砂卵石地层矩形盾构顶掘减摩关键技术研究

王 翔，何跃军，王人生，汪 洋，寇 朦

（成都建工路桥建设有限公司，四川 成都 610091）

0 引言

顶管作为一种非开挖地下管道施工技术，与传统的明挖法相比，顶管技术具有施工速度快、环境影响小、经济安全等优点。为此，越来越多的顶管技术已广泛应用于我国城市地下工程建设。而在长距离顶管中，为了减小顶进过程中管节外壁与周围土体之间的摩阻力，需要采取有效的减摩措施，常常要进行注浆减摩。因此，对顶管施工中泥浆的配制及注浆技术进行研究非常重要。李万才[1]针对大口径长距离顶管工程注浆技术，从注浆减摩原理、注浆材料和注浆工艺方面进行了较系统阐述；张龙[2]对长距离大口径钢管顶管过程中管土相互作用机理进行了分析，并探讨了注浆减阻技术，结合实际工程对注浆工艺进行了改进；罗云峰[3、4]对长距离大直径混凝土顶管和减阻泥浆分别进行了介绍，并结合实际工程案例，开展了触变泥浆配比试验研究；王明胜等[5]通过室内泥浆试验分别研究了不同注浆材料含量的改变对触变性能的影响规律，并确定了触变泥浆的配合比，结合现场施工工艺流程，详细研究了减阻技术；王福芝等[6]结合港珠澳大桥拱北隧道曲线顶管实际工程，展开了泥浆中各组分对泥浆性能影响的试验研究，最终确定了最优泥浆方案；魏纲等[7]研究了注浆过程中浆液与管道及周围土体之间的相互作用机理，探讨了浆液在土体中的渗流及注浆对土层移动的影响；李辉等[8]结合工程实例，介绍了注浆减摩的原理和工艺流程；王双等[9]根据不同施工流程对不同类型泥浆套进行了分类和成因分析，并考虑了不同泥浆套的顶管管壁摩阻力计算公式；简崇林等[10]探讨了膨润土泥浆减阻技术，论述了膨润土注浆减摩作用机理做了较为系统阐述。

本文以成都市四川大学地下停车场下穿人民南路为工程背景，对施工过程中使用的减摩触变泥浆的成分和性能、管节外壁涂抹全精炼石蜡对顶掘的影响，以及在进行减摩注浆后，浆液与管节及周围土体之间的相互作用、注浆对土体移动的影响进行了研究，分析了适用于砂卵石地层矩形盾构顶掘减摩触变泥浆的制作和注浆控制技术，探讨了在砂卵石地层中注入减摩触变泥浆需要注意的问题。

1 工程背景

图1 矩形盾构顶掘人行通道平面图

该工程采用矩形盾构顶掘机进行施工（见图2），断面尺寸为6.02 m×4.52 m，采用10个刀盘切削土体，2台螺旋输送机出渣。顶推油缸布置如图3所示，顶推系统参数见表1所列。

图2 矩形盾构顶掘机之实景

图3 顶推油缸布置图

表1 顶推系统参数表

2 减摩触变泥浆的成分和性能

目前常用的减摩注浆材料主要有泡沫、膨润土泥浆、聚合物等。在顶管过程中使用最广泛的是膨润土泥浆。膨润土泥浆通常是由膨润土、CMC（白色粉末状化学浆糊）、纯碱和水按照一定的比例配制而成。通常膨润土体积占整个减摩触变泥浆体积的20%左右，膨润土的主要成分是以钙、钾、钠蒙脱石为主要成分的黏土矿物，具有触变性和膨胀性。

2.1 减摩触变泥浆的膨胀性

膨润土微观单体颗粒是由非常薄的扁平状晶片层堆叠而成，颗粒之间以钠离子或者钙离子连接而成，晶片层上下表面均带有负电荷相互排斥，晶片层之间的结合能量较低使得水分子极易渗入晶片层表面，使得相邻两个晶片层之间的间距扩大2倍以上，造成晶体内部膨胀。由于钙离子提供的结合能比钠离子强，造成钠蒙脱石比钙蒙脱石更易膨胀，因此钠基膨润土比钙基膨润土更加适用于矩形盾构顶掘施工用减摩触变泥浆的配制。

2.2 减摩触变泥浆的触变性

膨润土加水充分搅拌之后成为悬浮液，当悬浮液静止时，薄片状的蒙脱石微粒会絮凝变成凝胶体。当悬浮液这种静止状态被破坏，例如被搅拌、泵送振动时，微粒结构被分散、破坏转变成为具有流动性和粘性的胶状液体。当这种胶状液体再次处于静止状态时又变成凝胶体，这种在胶状液体和凝胶体之间交替发生的特性称为触变性。减摩触变泥浆的触变性，有助于减小顶进过程中管节与周围土体之间的摩阻力，静止时减摩触变泥浆又以凝胶体的形式支撑地层。

