顶管泥浆触变特性及泥浆套成型机理研究

缪高远 霍振峰 池凌杰

1.杭州市千岛湖原水股份有限公司 浙江 杭州 310009

2.腾达建设集团股份有限公司 上海 200122

随着大口径、长距离顶管工程的出现，侧摩阻力成为了限制技术发展的因素。工程中解决这一问题主要有两种方法，一是设立中继站，二是注浆减摩。而设立中继站成本较高，加大了施工难度延长了施工周期，相比之下注浆减摩技术则更为便捷和经济。对于超长距离顶管工程，也常将两种方法结合使用，在管节与土体之间的超挖区域注入浆体后，会逐渐向周围土体扩散，并与土体混合后形成胶体，产生致密的泥浆套。但泥浆的扩散范围与泥浆性质、土层条件、注浆压力有关，并影响着泥浆套的质量及减阻效果。理想情况下，注浆减摩技术可使侧摩阻力降低至3～5kPa[1]，但受泥浆流失及注浆工艺等因素的影响，减摩效果往往难以达到预期效果。

为解决这一问题，众多学者从浆液与土体的作用机理上进行分类，并将其分为四种注浆形式：充填注浆、渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆[2-3]。并发现充填注浆主要应用于岩体裂缝的充填加固。渗透注浆注浆压力较小，主要用于土体加固及防渗。

现有理论研究多集中于后三种，压密注浆及劈裂注浆压力较大，主要用于土体的挤密加固[4-5]。同时有学者也发现泥浆的扩散范围与泥浆性质、土层条件、注浆压力有关，并影响着泥浆套的质量及减阻效果[6-7]。

本文基于泥浆基础性质分析，渗透实验和泥浆减阻实验，通过改变膨润土和增稠剂含量，探究不同膨润土与外加剂含量对泥浆性质的影响，寻找合适的触变泥浆配比，以便根据工程情况合理选用。

1 泥浆触变特性实验

1.1 实验材料与分组

试验中所采用的膨润土为400目钠基膨润土、LR级的羧甲基纤维素钠、AR级碳酸钠。

本实验设置实验组八组，前四组为120g纳基膨润土，CMC含量为0g，6g，10g，14g，同理设置后四组，其纳基膨润土设置为160g。

1.2 触变泥浆性能指标

减摩效果需要泥浆具有良好的性质和适应地质环境的物理指标，采用的实验方法如下：

（1）减阻泥浆滤失量采用ZNS-2型常温中压滤失仪进行实验。将泥浆放入样品杯，用刮刀均匀涂抹。将杯体固定在加压阀口，并置于出水口下，开启稳压阀并开始计时。需要密切观察压力表，如压力低于工作压力则需立即补压，等待30分钟后，记录滤失量。

（2）漏斗粘度通过马氏漏斗粘度计测量，将水化的泥浆倒入漏斗中，保证泥浆与漏斗筛底接触。如果泥浆过粘，可以使用刮刀将其均匀涂抹。一边计时一边观察泥浆滴漏，直至滴漏达到量杯946ml刻度线，需避免震动漏斗以免影响测量结果。

（3）渗透性能：在注浆桶中填入土体，在储浆罐中装入浆液，用法兰密封连接。压力气泵向管中注入压力，并在压力下透入土体。每一阶段加压后约2分钟泥浆基本稳定。为了保证每组试验的渗透时间一致，并使其充分渗透，每阶段加压都应保持5分钟后再进行下一阶段的加压。

（4）磨擦起停实验的实验设备由混凝土滑块、亚克力箱子、定滑轮、电子测力计、电动马达等五部分组成。实验箱的尺寸为1×1.5m，高180mm，上方开口。在一侧的侧板上方中央开设一个高50mm，宽20mm的槽口和定滑轮。填土入箱，在土体表层均匀铺设3～5mm厚泥浆。将混凝土滑块放置在泥浆表面，并在滑块上分别施加10N和20N的荷载。利用电动马达将滑块平稳地拉动，马达和滑块之间连接电子测力计记录拉力，每次测量应进行三组并行实验以确保结果准确。

2 实验结果与分析

2.1 触变泥浆基本性质

实验结果见表1。在相同膨润土掺量下，随着CMC掺量的提升，润滑泥浆的滤失量会随之下降，且下降速度先快后慢，且该现象随着膨润土掺量的减少而更明显。

表1 泥浆的滤失量和漏斗粘度计流失时间实验结果

膨润土掺量在120g及以上时，不再产生析水现象，这是因为膨润土的分散作用足够将水保持在片层结构中而不析出。试验结果同时表明，膨润土充分水化所需要的水土比为水：膨润土为100：6左右，在这个比例下，泥浆具有保水能力。膨润土掺量为120g时，CMC掺量小幅度的提升便可使泥浆漏斗粘度大幅上升，并且当CMC掺量达到6g时，其漏斗粘度达到最大值。当膨润土掺量达到160g时，在试验的初始阶段，泥浆会缓慢滴漏，漏斗中泥浆减少至一定量时，自重压力则不足以提供剪切力使得泥浆继续滴漏，此时滴漏量尚未达到规定的946ml。由此可见，对于较为稀薄的泥浆，漏斗粘度计的测量结果可以十分方便的表征其粘稠程度。但当泥浆稍加粘稠，漏斗粘度计便无法测量。

