原材料含量對頂管施工觸變泥漿性能的影響

袁為嶺，榮　亮，楊紅軍

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州　450000)

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原材料含量對頂管施工觸變泥漿性能的影響

袁為嶺，榮亮，楊紅軍

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州450000)

摘要：觸變泥漿在頂管施工過程中起到潤滑減阻、支撐地層等作用，是頂管施工中的關鍵之一。為解決長距離、大斷面矩形頂管沉降控制困難及阻力過大的問題，通過對觸變泥漿中各種原材料對其性能的影響進行類比試驗，尋找各種原材料對泥漿性能的影響規(guī)律，分析每種材料對觸變泥漿性能的影響，從而根據(jù)鄭州市下穿中州大道隧道工程地層情況確定了適應本工程的觸變泥漿配合比，頂管推進減阻30%左右，解決了大斷面矩形頂管沉降控制困難和推進摩擦阻力大的問題。

關鍵詞：頂管；觸變泥漿；漏斗黏度；析水率；API失水量

0引言

隨著社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的長距離、大斷面頂管隧道應用在城市地下工程的建設中，因此，如何減小頂管施工過程中的地層阻力和有效控制地層沉降成為工程的關鍵。

文獻[1-4]研究的是觸變泥漿漿液注入的時間、方式和壓力等因素對頂管施工的影響；文獻[5-6]主要介紹了觸變泥漿在頂管施工中的機制及觸變泥漿的應用；文獻[7]介紹了砂性土中長距離頂管的觸變泥漿試驗研究；文獻[8-9]介紹了水泥漿觸變性的分析及實驗研究；文獻[10]研究的是新型的觸變泥漿減阻材料；文獻[11]主要研究了膨潤土對泥水平衡盾構(gòu)泥漿漏斗黏度的影響；文獻[12-13]主要介紹了觸變泥漿在橋涵頂進中的應用。以上文獻很少有深入探討和研究膨潤土觸變泥漿本身的性能以及各種原材料對泥漿性能的影響，本文以常用的膨潤土泥漿作為頂管施工的觸變減阻材料為例，采用類比試驗法探索常規(guī)膨潤土泥漿配合比中各種原材料對其性能的影響，從而根據(jù)不同地層對泥漿性能的要求，選擇比較合適的配合比，并且可以根據(jù)現(xiàn)場施工情況的不同，增加一定的原材料，及時調(diào)整泥漿性能，使泥漿性能能夠更好地適應地層要求。經(jīng)過現(xiàn)場驗證，經(jīng)試驗選擇的泥漿配合比性能良好、穩(wěn)定，在大斷面矩形頂管施工中，起到了良好地控制地層沉降和減小頂進推力的作用。

1觸變泥漿性能及其在頂管中的作用

1.1泥漿的觸變性

漿液配制完成后為懸浮液，當懸浮液靜止時，會絮凝成凝膠體；當漿液被攪拌、振動或泵送時，轉(zhuǎn)變成黏性的液體；再次處于靜止狀態(tài)時，又會形成凝膠體，這種液體和凝膠體之間的交替可以發(fā)生多次，這類特性稱為觸變性。觸變泥漿的觸變性有助于頂管隧道頂層在運動時成為黏性漿液減小阻力，靜止時成為凝膠體支撐地層。

1.2觸變泥漿在頂管中的作用

1)減阻作用。將頂進管道與土體之間的干摩擦轉(zhuǎn)換為液體摩擦，減小頂進的摩擦阻力。

2)填補作用。漿液填補施工時管道與土體之間產(chǎn)生的空隙。

3)支撐作用。在注漿壓力下，減小土體變形，頂管隧道和土體之間的間隙被高濃度漿液填充，支撐地層。

當了解了觸變泥漿的性能和在頂管施工中的作用后，就能根據(jù)施工地層的性質(zhì)(顆粒含量、級配、黏粒含量和含水量等)，選擇相應性能參數(shù)的觸變泥漿。

2觸變泥漿性能試驗介紹

1)原材料:膨潤土、Na2CO3、CMC(羧甲基纖維素納)、PHP(聚丙烯酰胺)和水等。

2)試驗儀器：六速旋轉(zhuǎn)黏度計、比重稱、馬氏漏斗黏度計、打氣筒濾失儀、含砂量測定儀、秒表、泥漿攪拌機、電子稱、pH試紙、燒杯、玻璃板、玻璃棒和量筒等。

