渣土改良与膨润土泥浆在粉质地层顶管施工中的应用

郭淑莹

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350)

顶管法施工凭借其不中断道路交通、结构断面灵活且施工成本相比盾构法低的优点，已广泛应用于市政给排水、电力、过街通道工程，以及地下综合管廊工程。然而顶管穿越粉质土、砂土、圆砾、卵石等地层很容易形成小范围坍塌，出土困难，土压舱土压力波动敏感，造成土压舱与工作面之间的土压力难以保持动态平衡，容易造成泥饼、喷涌或闭塞，甚至导致开挖面失稳坍塌[1]。因此，非常有必要通过渣土改良来提高开挖渣土的流动性和塑性，提高隧洞开挖掌子面稳定性，更好地控制地层。王传良[2]等通过试验研制砂土改良剂，利用改良后渣土的坍落度、直剪与压缩试验，评价了掌子面渣土的改良效果。陈伟[3]以管廊施工为依托，总结了土压平衡矩形顶管施工的土体改良泥浆制备和注浆技术。许有俊[4]等针对内蒙古科技大学地下通道砂性土地层，优化了顶管施工土体改良方案，有效地控制地表变形。

本文针对粉质地层输水管线顶管施工，通过改良试验配置矿物类改良剂，提高了开挖面的稳定性，并在顶进施工中注入一定量的触变(润滑)泥浆，将干摩擦转化为液体摩擦[5]，发挥了润滑剂的作用，加快了顶进速度。

1 工程概况

1.1 设计情况

天津市滨海新区供水二期工程输水管线穿越北塘水库顶管施工，采用外径为DN2250的双排管进行铺设，A管施工里程为A34+975.99-A35+645.99，B管施工里程为B34+976.86-B35+646.86，长度均为670 m。

1.2 工程地质

图1 地质及顶管剖面

1.3 施工方法

土压平衡顶管法工作坑位置降水，地面沉降容易控制，对地面结构稳定性影响小，顶管速度快(平均顶进速度为10 m/d)，适用于大部分地质。

2 渣土改良技术

2.1 改良浆液配制

配置步骤：①在施工场地取与顶进区间地质条件相同的土体。②分别做膨润土与水的配比、膨润土浆液与土体的配比[6]。③根据配比配制土体改良液，注入顶管机头内试出土。④根据实际出土效果调整泥材料掺入量得出最佳配比。⑤配置改良液时，应根据实际地质情况适当加入浓泥。

2.2 确定改良浆液配合比

目前使用的改性材料主要包括高吸水性树脂材料、矿物类材料，纤维类、多糖类、负离子类材料和表面活性材料、硅溶胶等四类，几种材料特性见表1。本工程拟采用矿物类改良剂，其主要材料为膨润土，通过试验确定初始配合比膨润土∶粘土∶水=98∶392∶812(kg)，以指导施工。加入改良剂后配成的浆液应具有较大稠度，要求C型粘度计值在8 000～10 000，比重在1.30～1.50，泥浆的注入量在15%～30%。

表1 改良材料特性

最佳配合比必须根据螺旋输送机排土状况确定。泥土仓内的泥土经过搅拌后具有良好的可塑性、流动性和止水性，可使土仓内的压力处于平衡状态。

3 管环外减阻技术

在顶进时，将一定量的减阻泥浆通过管节预埋注浆孔注入管道外壁，在管道外围形成泥浆环套，可以减少土层与管节外壁之间的摩擦力，从而减小顶进顶力[7]。为便于顶进时跟踪注浆，在工具管尾部沿环向均匀布置4个注浆孔，其后每2～3节中管节上预埋注浆孔(见图2)。除工具管和随后的3节管节外，在注浆主管上每6 m安装一个三通，采用注浆软管使其与注浆孔连接。

图2 管节预留的注浆孔

为形成完整有效的泥浆环套，顶进时工具管尾部的注浆孔应及时跟踪压浆。根据施工时的具体情况，确定管节上的注浆孔补压浆的次数及注浆量。

膨润土泥浆的组成主要有膨润土、粉末化学浆糊(CMC)、纯碱和水，所有材料按比例组成，是顶管施工最常用的一种注浆材料[8]。膨润土泥浆的触变性有助于在管道穿越地层时形成减阻剂，在静止状态下通过粘液减阻作用形成凝胶支撑层。

3.1 管节外涂蜡

顶管节吊装下井前，预制管节外壁四周应涂蜡烘烤，方便顶管节的顶管施工[9]。

3.2 确定触变泥浆配比

触变泥浆按拟定配合比进行现场试验并根据实际使用情况调整，不同地层配合比不同。施工时，应严格按照操作规程搅拌触变性泥浆，做到浆液不沉淀、不失水、不固结，搅拌后的泥浆具有一定的粘度和良好的流动性[10]。触变泥浆配合比为：膨润土∶水∶CMC=400∶850∶2.5(kg)，其相关指标如表2所示。

表2 触变泥浆指标

地面注浆系统包括拌浆筒、储浆池、注浆泵、液位计、主管、支管、球阀、止逆阀、压力表及管道等组成，发酵后的触变泥浆使用注浆泵注入管节壁后。

3.3 注入触变泥浆

3.4 注浆施工

顶管注浆系统由机头同步注浆和管道补浆组成[11]。机头同步注浆采用地面液压注浆泵通过∅50 mm管路压送到机头储箱内，再由螺杆泵定量注入机头壳体。在机头处安装隔膜压力表，以检验注浆液是否到达指定位置[12]，并在注浆孔内设置单向阀和球阀。每间隔2个管节设1处补浆断面(4个注浆孔)，由总管压送补浆至各补浆断面上的注浆孔。补浆应按顺序依次定量注入，每班不少于2个循环。

合理的注浆压力表现为浆液顺利注入管段外壁，且不严重扰动地层。如果注浆压力过高，将对管接头周围的土壤形成劈裂效应，造成泥浆流失、冒浆，从而导致地面隆起。若注浆压力过低，泥浆无法填补管节与周围土壤之间的空隙，难以形成泥浆环套，难以实现预期的注浆效果。因此，实际施工中的注浆压力应略大于注浆现场的静土压力和地下水压力之和。

4 结论与建议

针对粉质地层顶管隧洞施工，通过配置改良液改良土体，渣土流动塑性强，和易性好，易被螺杆机排出，同时提高隧道开挖掌子面稳定性，更好地控制地层。通过控制触变泥浆配合比、注入量和注浆压力，有效降低顶进阻力，加快了施工进度。

(1)土压平衡顶进过程中，要根据螺旋输送机排土状况，不断优化改良液配合比，更好的控制地层。

(2)结合土质、顶进条件及地面沉降合理控制膨润土泥浆注浆量，做好同步注浆和管道补浆。