高濃度膨潤土泥漿在大口徑越江頂管工程中的應(yīng)用

呂品

（上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市200433）

高濃度膨潤土泥漿在大口徑越江頂管工程中的應(yīng)用

呂品

（上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市200433）

傳統(tǒng)的膨潤土泥漿在大口徑、長距離、粉砂地質(zhì)條件頂管工程中具有一定的局限性，具體表現(xiàn)為：大口徑頂管頂部泥漿缺失，復(fù)頂后頂力激增以及下坡頂進(jìn)時泥漿積聚在機(jī)頭底部。介紹在傳統(tǒng)的膨潤土泥漿基礎(chǔ)上，增設(shè)一種高濃度膨潤土泥漿來解決上述問題，經(jīng)實際工程應(yīng)用取得了良好的效果。詳細(xì)介紹了高濃度膨潤土泥漿的配比以及特性。隨后，闡述了其在工程中的應(yīng)用價值，最后討論了該泥漿自身缺陷。

高濃度膨潤土泥漿；頂管工程；泥漿配比；應(yīng)用

0 引言

對于長距離的越江頂管工程，經(jīng)常在管道外壁注射膨潤土泥漿，從而減小管道外壁承受的摩擦阻力。然而，隨著頂管工程的發(fā)展，頂管管道直徑逐漸增大，越江管道的地質(zhì)條件也更加復(fù)雜，因此傳統(tǒng)的注漿減摩技術(shù)往往會引發(fā)一些新的工程問題。針對傳統(tǒng)泥漿減摩技術(shù)的不足，本文介紹了一種高濃度膨潤土的新型泥漿，并將其應(yīng)用在了實際工程中，成功克服了原有技術(shù)的不足，取得了良好的使用效果。

本文依托白龍港南線輸送缸線SS T1.2標(biāo)過江管工程，針對過江頂管工程中傳統(tǒng)膨潤土漿液的一些缺陷進(jìn)行論述，詳細(xì)介紹了高濃度膨潤土泥漿及性能，并闡述其在過江頂管實際工程中諸多方面的應(yīng)用效果。

1 高濃度膨潤土泥漿及性能

目前，頂管工程中最廣泛應(yīng)用的注漿減摩材料是膨潤土泥漿。傳統(tǒng)的膨潤土泥漿通常是由膨潤土、純堿、水以及聚合高分子添加劑按一定比例組成[1]，而通常膨潤土的含量在5%左右。傳統(tǒng)的膨潤土泥漿加水?dāng)嚢韬髸纬蓱覞嵋?，?dāng)懸濁液靜止時，會變成膠凝體。當(dāng)漿液被攪拌、振動或泵送時，會轉(zhuǎn)變成具有較強(qiáng)流動性的膠狀液體[2]。

由于傳統(tǒng)的膨潤土泥漿流動性好，因此可以利用較長的管道系統(tǒng)輸送，但也正由于其高流動性，將其注入管壁外地層后，消散速度快。因此，頂管工程中要注意后續(xù)補漿，同時推進(jìn)不易暫停過長，一旦停滯時間過長，管壁外形成的泥漿套易消散，導(dǎo)致重新啟動時頂力過大。

喻軍和李元海[3]通過實驗發(fā)現(xiàn)，膨潤土含量的提高可以有效降低漿液流動時的摩擦系數(shù)；王福芝等[4]通過調(diào)整潤滑泥漿中膨潤土的含量來研究其性能。實驗發(fā)現(xiàn)：在一定范圍內(nèi)，膨潤土含量越高，泥漿的流動性越差，但失水性越小。泥漿失水正是其失去潤滑減摩效用的主要原因之一。受此啟發(fā)，作者通過提高膨潤土在泥漿中的比例，配制出一種高濃度膨潤土泥漿（俗稱“厚漿”），并成功運用到實際工程之中。