3)試驗方法：在基本符合頂管施工觸變泥漿性能配合比的情況下，調(diào)整配合比中某一種原材料的含量，檢測其含量的變化對泥漿各種性能的影響；然后再調(diào)整其他幾種原材料的含量，檢測其對泥漿性能的影響，通過這樣的類比試驗，分析各種原材料對泥漿性能的影響。

觸變泥漿主要有以下7個參數(shù)：密度、黏度、含砂量、pH值、穩(wěn)定性、失水量和靜切力。主要測試的是對頂管施工非常重要的黏度、穩(wěn)定性(析水率)和失水量3個指標。

3觸變泥漿成分與泥漿性能的關系

觸變泥漿主要由膨潤土和水按一定比例配制而成，加入CMC、純堿和PHP以改善其性能指標。其中，CMC作用為增稠、降低失水量；純堿作用為促進膨潤土水化；PHP作用為抗分散。通過類比試驗來檢測各種原材料對觸變泥漿性能的影響。

3.1膨潤土對泥漿性能的影響

前期根據(jù)經(jīng)驗先試配幾種觸變泥漿，然后配制標準密度約為1.1 g/cm3的觸變泥漿，在CMC、純堿和PHP含量不變的情況下，改變膨潤土的含量，見表1，測出膨潤土含量對觸變泥漿漏斗黏度、析水率和API失水量的影響曲線，如圖1所示。

由圖1可知，在一定配合比下，隨著膨潤土含量的增加觸變泥漿的漏斗黏度變大，膨潤土的含量對觸變泥漿的漏斗黏度影響非常明顯，尤其當膨潤土含量較大時，影響更大；但當膨潤土含量過大時，觸變泥漿成流塑狀態(tài)，不再適用本試驗。

表1泥漿配合比試驗1(膨潤土含量變化)

Table 1Slurry mixing proportion test 1 (with different content of bentonite)

配合比(密度1.1g/cm3)膨潤土/%CMC/%純堿/%PHP/%水/%試驗數(shù)據(jù)漏斗黏度/s泥漿析水率/%API失水量/(mL/30min)2.00.10.30.297.424.67.325.94.00.10.30.295.435.03.519.06.00.10.30.293.445.60.514.08.00.10.30.291.452.30.012.510.00.10.30.289.460.50.011.612.00.10.30.287.477.20.010.614.00.10.30.285.498.60.010.0

圖1　膨潤土含量對漏斗黏度、析水率和失水量影響曲線

Fig.1Curves showing influence of bentonite content on viscosity,water separating rate and filtration of slurry

隨著膨潤土含量的增加觸變泥漿的析水率降低，當膨潤土含量達到一定量后，析水率變?yōu)?，不再變化。

隨著膨潤土含量的增加觸變泥漿API失水量減小，在膨潤土含量較小時，影響非常明顯；當膨潤土含量較大時，影響較小。這主要是因為隨著膨潤土含量的增加，泥漿中固相含量增加，泥漿黏度增大，使泥漿失水量減小。

3.2CMC含量對觸變泥漿性能的影響

配制密度1.1 g/cm3的觸變泥漿，在膨潤土、純堿和PHP含量不變的情況下，改變CMC的含量，見表2，可以得出CMC含量對泥漿漏斗黏度、析水率和API失水量的影響曲線，如圖2所示。

由圖2可知，在一定配合比下，隨著CMC含量的增加觸變泥漿的漏斗黏度變大，當CMC含量較小時，影響較大；當CMC含量較大時，影響變小。CMC在泥漿中起到增稠的作用，隨著含量的增加，泥漿黏度增大，當超過一定量時，其增稠效果降低，使得泥漿黏度增加較小。

表2泥漿配合比試驗2(CMC含量變化)

Table 2Slurry mixing proportion test 2 (with different content of CMC)

配合比(密度1.1g/cm3)膨潤土/%CMC/%純堿/%PHP/%水/%試驗數(shù)據(jù)漏斗黏度/s泥漿析水率/%API失水量/(mL/30min)6.00.00.30.293.533.01.516.06.00.10.30.293.445.60.214.06.00.20.30.293.355.30.016.06.00.30.30.293.263.40.016.06.00.40.30.293.169.50.015.06.00.50.30.293.075.60.014.96.00.60.30.292.977.80.014.5

