沙漠地區(qū)大直徑頂管施工護(hù)壁減阻漿液研究與應(yīng)用

張 闖， 隆 威， 李建中， 盧一飛

(1.有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083; 2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083; 3.深圳市建筑科學(xué)研究院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

目前我國(guó)石油天然氣能源、水資源需求急劇增長(zhǎng)，石油、天然氣、水資源輸送管道工程項(xiàng)目日益增多，如西氣東輸、川氣東送、南水北調(diào)等，許多管道不可避免穿越沙漠地區(qū)[1]。作為非開挖技術(shù)[2-6]的主要方法之一的頂管法[7-11]應(yīng)用越來越普遍。在頂管施工中，為減小頂進(jìn)時(shí)管外壁所受的摩擦阻力需進(jìn)行注漿減阻。泥漿材料多采用合成材料和高效處理劑，有利于提高泥漿的護(hù)壁減阻性能[12]。Khazaei[13]通過FLAC3D進(jìn)行了注漿減阻模擬，研究其減阻效果，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。Shimada[14]通過建立2D有限元模型，分析了漿液在隧道中的填充及減摩作用。Kastner與Pellet[15]通過分析整理法國(guó)微型隧道工程現(xiàn)場(chǎng)記錄的各種數(shù)據(jù)，對(duì)頂管頂進(jìn)中側(cè)摩阻力所受的影響進(jìn)行了研究。K. Shou, J. Yen, M. Liu[16]研究了潤(rùn)滑油對(duì)泥漿的影響。James C. Ni , Louis Ge , Wen-Chieh Cheng[17]通過分析影響頂管頂力的因素主要來自表面壓力的穿透阻力和管道與周圍土壤的摩擦阻力，研究了粗、細(xì)泥漿對(duì)頂管頂進(jìn)中減小阻力的作用。Saeid Khazaei, Hideki Shimada, Kikuo Matsui[18]進(jìn)行了泥漿對(duì)頂管推力影響的分析與預(yù)測(cè)。喻軍、李元海[19]等研究了泥漿套的物理性質(zhì)及減阻效果。魏剛、徐日慶[20]等研究了頂管施工中注漿減阻作用機(jī)理。但是鮮有人研究應(yīng)用于沙漠地區(qū)大直徑頂管施工注漿護(hù)壁減阻材料。

沙漠地區(qū)地層穩(wěn)定性差，砂土呈松散、流動(dòng)態(tài)，無粘性，摩阻力大。長(zhǎng)距離大直徑頂管施工時(shí)間長(zhǎng)、難度大，護(hù)壁與減阻漿液性能要求高，漿液長(zhǎng)距離輸送壓力損失大，作用效果不理想，頂管施工時(shí)極易造成地層垮塌埋管，頂管阻力急劇增加導(dǎo)致頂進(jìn)失敗[21]。根據(jù)諸多頂管工程施工案例和技術(shù)資料[22-25]可知，沙漠地區(qū)大直徑頂管順利頂進(jìn)的關(guān)鍵是漿液應(yīng)具有較好的潤(rùn)滑減阻和成套護(hù)壁作用。本文正是基于這一關(guān)鍵問題，開展室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究，研發(fā)出了適合沙漠地區(qū)頂管的新型護(hù)壁減阻漿液，采用高嶺土聚合物漿液作為機(jī)頭同步注漿漿液，無粘土高聚物漿液作為沿線跟進(jìn)補(bǔ)漿漿液，注漿系統(tǒng)也將由同步注漿系統(tǒng)和跟進(jìn)補(bǔ)漿系統(tǒng)組成，形成同步和跟進(jìn)兩套注漿工藝。同步注漿漿液在潤(rùn)滑減阻的基礎(chǔ)上主要突出成套護(hù)壁作用，而跟進(jìn)補(bǔ)漿漿液主要突出潤(rùn)滑減阻特性，從而使?jié)櫥瑴p阻漿液系統(tǒng)達(dá)到最佳的潤(rùn)滑和護(hù)壁作用。研發(fā)的新型護(hù)壁減阻漿液應(yīng)用于內(nèi)蒙古烏蘭布和沙漠穿沙輸水項(xiàng)目7～9號(hào)頂段，是國(guó)內(nèi)外首例沙漠地區(qū)大直徑頂管工程。該研究提升了沙漠地區(qū)頂管工程關(guān)鍵技術(shù)、解決了護(hù)壁與減阻問題，而且將極大地推動(dòng)頂管工程的快速發(fā)展，進(jìn)而提升城市基建在地下空間的發(fā)展速度和石油天然氣能源、水資源的開發(fā)利用效率，具有極大的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