3 减摩注浆的作用机理

在矩形盾构顶掘施工过程中,减摩触变泥浆的作用机理主要包括两个方面。首先是起到润滑作用，将管节外壁与土体之间的干摩擦变为湿摩擦，有效地减少顶进过程中的摩阻力；其次是起填充地层空隙的作用，浆液可以填补顶进过程中管节与周围土体之间产生的空隙，减小地层变形。

3.1 减摩触变泥浆与管节及周围土体之间的相互作用

在通常情况下，为了减小顶掘过程中的摩阻力，管节的外轮廓设计尺寸要比矩形盾构顶掘机的外轮廓尺寸小2～5 cm，使得管节与周围土体之间产生空隙，在顶进曲线轨迹中存在许多这种空隙。

2018年1月，对天津商务职业学院会计（中外合作）专业18名学生发放了同样的调查问卷。此专业的学生对于本研究来讲，具有一定的特殊性。会计（中外合作）专业是天津商务职业学院会计学院与美国一所大学合作办学的专业，学生较于其他非外语专业的学生对外语的学习要求更高。而且该专业的18名学生在参加问卷调查前，已经学习了一学期的《跨文化交际》课程，对跨文化知识有一定的了解。

进行减摩注浆时，通过注浆孔进入地层的泥浆会首先填充管节与周围土体之间的空隙，抑制地层损失。在一定的注浆压力作用下，浆液将向周围地层中渗透、扩散。首先是浆液中的水分渗透进土体颗粒之间的空隙，然后是泥浆渗透进土体之间的空隙。当泥浆渗入到一定深度之后便静止下来，经过很短的时间泥浆就会变成凝胶体，形成泥浆与土壤的混合体。随着后续注入的浆液渗透越来越多，泥浆与混合土体之间会形成致密的渗透块。在注浆压力的挤压作用下，许多渗透块之间通过粘结、巩固作用形成一个相对密实、不透水的套状物，称之为泥浆套，它能够阻止泥浆继续渗入周围土层（见图4）。

图4 泥浆套作用示意图

矩形盾构顶掘机在掘进过程中，刀盘转动会对管节周围土体产生扰动，使得部分土体的结构被破坏而变成松散土体。在减摩注浆压力的作用下，泥浆套能够把超过地下水压力的液体压力传递到土体颗粒之间，形成一种能够压实土体的有效应力。同时，减摩触变泥浆的液压能够支撑隧洞，避免管节周围土体坍塌。

3.2 触变泥浆的减摩效果

若注入的减摩触变泥浆能够在管节外周形成一个较完整的泥浆套，那么后续注入的泥浆就不会向外渗透，停留在管节和泥浆套的空隙之间。在自身重力的作用下，减摩触变泥浆首先会流向管节底部，随后向上涨起，当整个管节周围都被减摩触变泥浆包裹住时，受到浮力作用，管节的有效重量变小，在这种情形下顶进管节，其减摩效果将是比较理想的。

在实际施工当中，泥浆流失、地下水影响、注浆工艺等因素可能会对减摩效果产生一定程度上的影响，但是注入减摩触变泥浆之后会大幅度降低摩阻力是毋庸置疑的，一般在充分注浆之后掘进，顶推力可以降低300～500 t。

3.3 注浆对土体移动的影响

由于盾构顶掘机与管节外部尺寸不同而存在空隙，纠偏操作同样会使管节与土体之间产生空隙，周围土体要填充这些空隙而产生地面沉降。另外，在掘进过程中，管节随着盾构顶掘机一起向前移动时会对周围土体产生剪切摩擦力，产生背土效应，使得土体沿掘进方向移动；当掘进停止或者更换管节时，土体弹性回缩向掘进的反方向移动。

合理注入减摩触变泥浆会减缓土层运动，从注浆孔注入的泥浆首先填充管节与土体之间的空隙，形成泥浆套支撑起隧洞从而减小地面沉降。减摩泥浆的存在将土体与管节隔离开，减小管节与土体之间的剪切摩擦力从而减缓土体水平运动。

4 减摩触变泥浆的制作和注浆控制

4.1 减摩触变泥浆的制作

应用于成都市下穿人民南路矩形盾构顶掘人行通道的减摩触变泥浆主要由膨润土、CMC、纯碱、水按照一定的比例配制而成（见图5）。

图5 触变泥浆现场膨化之实景

由于砂卵石地层具有密实度高、自稳性差、大粒径漂石含量大、渗透性强，以及卵石强度高、内摩擦角大等特点，因此要求注入减摩触变泥浆具有良好的流动性，迅速填充空隙之后能够在较短的时间内形成完整的泥浆套，充分发挥其减摩效果。为此，减摩触变泥浆需要静置膨化12 h之后方可使用，其配合比及主要性能指标见表2所列。