圖2　CMC含量對漏斗黏度、析水率和失水量影響曲線

Fig.2Curves showing influence of CMC content on viscosity,water separating rate and filtration of slurry

觸變泥漿析水率隨著CMC含量的增加而降低，當CMC含量達到一定量后，析水率變?yōu)?，不再變化。

CMC含量對觸變泥漿API失水量影響幾乎可以不考慮。

3.3純堿含量對觸變泥漿性能的影響

配制密度1.1 g/cm3的觸變泥漿，在膨潤土、CMC和PHP含量不變的情況下，改變純堿的含量，見表3，可以得出純堿含量對觸變泥漿漏斗黏度、析水率和API失水量的影響曲線，如圖3所示。

表3泥漿配合比試驗3(純堿含量變化)

Table 3Slurry mixing proportion test 3 (with different content of sodium carbonate)

配合比(密度1.1g/cm3)膨潤土/%CMC/%純堿/%PHP/%水/%試驗數(shù)據(jù)漏斗黏度/s泥漿析水率/%API失水量/(mL/30min)6.00.10.00.293.732.62.018.16.00.10.10.293.638.71.016.36.00.10.20.293.542.70.015.06.00.10.30.293.445.60.014.06.00.10.40.293.343.50.014.26.00.10.50.293.240.00.015.06.00.10.60.293.138.00.015.3

圖3　純堿含量對漏斗黏度、析水率和失水量影響曲線

Fig.3Curves showing influence of sodium carbonate content on viscosity,water separating rate and filtration of slurry

由圖3可知，在一定配合比下，當純堿含量較小時，隨著純堿含量的增加觸變泥漿的漏斗黏度變大，當超過一定含量后，隨著純堿含量的增加而黏度逐漸減小，其中，在含量0.3%附近漏斗黏度最大。

觸變泥漿析水率隨著純堿含量的增加而降低，當純堿含量達到一定量后，析水率變?yōu)?，不再變化。

當純堿含量較小時，觸變泥漿API失水量隨著純堿含量增加而減小，當超過一定含量后，隨著純堿含量的增加而逐漸變大，其中，在含量0.3%附近API失水量最小。加入純堿后，可以去除泥漿中的部分鈣離子，從而提高泥漿的水化分散能力，使得失水量減小，當加入量過多時，泥漿的水化分散能力下降，使得失水量增大。

3.4PHP含量對觸變泥漿性能的影響

配制密度1.1 g/cm3的觸變泥漿，在膨潤土、CMC和純堿含量不變的情況下，改變PHP的含量，見表4，可以得出PHP含量對觸變泥漿漏斗黏度、析水率和API失水量的影響曲線，如圖4所示。

表4泥漿配合比試驗4(PHP含量變化)

Table 4Slurry mixing proportion test 4 (with different content of PHP)

配合比(密度1.1g/cm3)膨潤土/%CMC/%純堿/%PHP/%水/%試驗數(shù)據(jù)漏斗黏度/s泥漿析水率/%API失水量/(mL/30min)6.00.10.00.293.732.62.018.16.00.10.10.293.638.71.016.36.00.10.20.293.542.70.015.06.00.10.30.293.445.60.014.06.00.10.40.293.343.50.014.26.00.10.50.293.240.00.015.06.00.10.60.293.138.00.015.3

圖4　PHP含量對泥漿漏斗、析水率和失水量影響曲線

Fig.4Curves showing influence of PHP content on viscosity,water separating rate and filtration of slurry

由圖4可知，在一定配合比下，PHP含量對漏斗黏度影響不大。

觸變泥漿析水率隨著PHP含量的增加而升高，在0.5%左右達到頂峰，當含量較大時，析水率再次降低。隨著PHP含量的增加，泥漿的絮凝效果提高，使得泥漿中細顆粒形成比較大的絮團，析水率逐漸升高，當超過一定含量，其絮凝效果而下降，造成析水率降低。

API失水量隨著PHP含量的增加而逐漸變大，但影響較小。

4工程實例

鄭州市下穿中州大道工程，采用2臺矩形頂管(10.1 m×7.25 m,7.5 m×5.4 m)施工4條平行的隧道，隧道埋深在3 m左右，地層以粉土和粉質(zhì)黏土為主，地下水位在5～7 m，隨著季節(jié)變化而變換2 m左右，隧道上部為繁忙的交通主干道，地下管線較多，由于首次采用如此大斷面施工，切覆土超淺，平行隧道間距只有1 m，且100 m長隧道未采用中繼間，因此對施工的沉降控制和摩擦阻力的降低提出了更高的要求。