1 護(hù)壁減阻漿液作用機(jī)理

頂管工程中，頂管機(jī)在地層中進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，其掘進(jìn)過程中會(huì)引起管壁周圍土體擾動(dòng)，導(dǎo)致四周土體松散。嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生頂進(jìn)路線上方出現(xiàn)路面塌陷的情況，造成安全隱患。且頂管工程中管壁與周邊土體間摩阻力過大也會(huì)引起施工過程中效率降低，工期變長(zhǎng)。注漿工藝在頂管工程中是必不可少的一環(huán)。在管道頂進(jìn)中注入護(hù)壁堵漏漿液，漿液能在管壁與開挖面土層之間形成密閉良好的泥漿套，一方面起到護(hù)壁堵漏作用，漿液滲入到管壁四周土層后膠結(jié)，使頂進(jìn)面穩(wěn)定性增加，降低周邊土體的變形量，減輕土體因擾動(dòng)導(dǎo)致地面塌陷的可能性，達(dá)到改善周邊土層穩(wěn)定性的效果。另一方面則是達(dá)到潤(rùn)滑減阻的作用，通過機(jī)頭同步注漿所注入的護(hù)壁堵漏漿液有效地改善不良地層漿液漏失嚴(yán)重的情況，使得后續(xù)的跟進(jìn)補(bǔ)漿潤(rùn)滑減阻漿液有效地作用于管壁與泥漿套之間，保證管壁與土體間的空隙能夠充滿漿液。由于漿液的存在使得原本管道頂進(jìn)過程中管壁與土體之間直接存在的干摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)楣鼙谂c潤(rùn)滑漿液之間的濕摩擦，顯著減小了管道頂進(jìn)中的摩擦阻力。

2 漿液室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

材料：高嶺土、NaOH、羧甲基纖維素CMC、聚丙烯酰胺(PAM 2000萬分子量)。

儀器：漏斗粘度計(jì)、ZNN-D6型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、ZNS型泥漿失水量測(cè)定儀。

2.2 漿液配比實(shí)驗(yàn)

2.2.1 機(jī)頭同步注漿漿液：高嶺土聚合物漿液

由高嶺土、NaOH、羧甲基纖維素(CMC)按一定配比配制，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)要求，得出同步注漿膏狀漿液配方。

不同NaOH加量對(duì)漿液的性能影響見表1。

由圖1、圖2可知，漿液漏斗粘度及動(dòng)切力隨著NaOH加量的增加而呈上升趨勢(shì)，加量越大上升的速率越快即上升幅度越大。根據(jù)圖表分析，數(shù)值在NaOH 加量為0.2%以后陡然增加，上升的幅度特別大，故NaOH加量取0.2%。

不同高嶺土及不同CMC加量對(duì)漿液的性能影響見表2。

通過表2中數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，17.5%高嶺土和20%高嶺土加量時(shí)漿液的性能較好，而17.5%高嶺土+0.04%CMC與20%高嶺土+0.01%CMC流變性能相近，區(qū)別在于所配的漿液中高嶺土含量的多少以及失水量的大小。由圖3、圖4可知，高濃度高嶺土漿液的漏斗粘度、動(dòng)切力隨CMC加量增加而變大，從17.5%高嶺土曲線可以看出，漏斗粘度隨CMC加量的增加上升趨勢(shì)明顯，24 h預(yù)水化后0.04%CMC加量的漿液漏斗粘度已經(jīng)超過了300 s。CMC具有明顯的增粘效果。

