高濃度膨潤土觸變泥漿在砂質粉土工程中的應用
2025-11-15 00:00:00王素康牛連超
天津建設科技 2025年5期
【中圖分類號】：TU990.3 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）05-46-04
【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.05.011
Application of High-concentration Bentonite Thixotropic Slurry in Sandy Silt Engineering
WANG Sukang，NIU Liancao
（TianjinUndergroundRailwayGroupCo.，Ltd.，Tianjin3ooO11，China）
【Abstract】：Taking the actual projectas an example，this paper compares and analyzes theinfluence of twothixotropic mud with different ratios on the surface setlement and jacking force，proves the applicability of thixotropic mud withhigh concentrationbentonite in sandy and siltysoil layer，and puts forward several points forattention in the process of pipe jacking construction.
【Key words】：Thixotropic mud；sandy and silt soil；surface settlement； jacking force
大截面、長距離頂管施工如何保證地面的平穩和克服摩擦阻力是技術難點。呂品介紹了高濃度膨潤土觸變泥槳的配比和特性，闡述了其在工程中的應用價值，后討論了其自身缺陷。徐智華等2對觸變泥漿材料、配方、攪拌方法、注槳工藝、抗滲透性能和穩定性進行了深入的研究，并將研究結果應用于施工，取得良好的結果。魏綱等3闡述了注漿材料、性能和注漿減摩的作用機理。
本文以市地鐵4號線南段工程某頂管工程為例，從觸變泥漿材料的組成和配比著手，對兩種配比的觸變泥漿在工程中的應用效果進行分析，探討其在砂質粉土中的適應性，并確定砂質粉土中觸變泥漿的組成及配比，為同類工程實踐提供參考。
1工程概況
某工程頂管通道全長 97.17m ，共65環，設計為直線形， 1% 的縱坡，覆土厚度 6.42～7.29m 。設計結構為矩形圓倒角鋼筋混凝土管節，結構凈空寬度 6m ，高度 3.3m ，結構外尺寸為 6900mm×4200mm ，壁厚為450mm ，每節管節長度為 1.5m ，每節管節質量約 33.5t
地層主要為 ①1 雜填土 ①2 素填土、 ④1 粉質黏土、⑥3 砂質粉土 ?⑥4 粉質黏土、 ⑥5 黏質粉土、 ⑦1 粉質黏土 ⑧1 粉質黏土、 ⑧2 粉砂層。頂管通道主要穿越 ⑥3 砂質粉土 ? 粉質黏土層。見圖1和表1。
圖1地質剖面
表1地層物理參數
頂管通道路徑上設置了多排監測點位，本文截取靠近頂管接收段附近的監測點為研究對象。見圖2。
2工程實施情況
頂管機由全斷面處于 ⑥4 粉質黏土中頂進至半斷面處于 ⑥3 砂質粉土、半斷面處于 ⑥4 粉質黏土中。頂管頂進至第45環位置時地表開始沉降，累計最大沉降量達到了 19.5mm ，最大變化量達到 3.68mm/d ，已超橙色預警線。現場通過改變觸變泥漿配比進行同步注漿、打泥等措施，地表沉降量逐漸減小至控制范圍內，后續頂進過程中地面沉降量保持穩定。
觸變泥漿由膨潤土、羥甲基纖維素鈉（CMC）、純堿和水按照一定比例組成。觸變泥漿一是可以起到潤滑作用，將管節與土體間的干摩擦轉變為濕摩擦；二是可以起到填充作用，填補刀盤和殼體、殼體和管節間的空隙，減小土體變形[5]。
膨潤土是以蒙脫石、鈣、鉀為主要成分的黏土，具有遇水膨脹的特性，作為泥漿的主要成分，具有良好的觸變性能。
外加劑CMC可以滿足觸變泥漿的工作性能和穩定性要求，可明顯增加泥漿體系的黏度，減小失水量，對泥漿的流變性能有較好的改善
純堿在泥漿中的主要作用為分散劑，純堿與膨潤王之間發生水化反應，能夠促進泥漿中固相與液相的結合能力，增大泥漿配置的穩定度。
本文采用2種質量比的觸變泥漿。方案一：水：膨潤土：CMC：純堿 ：=968：71：1：1 。方案二：水：膨潤土：CMC：純堿 ：=200：135：1：1 。