2.2 泥浆的渗透性能

试验结果表明，不同配比的泥浆，由于其流变性质的差异，渗透特性也有着较大的差异。经过对8种配比泥浆的试验，总结了三种渗透模式，如图1和表2所示。

图1 泥浆渗透结果图

表2 渗透试验结果

对于模式一，因为泥浆中未掺入CMC，浆液内部结构性弱内聚力低流动性强，因此在受到很小的压力便能够劈裂土体，当不掺入CMC，膨润土掺量分别为120g和160g时，土体劈裂压力分别小于1kPa和2kPa。裂缝出现后后续注入的泥浆便从裂缝中流失，整体渗透深度不再增长。

对于模式二，膨润土掺量相对较低，对于模式一的泥浆，其内聚力、流动性及保水性能都有一定程度的提高，但当压力达到某一值后，仍然会出现劈裂土体的现象，并且出现裂缝后整体渗透深度仍能进一步增长。同时因为其保水性能仍然不是很强，故模式二的滤失量最大，如泥浆掺量为120g，CMC掺量为6g时，滤失量为6700ml。

对于模式三，膨润土掺量及CMC掺量都相对较高，流动性随着下降，当膨润土及CMC掺量分别为160g，14g时，压力须达到14kPa方可将泥浆泵。该种模式下，由于泥浆内部的结构强度大幅度提升，矿物颗粒间的拖拽力增强，互相搭接形成网状结构，因此在较高压力的作用下也不会出现劈裂土体的现象，其整体渗透深度也与粘度呈负相关的关系。同时由于保水性能的提高，当膨润土及CMC的掺量达到一定量后，即使在高压作用下也不会析水。

2.3 泥浆与混凝土的界面摩擦特性

当泥浆中不掺入CMC时，会导致泥浆更容易失水，在界面摩擦的试验中，对于不掺入CMC的两组泥浆，将泥浆注入滑轨中的土体上时，泥浆中的水会迅速渗入土体，其润滑效果也大幅下降。见表3所示，两组无CMC掺入的泥浆，摩擦系数分别为0.44和0.43，相比其他配比较大。当膨润土掺量为120g时，摩擦系数随CMC掺量的提升而提升，当膨润土掺量提升至160g时，摩擦系数则会随CMC掺量的提升而下降。这说明泥浆的减阻效果在泥浆粘稠程度适中时达到最佳，过低则会造成泥浆的稳定性不足，容易失水，过高则会阻碍泥浆剪切变形的发生，亦会使摩阻力增大，试验结果见表3。

表3 界面摩擦试验结果

3 工程案例

根据项目工可方案，庆春路—东清巷人行过街设施位于杭州市庆春路、东清巷交叉口，主通道下穿庆春路，呈“一”字型布置。

3.1 顶管施工主要参数

顶进过程中采用注浆减摩，为保证触变泥浆套的完整性，弥补同步注浆的不足，还需采用二次注浆，其注浆量为同步注浆的0.2～0.3倍。所使用泥浆配比为水：膨润土：CMC=93.7%：6%：0.3%，泥浆需经充分水化后使用。

主通道共由29环管片组成，长43.8m，穿越的地层包括杂填土层、砂质粉土夹粉砂、淤泥质粉质粘土。

3.2 顶推力计算

对于采用触变泥浆进行减阻，可使用进行估算顶力的公式如下：

（1）根据《顶管工程技术规程》（DG/TJ08—2049—2008）中的公式

对于土压平衡式顶管机，其迎面阻力计算公式如下：

（2）上海市的经验公式

3.3 结果分析

工程实测的最终顶推力为5778kN，而根据《顶管工程技术规程》中的计算方法，在形成完整泥浆套的情况下最大顶力应为4586kN，实测超过了该数值，但又远小于常规取值的最小值11118kN，若根据2.3室内试验的结果来确定，则顶力应为4310kN，该值落在规范中形成完整泥浆套的摩阻力区间内，说明减阻试验中，泥浆性质良好，泥浆套将砼土界面完全隔开。

4 结论

根据本次实验研究分析，得出以下结论：

（1）泥浆的滤失量会随CMC及膨润土掺量的提升逐渐下降，但降低的速度会逐渐减缓，且CMC对抗滤失性能的提升更加显著。当膨润土掺量达到120g时，失水量小于1g。

（2）在砂性土中的试验发现，泥浆中膨润土和CMC掺量过少易导致土体劈裂与大量流失，减阻效果差；而掺量过多则泵送困难，不适于工程使用。同时研究总结了三种泥浆渗透模式，其中第三种最佳。

（3）适合于工程的泥浆应具备以下特点：可泵性佳、无劈裂、滤失量小、渗透深度小、界面摩擦力较小。其中，砂性土因渗透性较强应选用粘稠程度较高的泥浆，每1000ml水中，掺入60g～80g膨润土，5～7gCMC，效果最佳。