表1 不同NaOH加量的漿液性能測(cè)試

圖1 漏斗粘度變化曲線

圖2 動(dòng)切力變化曲線

試驗(yàn)編號(hào)基 漿 配 方高嶺土/%NaOH/%漏斗粘度/s塑性粘度/(mPa·s)動(dòng)切力/mPa表觀粘度/(mPa·s)流性指數(shù)稠度指數(shù)1(+0.05%CMC)12.00.220.066.338.510.150.5360.2471(24 h)12.00.223.568.841.012.900.6020.1992(+0.05%CMC)15.00.240.5310.572.517.750.5060.5332(24 h)15.00.264.1813.092.522.250.4980.7033(+0.05%CMC)17.50.2207.4315.5217.537.250.3373.6173(24 h)17.50.2>30017.0272.544.250.3085.2454(+0.04%CMC)17.50.2107.4116.0180.034.000.3872.3274(24 h)17.50.2>30017.0240.041.000.3354.0185(+0.03%CMC)17.50.284.5613.5185.032.000.3422.9965(24 h)17.50.2258.0018.5220.040.500.3743.0326(+0.025%CMC)17.50.268.1613.0165.029.500.3592.4506(24 h)17.50.2109.3518.0200.038.000.3902.5487(+0.015%CMC)20.00.2170.0015.5220.037.500.3343.7067(24 h)20.00.2>30019.5325.052.000.3006.5238(+0.01%CMC)20.00.2115.5018.0187.536.750.4052.2208(24 h)20.00.2164.8218.5227.541.250.3663.258

圖3 漏斗粘度變化曲線

圖4 動(dòng)切力變化曲線

由圖5和圖6可知，漿液流性指數(shù)隨高嶺土、CMC加量增加而下降，稠度指數(shù)則隨之上升。護(hù)壁漿液在堵漏性能上的要求較高，漿液擁有一定的稠度利于形成致密的泥漿套，但考慮到漿液從地表注入至地層中的輸送過程，對(duì)漿液的流性指數(shù)也有一定的要求。若是漿液過稠，護(hù)壁漿液容易在輸送至遠(yuǎn)端時(shí)漿液流動(dòng)緩慢，泵入困難，導(dǎo)致泵壓增大。

圖5 流性指數(shù)變化曲線

圖6 稠度指數(shù)變化曲線

不同高嶺土及不同CMC加量對(duì)漿液失水量和漿液狀態(tài)的影響見表3。

由表3可知，失水量隨著CMC加量增加而減小，因此在高濃度高嶺土漿液中CMC具有良好的降失水作用。在進(jìn)行漿液配比試驗(yàn)過程中對(duì)高嶺土加量和CMC加量進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到讓漿液在靜止后趨向于凍膠狀態(tài)，使?jié){液粘度不會(huì)過高而影響漿液的可泵性。泥皮厚度隨高嶺土加量增加而增加，CMC加量對(duì)泥皮厚無影響。

表3 不同高嶺土及不同CMC加量的漿液失水性測(cè)試

通過以上試驗(yàn)得出最優(yōu)機(jī)頭同步注漿漿液配方：17.5%高嶺土+ 0.025%CMC+0.2%NaOH+100%水。

此配方漿液性能參數(shù)：漏斗粘度68.16 s、塑性粘度13 mPa·s、動(dòng)切力165 mPa、表觀粘度29.5 mPa·s、流性指數(shù)0.359、稠度指數(shù)2.45、失水量9.3 mL、漿液狀態(tài)為凍膠狀。