依據(jù)觸變泥漿在頂管施工過程中的作用，要求觸變泥漿性能必須滿足以下指標，見表5。

表5　觸變泥漿性能要求

采用正交試驗對試驗數(shù)據(jù)進行分析，在滿足頂管觸變泥漿性能指標要求的情況下，確定觸變泥漿最佳配合比見表6。

同時根據(jù)試驗取得的原材料對泥漿性能的影響規(guī)律，在不同時段(始發(fā)、推進和到達)、不同位置(洞門、隧道內(nèi)補充注漿和頂管機機頭)注入性能差異不大的觸變泥漿，最終確保了項目成功實施。

表6觸變泥漿配合及性能指標

Table 6　Mixing proportions of every raw material of thixotropic slurry and performance indexes

通過計算得出頂管隧道貫通的推力為64 670 kN，而實際推力只有理論推力的70%左右，沉降在交通主干道保證在25 mm以內(nèi)，觸變泥漿對該項目的成功施工起到了非常關鍵的作用。

5結(jié)論與建議

5.1結(jié)論

1)在一定配比下，隨著膨潤土含量的增加，漏斗黏度增大(超過一定量后就無法在進行試驗)，析水率降低(含量少時降低量大，變化接近0后不變)，失水量減小；

2)在一定配合比下，隨著CMC含量的增加，漏斗黏度增大，析水率降低(含量少時降低量大，變化接近0后不變)，失水量保持基本不變；

3)在一定配合比下，隨著純堿含量的增大，漏斗黏度發(fā)生駝峰式先增后減，析水率降低(含量少時降低量大，變化接近0后不變)，失水量保持基本不變；

4)在一定配合比下，隨著PHP含量的增加，漏斗黏度保持不變，析水率出現(xiàn)駝峰式先升后降，失水量緩慢增大。

5.2存在的不足

1)由于本試驗采用了幾種固定膨潤土進行試驗，試驗的數(shù)據(jù)受到限制，因此可能對部分性能還無法測試出來，趨勢有可能不夠準確。

2)由于本試驗受到試驗時間等限制，試驗數(shù)據(jù)分析的不夠精細，可能出現(xiàn)部分趨勢在本次試驗中未表現(xiàn)出來。

3)試驗原材料的選擇，尤其是膨潤土的選擇對泥漿性能影響非常大，因此選擇的膨潤土不同，泥漿的性能趨勢可能會發(fā)生變化。

5.3建議

1)針對不同地層對觸變泥漿性能的要求有較大差異，要根據(jù)地層參數(shù)選擇與之相適應的性能指標。

2)在施工現(xiàn)場應用時，應根據(jù)膨潤土的性能、地層參數(shù)等進行大量試驗，找到最適合本工程的觸變泥漿配合比。

3)在施工過程中，根據(jù)不同的位置和時間，利用本文泥漿性能隨原材料變化的規(guī)律，適當?shù)卣{(diào)整泥漿性能，以取得更好的效果，但是要特別注意駝峰變化點。

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Influence of Raw Materials Content on Performance of Thixotropic Slurry Used in Pipe Jacking

YUAN Weiling，RONG Liang，YANG Hongjun

(China Railway Tunnel Stock Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,Henan,China)

Abstract:The thixotropic slurry plays an important role in pipe jacking.The influence of raw materials content on performance of thixotropic slurry is studied,so as to learn the influencing rules of raw materials,control ground settlement and minimize the resistance.The mixing proportions of thixotropic slurry used in pipe jacking of shield tunnel crossing underneath Zhongzhou Road in Zhengzhou are decided.The practice shows that good effects have been achieved.

Keywords:pipe jacking;thixotropic slurry;funnel viscosity;water separating rate;API filtration

收稿日期：2015-07-08;修回日期:2016-01-17

第一作者簡介：袁為嶺(1975—)，男，江蘇建湖人，1998年畢業(yè)于華南理工大學，化工環(huán)保專業(yè)，碩士，高級工程師，現(xiàn)從事市政工程質(zhì)量監(jiān)督工作。 E-mail：13838549902@163.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.005

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)06-0683-05