3對比分析
3.1地表沉降
監測點 
為頂管通過時 地層變化比較敏感的點位，頂管掘進過程中地表的沉 降見圖3和圖4。
圖3地表累計沉降
圖4地表最大沉降
頂管機頂進至第47～49環位置地表最大沉降量為 3.59mm/d ；頂管機頂進至第49～55環位置地表由沉降到隆起后又沉降，最大沉降量達到 5.03mm/d ；頂管機通過第55環位置后，地表先隆起后沉降；頂管機通過第59環位置后，地表趨于穩定。
頂管機頂進至47～55環位置，現場采取方案一配比的觸變泥漿進行頂進。其中頂進至47～49環位置，地表沉降量超過橙色預警，現場采用方案一配比的觸變泥漿進行填充，地表產生隆起，持續頂進至49～53環位置，地面略微隆起；頂進至53-55環位置，地表發生較大沉降。可知砂質粉土中注入的觸變泥漿在頂進過程中流失，導致地表沉降量增大。頂管機頂進至55環位置處，改用方案二配比的觸變泥漿填充，采用邊頂邊注方式，在55～61環的頂進過程中，沉降控制較好，均在預警線以內。可知在砂質粉土中注入方案二配比的觸變泥漿在土層中起到了填充和潤滑的作用。
3.2頂力計算及現場頂力數據變化
頂管通道的斷面尺寸為 6.9m×4.2m ，頂管長度為 97.17m ，頂管覆土厚土取 6.25m 。
F=F0+f0L
式中： F 為總推力， kN;F0 為初始推力， kN;f0 為管節與土層之間的綜合摩擦阻力， kN/m;L 為頂管通道長度。
F0=S×（P0+Pw）
式中： s 為機頭面積， m2;P0 為機頭底部以上1/3高度處的靜止土壓力， kN/m2;Pw 為地下水壓力，計算水頭高度起算點為地面， kN/m 。
P0=K0γ（H+2H1/3）
式中： γ 為土的重度， kN/m3;H 為管頂土層厚度，取 6.25m;H?1 為頂管機高度， m;φ 為土的內摩擦角，Ξ（Λ°）Ξ;K0 為靜止側壓力系數，砂性土取 0.25～0.33 ，黏土取 0.33～0.7 。
f0=RS+Wf
式中： R 為綜合摩擦阻力，取 8kPa;S 為管外周長，m;W 為每來管節的重力， kN/m;f 為管節重力在土中的摩擦系數，與管、土接觸面的物理性質有關，可按表2取值。
表2摩擦系數的f值
經計算， F=2551kN. 0
第47環后頂力的實測數據見表3。
表3頂管機頂力數據
頂管施工過程中的頂力值均小于計算頂力。頂力在47～53環變化相對平穩，54環處頂力突然增大，55環后急速下降，56～58環期間頂力比較平穩，59環處頂力急速上升，60～61環期間頂力比較平穩。
施工過程中，53環位置由于現場因素影響導致頂進中斷，經過 12h 停機處理后重新啟動，頂管機頂力變化較大；由于55環位置處采用了方案二配比的觸變泥漿，現場施工頂力減小；59～61環頂管機逐漸進入加固區，加區域采用三軸攪拌，強度較大，故而頂管機頂力急劇上升。可知，方案二的頂力比方案一小。
3.3分析
使用方案二配比的觸變泥漿地表沉降控制較好，頂管機頂力減小。由于砂質粉土地層含水量較大，水力聯系較大，低濃度膨潤土在土層形成的泥膜易被損壞，無法在管節周壁形成穩定的泥膜，而高濃度膨潤王在砂質粉土中的滲透距離較短，泥膜形成效果要好于低濃度的膨潤土。故頂管機在砂質粉土地層中頂進時，可采用提高膨潤土濃度來減小頂力和控制地表沉降。另外，頂管機頂進過程中不能中斷施工超過12h ，要保持連續施工。
4結論及建議
1現場施工情況表明，頂管機在砂質粉土地層中頂進時，采用高濃度膨潤土的觸變泥漿有助于在管節周邊形成泥套，有利于對地表沉降的控制，有助于頂力的減小，本文中頂力減小 5% 。
2）頂管施工過程中要保持連續施工，避免超過12h 的停機，否則重新頂進后頂力有較大幅度的增長，本文中停機 12h 復頂后頂力增大了 15% 。
3）對于地表沉降的控制，頂管在頂進過程中要執行好“先注后頂、隨頂隨注、及時補漿\"和\"同步注漿與補漿相結合\"的原則，根據監測數據隨時調整頂進參數；距離地下管線、地下和地上建筑物較近時，適當降低頂進速度。
4）高濃度膨潤土的觸變泥漿具有填充和支撐作用，漿液可以填充刀盤和機殼的間隙、機殼和管節的間隙，減小土體的變形。
5）在進行頂管施工過程中，要加密對周邊管線和地表的沉降監測，根據監測數據及時調整施工參數和泥漿的量，達到較好控制地表沉降的目的。
6采用高濃度的膨潤土需更換管徑更大的泥漿管路，否則容易出現堵管現場，影響現場施工。
7頂進距離較長時，需要把注漿設備放置在頂管通道內進行注漿，以此來保證注漿泵的壓力能把漿液順利填充土層間空隙。
參考文獻：
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