頂管泥漿觸變特性及泥漿套成型機(jī)理研究

繆高遠(yuǎn) 霍振峰 池凌杰

1.杭州市千島湖原水股份有限公司 浙江 杭州 310009

2.騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 上海 200122

隨著大口徑、長距離頂管工程的出現(xiàn)，側(cè)摩阻力成為了限制技術(shù)發(fā)展的因素。工程中解決這一問題主要有兩種方法，一是設(shè)立中繼站，二是注漿減摩。而設(shè)立中繼站成本較高，加大了施工難度延長了施工周期，相比之下注漿減摩技術(shù)則更為便捷和經(jīng)濟(jì)。對于超長距離頂管工程，也常將兩種方法結(jié)合使用，在管節(jié)與土體之間的超挖區(qū)域注入漿體后，會逐漸向周圍土體擴(kuò)散，并與土體混合后形成膠體，產(chǎn)生致密的泥漿套。但泥漿的擴(kuò)散范圍與泥漿性質(zhì)、土層條件、注漿壓力有關(guān)，并影響著泥漿套的質(zhì)量及減阻效果。理想情況下，注漿減摩技術(shù)可使側(cè)摩阻力降低至3～5kPa[1]，但受泥漿流失及注漿工藝等因素的影響，減摩效果往往難以達(dá)到預(yù)期效果。

為解決這一問題，眾多學(xué)者從漿液與土體的作用機(jī)理上進(jìn)行分類，并將其分為四種注漿形式：充填注漿、滲透注漿、壓密注漿、劈裂注漿[2-3]。并發(fā)現(xiàn)充填注漿主要應(yīng)用于巖體裂縫的充填加固。滲透注漿注漿壓力較小，主要用于土體加固及防滲。

現(xiàn)有理論研究多集中于后三種，壓密注漿及劈裂注漿壓力較大，主要用于土體的擠密加固[4-5]。同時有學(xué)者也發(fā)現(xiàn)泥漿的擴(kuò)散范圍與泥漿性質(zhì)、土層條件、注漿壓力有關(guān)，并影響著泥漿套的質(zhì)量及減阻效果[6-7]。

本文基于泥漿基礎(chǔ)性質(zhì)分析，滲透實驗和泥漿減阻實驗，通過改變膨潤土和增稠劑含量，探究不同膨潤土與外加劑含量對泥漿性質(zhì)的影響，尋找合適的觸變泥漿配比，以便根據(jù)工程情況合理選用。

1 泥漿觸變特性實驗

1.1 實驗材料與分組

試驗中所采用的膨潤土為400目鈉基膨潤土、LR級的羧甲基纖維素鈉、AR級碳酸鈉。

本實驗設(shè)置實驗組八組，前四組為120g納基膨潤土，CMC含量為0g，6g，10g，14g，同理設(shè)置后四組，其納基膨潤土設(shè)置為160g。

1.2 觸變泥漿性能指標(biāo)

減摩效果需要泥漿具有良好的性質(zhì)和適應(yīng)地質(zhì)環(huán)境的物理指標(biāo)，采用的實驗方法如下：

（1）減阻泥漿濾失量采用ZNS-2型常溫中壓濾失儀進(jìn)行實驗。將泥漿放入樣品杯，用刮刀均勻涂抹。將杯體固定在加壓閥口，并置于出水口下，開啟穩(wěn)壓閥并開始計時。需要密切觀察壓力表，如壓力低于工作壓力則需立即補壓，等待30分鐘后，記錄濾失量。

（2）漏斗粘度通過馬氏漏斗粘度計測量，將水化的泥漿倒入漏斗中，保證泥漿與漏斗篩底接觸。如果泥漿過粘，可以使用刮刀將其均勻涂抹。一邊計時一邊觀察泥漿滴漏，直至滴漏達(dá)到量杯946ml刻度線，需避免震動漏斗以免影響測量結(jié)果。

（3）滲透性能：在注漿桶中填入土體，在儲漿罐中裝入漿液，用法蘭密封連接。壓力氣泵向管中注入壓力，并在壓力下透入土體。每一階段加壓后約2分鐘泥漿基本穩(wěn)定。為了保證每組試驗的滲透時間一致，并使其充分滲透，每階段加壓都應(yīng)保持5分鐘后再進(jìn)行下一階段的加壓。