配制方法：加水60%～80%攪拌下加入高嶺土及NaOH攪拌20 min，加入余量水繼續(xù)攪拌10 min，慢慢撒粉方式加入羧甲基纖維素(CMC)，攪拌20 min。

2.2.2 沿線跟進(jìn)補(bǔ)漿漿液：無粘土聚合物漿液

由純聚丙烯酰胺(PAM 2000萬分子量)配制，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)要求，得出同步注漿膏狀漿液配方。

PAM 2000萬分子量純漿液流變性見表4。

從圖7～10可知，PAM(2000萬分子量)純?nèi)芤郝┒氛扯?、?dòng)切力、稠度指數(shù)隨PAM加量增加而上升，流性指數(shù)隨之下降。其中流性指數(shù)在0.25%的PAM配比下達(dá)到試驗(yàn)最高值，沿線跟進(jìn)補(bǔ)漿漿液主要突出潤(rùn)滑減阻特性，因此選此PAM配比為無固相聚合物漿液優(yōu)化配方。由表4可知，漿液失水量隨PAM加量的增加而減小，可以得出PAM具有降失水的作用。

通過以上試驗(yàn)得出最優(yōu)沿線跟進(jìn)補(bǔ)漿漿液配方：0.25%PAM(2000萬分子量)+100%水。

此配方漿液性能參數(shù)：漏斗粘度124.5 s、塑性粘度25 mPa·s、動(dòng)切力25 mPa、表觀粘度27.5 mPa·s、流性指數(shù)0.874、稠度指數(shù)0.064、失水量14.4 mL。

配制方法：加水60%～80%攪拌下慢慢撒粉方式加入PAM(2000萬分子量)攪拌40 min，加入余量水?dāng)嚢? min。

表4 PAM 2000萬分子量純漿液流變性測(cè)試

圖7 漏斗粘度變化曲線

圖8 動(dòng)切力變化曲線

圖9 流性指數(shù)變化曲線

圖10 稠度指數(shù)變化曲線

高濃度高嶺土聚合物漿液在流沙地層中主要起到改善砂層的不穩(wěn)定性，以高濃度高嶺土填充不良地層中的孔隙，提高漿液護(hù)壁堵漏的性能，形成完整的護(hù)壁泥漿套。這是降低后續(xù)跟進(jìn)補(bǔ)漿漿液漏失，充分發(fā)揮潤(rùn)滑減阻性能作用的關(guān)鍵。無粘土聚合物漿液跟進(jìn)補(bǔ)漿通過在管道外壁設(shè)置的注漿孔注入到地層與管道之中，主要起到潤(rùn)滑管道，降低管道與地層之間的側(cè)摩阻力，控制頂力增長(zhǎng)的作用。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

本工程為烏蘭布和生態(tài)沙產(chǎn)業(yè)示范區(qū)巴音湖輸水穿沙管道工程，工程地點(diǎn)位于烏蘭布和巴音湖南側(cè)。巴音湖輸水穿沙管線是烏蘭布和生態(tài)沙產(chǎn)業(yè)示范區(qū)輸水工程的關(guān)鍵管線，管線采用DN3000單管供水，由烏蘭湖接出，從南向北穿越烏蘭布和沙漠帶，終點(diǎn)接至巴音湖。線路全長(zhǎng)1.52 km，共設(shè)臨時(shí)頂管井5座，其中工作井2座、接收井3座，將全長(zhǎng)分為1個(gè)250 m長(zhǎng)的試驗(yàn)段和3個(gè)423.3 m長(zhǎng)的頂段(參見圖11)。本文所研究的漿液用于7～9號(hào)頂段。頂管工程管材采用特種F型鋼承口鋼筋混凝土管，頂管全長(zhǎng)1520 m。每段頂管工程量見表5。

