高而出现故障，甚至高于设计顶力而超过管道设计强度。造成该问题的主要原因是由于传统泥浆失水性大，在暂停顶进后，失去运动作用，泥浆消散到周围地层中。

作者发现，高浓度膨润土泥浆失水性低，管道暂停顶进后，仍能够保持管道外围泥浆套的润滑性。复顶后，主顶力提升幅度小，能够有效缓解复顶后顶力激增的现象。

结合白龙港南线输送干线SS T1.2标过江管W1-W2段实际工程，将工程前期未采用和工程后期采用高浓度泥浆的两种工况的1号中继间复顶后顶力变化进行对比，如图3所示。

图3 复顶后顶力变化

图3（a）中，管道于5月23日暂停顶进一天，随后恢复顶进，但未采用高浓度泥浆，顶力从487 t升至779 t，复顶后顶力提升60.40%；图3（b）中管道于9月15日暂停顶进一天，隔天恢复顶进后，顶力从502 t提升至633 t，顶力仅提升26.09%。

4 高浓度膨润土浆液在下坡顶进时的应用

对于越江管道工程，由于要穿越江河横断面，因此顶管在出洞和进洞时往往会有较大的坡度。在大坡度下坡顶进时，由于重力作用传统膨润土浆液会顺坡度流向前方机头，造成机头下方积聚大量浆液（见图4），从而使机头上浮，使机头顶端与地层挤压过大，从而引发“背土”现象。采用高浓度膨润土浆液，可以有效缓解该现象。由于其流动性低，不会大量积聚在机头下方，同时还具有一定的隔断效用，可以组织密度低的浆液继续流向前方机头处。

图4 下坡顶进泥浆积聚在机头下方

5 高密度膨润土浆液缺陷

高密度膨润土在大口径越江管道中能够发挥特殊功效，但相比于传统浆液而言，也有其自身的缺陷。由于其掺入膨润土的比例显著增大，因此对膨润土材料的消耗也随之增大，因此在工程预算上需注意。高密度膨润土并非完全取代传统膨润土的作用，往往是在特定情况下，二者联合使用，相互弥补自身的不足，从而发挥更好的效用。由于高密度膨润土的流动性差，因此无法像传统膨润土泥浆一样采用长距离的管道系统进行输送。在工程实践中发现，高浓度膨润土浆液在一般泥浆管道中的运输距离不会超过20 m，因此在泥浆运输和注射时很不方便。在白龙港南线输送缸线SS T1.2标过江管实际工程中，在管道内部配置高浓度浆液，现场搅拌，并利用高压土砂泵，连接高压油管直接打入注浆孔，高压油管长度不宜超过2 m，不然压力损失过大，影响高浓度泥浆的注射效果。

6 结论

高浓度膨润土浆液在大直径越江管道中可以发挥独特的作用。由于其流动性低、失水性小的特点，可以弥补传统浆液的不足。通过与传统浆液的联合使用，在大口径管道中完整泥浆套的形成、减缓复顶顶力、降低下坡顶进机头泥浆积聚现象中，能够发挥良好的效用，有效解决了顶管工程中的诸多难题。同时，其自身造价高、运输条件差的缺陷也值得关注。

[1]魏纲,徐日庆,邵剑明,等.顶管施工中注浆减摩作用机理的研究[J].岩土力学,2004(6):930-934.

[2]余彬泉,陈传灿.顶管施工技术(第一版)[M].北京:人民交通出版社,1998.

[3]喻军,李元海.顶管泥浆套的物理性质对顶推力的影响[J].土木工程学报,2015(S2):327-331.

[4]王福芝,曾聪,孔耀祖.大直径长距离顶管润滑泥浆方案研究[J].地质科技情报,2016(2):49-52.

[5]朱炜.上海市白龙港片区污水治理南线工程简介[J].科技信息, 2013(17):449-450.

T U990.3

B

1009-7716（2017）06-0205-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.061

2017-04-05

吕品（1982-），男，辽宁大连人，工程师，从事给排水管道施工管理工作。