（4）磨擦起停實驗的實驗設(shè)備由混凝土滑塊、亞克力箱子、定滑輪、電子測力計、電動馬達(dá)等五部分組成。實驗箱的尺寸為1×1.5m，高180mm，上方開口。在一側(cè)的側(cè)板上方中央開設(shè)一個高50mm，寬20mm的槽口和定滑輪。填土入箱，在土體表層均勻鋪設(shè)3～5mm厚泥漿。將混凝土滑塊放置在泥漿表面，并在滑塊上分別施加10N和20N的荷載。利用電動馬達(dá)將滑塊平穩(wěn)地拉動，馬達(dá)和滑塊之間連接電子測力計記錄拉力，每次測量應(yīng)進(jìn)行三組并行實驗以確保結(jié)果準(zhǔn)確。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 觸變泥漿基本性質(zhì)

實驗結(jié)果見表1。在相同膨潤土摻量下，隨著CMC摻量的提升，潤滑泥漿的濾失量會隨之下降，且下降速度先快后慢，且該現(xiàn)象隨著膨潤土摻量的減少而更明顯。

表1 泥漿的濾失量和漏斗粘度計流失時間實驗結(jié)果

膨潤土摻量在120g及以上時，不再產(chǎn)生析水現(xiàn)象，這是因為膨潤土的分散作用足夠?qū)⑺３衷谄瑢咏Y(jié)構(gòu)中而不析出。試驗結(jié)果同時表明，膨潤土充分水化所需要的水土比為水：膨潤土為100：6左右，在這個比例下，泥漿具有保水能力。膨潤土摻量為120g時，CMC摻量小幅度的提升便可使泥漿漏斗粘度大幅上升，并且當(dāng)CMC摻量達(dá)到6g時，其漏斗粘度達(dá)到最大值。當(dāng)膨潤土摻量達(dá)到160g時，在試驗的初始階段，泥漿會緩慢滴漏，漏斗中泥漿減少至一定量時，自重壓力則不足以提供剪切力使得泥漿繼續(xù)滴漏，此時滴漏量尚未達(dá)到規(guī)定的946ml。由此可見，對于較為稀薄的泥漿，漏斗粘度計的測量結(jié)果可以十分方便的表征其粘稠程度。但當(dāng)泥漿稍加粘稠，漏斗粘度計便無法測量。

2.2 泥漿的滲透性能

試驗結(jié)果表明，不同配比的泥漿，由于其流變性質(zhì)的差異，滲透特性也有著較大的差異。經(jīng)過對8種配比泥漿的試驗，總結(jié)了三種滲透模式，如圖1和表2所示。

圖1 泥漿滲透結(jié)果圖

表2 滲透試驗結(jié)果

對于模式一，因為泥漿中未摻入CMC，漿液內(nèi)部結(jié)構(gòu)性弱內(nèi)聚力低流動性強(qiáng)，因此在受到很小的壓力便能夠劈裂土體，當(dāng)不摻入CMC，膨潤土摻量分別為120g和160g時，土體劈裂壓力分別小于1kPa和2kPa。裂縫出現(xiàn)后后續(xù)注入的泥漿便從裂縫中流失，整體滲透深度不再增長。

對于模式二，膨潤土摻量相對較低，對于模式一的泥漿，其內(nèi)聚力、流動性及保水性能都有一定程度的提高，但當(dāng)壓力達(dá)到某一值后，仍然會出現(xiàn)劈裂土體的現(xiàn)象，并且出現(xiàn)裂縫后整體滲透深度仍能進(jìn)一步增長。同時因為其保水性能仍然不是很強(qiáng)，故模式二的濾失量最大，如泥漿摻量為120g，CMC摻量為6g時，濾失量為6700ml。