表5 頂管工程數(shù)量

施工區(qū)主要以第四系中更新統(tǒng)沖基層(Q2el)為主，自上而下土層主要為：松散粉砂層、稍密粉砂層、中密粉砂層，中密粉砂層中存在部分粉土層和圓礫層，其中圓礫層巖性為級(jí)配不良礫，中密，一般粒徑1.00～2.00 cm，最大可見粒徑約4.00 cm。管道所處標(biāo)高為1071～1072m，地層變化不大，為稍密-中密粉砂土。根據(jù)地勘報(bào)告所示，本次頂管施工范圍內(nèi)未見地下水，且井底四周有鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁加固土體，可不考慮地下水的影響。根據(jù)附近地下水資料參考，地下水為大概位于管道底部2 m位置。

圖11施工總平面布置圖

3.2 注漿方法

該工程應(yīng)用了同步注漿和跟進(jìn)補(bǔ)漿的方法。

同步注漿就是在管道頂進(jìn)過程中將護(hù)壁漿液通過機(jī)頭處設(shè)置的注漿孔注入到開挖地層中，頂進(jìn)前即開始注入，并且在頂進(jìn)中持續(xù)注入，達(dá)到護(hù)壁漿液能在管道頂進(jìn)過程中提前滲入周邊地層對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行改良形成穩(wěn)定泥漿套。

跟進(jìn)補(bǔ)漿則是通過在管道外壁設(shè)置的注漿孔注入到地層與管道之中，主要起到潤(rùn)滑管道，降低管道與地層之間的側(cè)摩阻力，控制頂力增長(zhǎng)的效果。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.3.1 頂力變化分析

通過現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用中對(duì)頂力數(shù)據(jù)的反饋統(tǒng)計(jì)，對(duì)7～4號(hào)頂段、7～9號(hào)頂段進(jìn)行頂力變化趨勢(shì)圖的繪制(見圖12、圖13)。7～4號(hào)頂段機(jī)頭同步注漿采用13%膨潤(rùn)土+0.15%CMC + 0.2%NaOH+100%水，跟進(jìn)補(bǔ)漿采用0.45%PHP+100%水。7～9號(hào)頂段采用了本文漿液方案，對(duì)兩個(gè)頂段進(jìn)行對(duì)比分析。

7～9號(hào)頂段前25 m未進(jìn)行注漿作業(yè)，25 m后開始注漿，機(jī)頭同步注漿配比為17.5%高嶺土+0.025%CMC+0.2%NaOH+100%水。根據(jù)頂力變化數(shù)據(jù)及注漿情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)記錄確定泥沙層廣泛分布在64～110 m段以及185～253 m段，粘土層分布于110～185 m段，其余為干流沙地層。由圖13可知，頂力在粘土段明顯高于附近頂段中的泥沙層，分析得出粘土段中頂管頂進(jìn)過程中的正面阻力遠(yuǎn)大于泥沙層。頂力在整個(gè)頂進(jìn)過程中比較平穩(wěn)。

圖12 7～4號(hào)頂段頂力變化趨勢(shì)圖

圖13 7～9號(hào)頂段頂力變化趨勢(shì)圖

對(duì)比圖12、圖13頂力變化趨勢(shì)可知，7～4號(hào)頂段后程中出現(xiàn)了頂力波動(dòng)、不穩(wěn)定現(xiàn)象，而7～9號(hào)頂段中采用了高濃度高嶺土護(hù)壁漿液配合跟進(jìn)潤(rùn)滑漿液，頂力得到明顯控制。在泥沙層中頂力維持在6000 kN左右，粘土層中維持在8000 kN左右，干流沙地層中頂力曲線平穩(wěn)上漲。

3.3.2 注漿量監(jiān)測(cè)分析

通過現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用中對(duì)注漿量的監(jiān)測(cè)，對(duì)7～4號(hào)頂段、7～9號(hào)頂段進(jìn)行注漿量變化趨勢(shì)圖的繪制(見圖14、圖15)。對(duì)兩個(gè)頂段進(jìn)行對(duì)比分析。