高濃度膨潤土泥漿的具體配比見表1。

表1 高濃度膨潤土泥漿配比

該泥漿通過砂漿攪拌機(jī)充分拌和，坍落度控制在100～130 mm，拌和后的具體形態(tài)如圖1所示。

為了改善泥漿性能，泥漿中還摻入少量聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺是一種高分子聚合物，能夠減少液體之間的摩擦阻力，同時由于聚合物的高分子長鏈結(jié)構(gòu)能夠和膨潤土顆粒結(jié)合，形成一張網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)充填在膨潤土顆粒之間，使得漿液更具有絮凝性。當(dāng)漿液于先前開挖土體留在泥漿中的土顆粒結(jié)合起來時，能夠更好地堵塞大顆粒之間的空隙，使得膨潤土漿液具有良好的填補和支撐機(jī)頭超挖區(qū)域的作用[1]。

圖1 高濃度膨潤土泥漿

2 高濃度膨潤土在大直徑管道中的應(yīng)用

注漿減摩工藝由日本傳入中國。傳統(tǒng)的注漿孔布置如圖2所示，平均分散在管道內(nèi)壁的4個方向。對于早期的頂管管道而言，由于管道直徑比較小，所以這種注漿方式能夠有效地在管道外壁形成良好的泥漿套，達(dá)到減摩的效果。但現(xiàn)代工程中管道直徑不斷擴(kuò)大，如上海白龍港片區(qū)污水治理南線工程已經(jīng)達(dá)到D N4000[5]。對于大直徑的管道而言，通過這種注漿方式，泥漿很難達(dá)到管道頂部，即圖2中的A區(qū)域。同時，由于重力作用，在管道頂部和中上部的泥漿很難停留，會順著管道外壁往下流，最終大部分的漿液會聚積在管道底部B區(qū)域。這樣由于管道上部A區(qū)缺少泥漿，導(dǎo)致管道外壁于土層直接擠壓接觸，極易引發(fā)機(jī)頭上方“背土”現(xiàn)象發(fā)生，直接導(dǎo)致上方土層損失嚴(yán)重，引發(fā)地表沉降。同時，由于管道上方無法有效形成良好的泥漿套，導(dǎo)致頂力過大。

圖2 大直徑管道中傳統(tǒng)膨潤土泥漿的聚積效應(yīng)

針對傳統(tǒng)泥漿在大直徑管道中的缺陷，利用高濃度膨潤土泥漿可以有效解決。具體方法是在管道頂部增設(shè)高濃度膨潤土注漿孔。由于高濃度漿液流動性差，所以可以有效滯留在管道頂部，同時該漿液可以和傳統(tǒng)泥漿相結(jié)合，配合管道下方注射的傳統(tǒng)泥漿，能夠在大直徑管道外壁周圍形成良好的泥漿套，防止管道頂部“背土”、底部“積漿”的現(xiàn)象發(fā)生。

3 高濃度泥漿在復(fù)頂過程中的應(yīng)用

頂管工程在頂進(jìn)過程中很難做到連續(xù)頂進(jìn)，中途可能因各種突發(fā)情況而暫停，如管道內(nèi)部滲水、洞口滲漏、管道測量、機(jī)頭故障等。管道暫停之后，重新啟動復(fù)頂時，往往會發(fā)現(xiàn)主頂油缸的頂力過大，而主頂力過大，往往會導(dǎo)致液壓缸溫度過高而出現(xiàn)故障，甚至高于設(shè)計頂力而超過管道設(shè)計強(qiáng)度。造成該問題的主要原因是由于傳統(tǒng)泥漿失水性大，在暫停頂進(jìn)后，失去運動作用，泥漿消散到周圍地層中。

作者發(fā)現(xiàn)，高濃度膨潤土泥漿失水性低，管道暫停頂進(jìn)后，仍能夠保持管道外圍泥漿套的潤滑性。復(fù)頂后，主頂力提升幅度小，能夠有效緩解復(fù)頂后頂力激增的現(xiàn)象。

結(jié)合白龍港南線輸送干線SS T1.2標(biāo)過江管W1-W2段實際工程，將工程前期未采用和工程后期采用高濃度泥漿的兩種工況的1號中繼間復(fù)頂后頂力變化進(jìn)行對比，如圖3所示。