對于模式三，膨潤土摻量及CMC摻量都相對較高，流動性隨著下降，當(dāng)膨潤土及CMC摻量分別為160g，14g時，壓力須達(dá)到14kPa方可將泥漿泵。該種模式下，由于泥漿內(nèi)部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅度提升，礦物顆粒間的拖拽力增強(qiáng)，互相搭接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此在較高壓力的作用下也不會出現(xiàn)劈裂土體的現(xiàn)象，其整體滲透深度也與粘度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。同時由于保水性能的提高，當(dāng)膨潤土及CMC的摻量達(dá)到一定量后，即使在高壓作用下也不會析水。

2.3 泥漿與混凝土的界面摩擦特性

當(dāng)泥漿中不摻入CMC時，會導(dǎo)致泥漿更容易失水，在界面摩擦的試驗中，對于不摻入CMC的兩組泥漿，將泥漿注入滑軌中的土體上時，泥漿中的水會迅速滲入土體，其潤滑效果也大幅下降。見表3所示，兩組無CMC摻入的泥漿，摩擦系數(shù)分別為0.44和0.43，相比其他配比較大。當(dāng)膨潤土摻量為120g時，摩擦系數(shù)隨CMC摻量的提升而提升，當(dāng)膨潤土摻量提升至160g時，摩擦系數(shù)則會隨CMC摻量的提升而下降。這說明泥漿的減阻效果在泥漿粘稠程度適中時達(dá)到最佳，過低則會造成泥漿的穩(wěn)定性不足，容易失水，過高則會阻礙泥漿剪切變形的發(fā)生，亦會使摩阻力增大，試驗結(jié)果見表3。

表3 界面摩擦試驗結(jié)果

3 工程案例

根據(jù)項目工可方案，慶春路—東清巷人行過街設(shè)施位于杭州市慶春路、東清巷交叉口，主通道下穿慶春路，呈“一”字型布置。

3.1 頂管施工主要參數(shù)

頂進(jìn)過程中采用注漿減摩，為保證觸變泥漿套的完整性，彌補同步注漿的不足，還需采用二次注漿，其注漿量為同步注漿的0.2～0.3倍。所使用泥漿配比為水：膨潤土：CMC=93.7%：6%：0.3%，泥漿需經(jīng)充分水化后使用。

主通道共由29環(huán)管片組成，長43.8m，穿越的地層包括雜填土層、砂質(zhì)粉土夾粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。

3.2 頂推力計算

對于采用觸變泥漿進(jìn)行減阻，可使用進(jìn)行估算頂力的公式如下：

（1）根據(jù)《頂管工程技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ08—2049—2008）中的公式

對于土壓平衡式頂管機(jī)，其迎面阻力計算公式如下：

（2）上海市的經(jīng)驗公式

3.3 結(jié)果分析

工程實測的最終頂推力為5778kN，而根據(jù)《頂管工程技術(shù)規(guī)程》中的計算方法，在形成完整泥漿套的情況下最大頂力應(yīng)為4586kN，實測超過了該數(shù)值，但又遠(yuǎn)小于常規(guī)取值的最小值11118kN，若根據(jù)2.3室內(nèi)試驗的結(jié)果來確定，則頂力應(yīng)為4310kN，該值落在規(guī)范中形成完整泥漿套的摩阻力區(qū)間內(nèi)，說明減阻試驗中，泥漿性質(zhì)良好，泥漿套將砼土界面完全隔開。

4 結(jié)論

根據(jù)本次實驗研究分析，得出以下結(jié)論：

（1）泥漿的濾失量會隨CMC及膨潤土摻量的提升逐漸下降，但降低的速度會逐漸減緩，且CMC對抗濾失性能的提升更加顯著。當(dāng)膨潤土摻量達(dá)到120g時，失水量小于1g。

（2）在砂性土中的試驗發(fā)現(xiàn)，泥漿中膨潤土和CMC摻量過少易導(dǎo)致土體劈裂與大量流失，減阻效果差；而摻量過多則泵送困難，不適于工程使用。同時研究總結(jié)了三種泥漿滲透模式，其中第三種最佳。

（3）適合于工程的泥漿應(yīng)具備以下特點：可泵性佳、無劈裂、濾失量小、滲透深度小、界面摩擦力較小。其中，砂性土因滲透性較強(qiáng)應(yīng)選用粘稠程度較高的泥漿，每1000ml水中，摻入60g～80g膨潤土，5～7gCMC，效果最佳。