表2 减摩触变泥浆配合比及主要性能指标一览表

4.2 减摩注浆孔设置和注浆设备

管节周圈均匀布置有13个DN25减摩注浆孔，详见图6所示。注浆总管路通常选用DN50钢管，其他支管选用DN25胶管，总管和支管之间设置一个球阀，控制浆液注入。

注浆设备选用2台不同型号的螺杆泵。螺杆泵具有压力平稳、无脉动等特点。1#螺杆泵注浆部位是盾体及前3环管节，2#螺杆泵注浆部位是中继间和后续33环管节，工艺参数详见表3所列。

4.3 减摩注浆控制

减摩注浆一般分为同步注浆和二次补浆，同步注浆是为了形成良好的泥浆套。但是，泥浆套在地层中会因失水或者固结而被破坏。二次补浆的目的就是确保泥浆套的完整性。

图6 减摩注浆孔布置图

表3 注浆设备工艺参数表

4.3.1 注浆位置和顺序

减摩触变泥浆通过管节内壁上布置的DN25减摩泥浆孔注入地层。注浆范围包括盾构顶掘机自身及其后方的中继间和所有管节，盾构顶掘机沿盾体周圈全部进行注浆，后方管节内壁的所有注浆孔同样进行注浆；注浆顺序是从盾构顶掘机自身开始依次往后，直到所有管节全部注完。

4.3.2 注浆频率和注浆量的控制

泥浆套在土层中能否保持良好的完整性，关键取决于注浆频率和注浆量的控制。注浆量一般与不同地层的地质参数、地层含水率和减摩泥浆本身的性能等因素有关。

根据成都市下穿人民南路人行通道工程施工来看，在新的管节拼装完成之后掘进开始之前，需要整体进行1次注浆，在掘进过程中再进行2至3次注浆。每环管节每次注浆时间20 s左右，理论注浆量为0.06 m3。

4.3.3 注浆压力的控制

合理的注浆压力能够保证减摩触变泥浆顺利通过减摩注浆孔进入土层，又不会对地层产生严重扰动。注浆压力过小会导致注浆量不足，无法形成泥浆套；注浆压力过大容易造成地面冒浆，同样无法形成完整的泥浆套。注浆压力要保持稳定，不稳定的注浆压力会破坏土体结构，引起后期固结沉降。合理的注浆压力值一般为地层压力的1.3至1.4倍。

此外，管节表面涂蜡能够在注浆减摩的基础上，进一步减小土层与管节之间的相互作用。管节表面涂抹全精炼石蜡之后，需要用火烘烤一遍使石蜡完全渗入混凝土表面（见图7）。

图7 管节表面涂蜡之实景

5 工程实施效果

根据图8顶推力曲线图可知，整个顶掘过程中的顶推力范围为400 t至1 600 t。工程前期通过地质结构分析计算得出，矩形盾构顶掘机穿越该工程区域的砂卵石地层，顶推系统需要提供的最大推力至少为2 800 t，实际主推油缸设计最大推力值为3 800 t。实际最大顶推力小于理论计算值，并且没有达到主推油缸最大顶推力设计值的一半，可见整个顶掘过程中注浆减摩和管节涂蜡减摩措施充分发挥了作用。

图8 顶推力曲线图

通过对矩形盾构顶掘施工全过程监控测量，结果表明整个通道轴线、高程偏差控制精度高，符合设计及规范要求，同时地面沉降与隆起变形符合设计及规范要求。

6 结论与讨论

（1）砂卵石地层矩形盾构顶掘工程通过合理设置减摩注浆孔，采用顶掘过程中注入减摩触变泥浆，管节表面涂抹石蜡等减阻技术，可有效地减小掘进过程中的顶推力。

（2）被浆液充分包裹的横纵断面每个管节外表面，以及连接处，在顶掘过程中，得到良好的减摩效果。

（3）在矩形盾构顶掘施工过程中，减摩触变泥浆进入土体形成完整的泥浆套是减小顶推力的关键。能否形成完整良好的泥浆套，取决于注浆压力和注浆量的控制。

（4）触变泥浆形成的泥浆套厚度取决于浆液的渗流距离。渗流距离跟地层密实度、泥浆浓度、注浆压力和流动阻力有关。针对砂卵石地层如何控制注浆压力和泥浆浓度才能形成理想的泥浆套厚度，需要进一步研究讨论。

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