圖3 復(fù)頂后頂力變化

圖3（a）中，管道于5月23日暫停頂進(jìn)一天，隨后恢復(fù)頂進(jìn)，但未采用高濃度泥漿，頂力從487 t升至779 t，復(fù)頂后頂力提升60.40%；圖3（b）中管道于9月15日暫停頂進(jìn)一天，隔天恢復(fù)頂進(jìn)后，頂力從502 t提升至633 t，頂力僅提升26.09%。

4 高濃度膨潤土漿液在下坡頂進(jìn)時的應(yīng)用

對于越江管道工程，由于要穿越江河橫斷面，因此頂管在出洞和進(jìn)洞時往往會有較大的坡度。在大坡度下坡頂進(jìn)時，由于重力作用傳統(tǒng)膨潤土漿液會順坡度流向前方機(jī)頭，造成機(jī)頭下方積聚大量漿液（見圖4），從而使機(jī)頭上浮，使機(jī)頭頂端與地層擠壓過大，從而引發(fā)“背土”現(xiàn)象。采用高濃度膨潤土漿液，可以有效緩解該現(xiàn)象。由于其流動性低，不會大量積聚在機(jī)頭下方，同時還具有一定的隔斷效用，可以組織密度低的漿液繼續(xù)流向前方機(jī)頭處。

圖4 下坡頂進(jìn)泥漿積聚在機(jī)頭下方

5 高密度膨潤土漿液缺陷

高密度膨潤土在大口徑越江管道中能夠發(fā)揮特殊功效，但相比于傳統(tǒng)漿液而言，也有其自身的缺陷。由于其摻入膨潤土的比例顯著增大，因此對膨潤土材料的消耗也隨之增大，因此在工程預(yù)算上需注意。高密度膨潤土并非完全取代傳統(tǒng)膨潤土的作用，往往是在特定情況下，二者聯(lián)合使用，相互彌補自身的不足，從而發(fā)揮更好的效用。由于高密度膨潤土的流動性差，因此無法像傳統(tǒng)膨潤土泥漿一樣采用長距離的管道系統(tǒng)進(jìn)行輸送。在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，高濃度膨潤土漿液在一般泥漿管道中的運輸距離不會超過20 m，因此在泥漿運輸和注射時很不方便。在白龍港南線輸送缸線SS T1.2標(biāo)過江管實際工程中，在管道內(nèi)部配置高濃度漿液，現(xiàn)場攪拌，并利用高壓土砂泵，連接高壓油管直接打入注漿孔，高壓油管長度不宜超過2 m，不然壓力損失過大，影響高濃度泥漿的注射效果。

6 結(jié)論

高濃度膨潤土漿液在大直徑越江管道中可以發(fā)揮獨特的作用。由于其流動性低、失水性小的特點，可以彌補傳統(tǒng)漿液的不足。通過與傳統(tǒng)漿液的聯(lián)合使用，在大口徑管道中完整泥漿套的形成、減緩復(fù)頂頂力、降低下坡頂進(jìn)機(jī)頭泥漿積聚現(xiàn)象中，能夠發(fā)揮良好的效用，有效解決了頂管工程中的諸多難題。同時，其自身造價高、運輸條件差的缺陷也值得關(guān)注。

[1]魏綱,徐日慶,邵劍明,等.頂管施工中注漿減摩作用機(jī)理的研究[J].巖土力學(xué),2004(6):930-934.

[2]余彬泉,陳傳燦.頂管施工技術(shù)(第一版)[M].北京:人民交通出版社,1998.

[3]喻軍,李元海.頂管泥漿套的物理性質(zhì)對頂推力的影響[J].土木工程學(xué)報,2015(S2):327-331.

[4]王福芝,曾聰,孔耀祖.大直徑長距離頂管潤滑泥漿方案研究[J].地質(zhì)科技情報,2016(2):49-52.

[5]朱煒.上海市白龍港片區(qū)污水治理南線工程簡介[J].科技信息, 2013(17):449-450.

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1009-7716（2017）06-0205-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.061

2017-04-05

呂品（1982-），男，遼寧大連人，工程師，從事給排水管道施工管理工作。