圖14 7～4號(hào)頂段頂管注漿量變化圖

圖15 7～9號(hào)頂段頂管注漿量變化圖

由圖15可知，7～9號(hào)頂段中同步注漿量在頂進(jìn)過程中趨于平穩(wěn)狀態(tài)，變化不大。而跟進(jìn)補(bǔ)漿量則隨著頂距的增長(zhǎng)而上升，由于潤(rùn)滑漿液需要及時(shí)補(bǔ)充管道與地層間的空隙，達(dá)到減小管壁與砂層間摩擦力的效果，隨著頂距增長(zhǎng)而上升的跟進(jìn)補(bǔ)漿量屬于合理情況。

對(duì)比圖14、圖15注漿量變化趨勢(shì)可知，7～4號(hào)頂段中跟進(jìn)補(bǔ)漿在后程出現(xiàn)注漿量異常增大的情況，同時(shí)該頂段頂力也在后程出現(xiàn)波動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。根據(jù)分析，跟進(jìn)潤(rùn)滑漿液注漿量異常是由于同步護(hù)壁漿液護(hù)壁效果不佳導(dǎo)致潤(rùn)滑漿液出現(xiàn)漏失而造成的。跟進(jìn)補(bǔ)漿日注漿量在10 m3以上波動(dòng)，峰值達(dá)到了18 m3。而7～9號(hào)頂段采用了本文針對(duì)流沙地層而研制的高濃度高嶺土護(hù)壁堵漏漿液有很好的護(hù)壁效果，跟進(jìn)漿液注漿量隨頂距增長(zhǎng)而穩(wěn)定上升，前期日注漿量保持在4 m3左右，后期保持在8 m3。

通過頂段7～4號(hào)與頂段7～9號(hào)頂力變化和注漿量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，本文針對(duì)流沙地層所研制的護(hù)壁減阻漿液在實(shí)際工程應(yīng)用中得到了顯著的效果，有效地控制了頂進(jìn)過程中頂力的穩(wěn)定，降低了漿液在不良砂層中漏失嚴(yán)重的情況，研制的漿液具有很好的實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)論

(1)研發(fā)了適合沙漠地層頂管的新型護(hù)壁減阻漿液。根據(jù)室內(nèi)漿液性能測(cè)試數(shù)據(jù)以及該工程地質(zhì)條件，得到護(hù)壁減阻漿液的最優(yōu)配方為，機(jī)頭同步注漿漿液配方17.5%高嶺土+0.025%CMC+0.2%NaOH+100%水；沿線跟進(jìn)注漿漿液配方0.25%PAM(200萬分子量)+100%水。

(2)整個(gè)注漿系統(tǒng)由同步注漿和跟進(jìn)補(bǔ)漿兩部分組成。同步注漿采用高濃度高嶺土聚合物漿液為注漿材料，以成套護(hù)壁為主要目的；跟進(jìn)補(bǔ)漿采用無粘土高聚物漿液為注漿材料，以潤(rùn)滑減阻為主要目的。兩套注漿系統(tǒng)相輔相成，使得流沙地層頂管工程注漿技術(shù)發(fā)揮出護(hù)壁減阻雙重效果，保障管道頂進(jìn)的順利完工。

(3)高嶺土聚合物漿液和無粘土聚合物漿液都屬于假塑性流體，具有很好的紊流減阻特性，解決了長(zhǎng)距離頂管漿液輸送難題。高濃度高嶺土聚合物漿液具有良好的護(hù)壁堵漏、保護(hù)孔壁穩(wěn)定、失水量低特性，無粘土聚合物漿液具有良好潤(rùn)滑減阻性能，這些特性為流沙這一類高漏失性地層頂管工作的順利進(jìn)行提供了有力的保障。

(4)研發(fā)的頂管施工注漿護(hù)壁減阻材料在工程應(yīng)用中取得了顯著的成果，改善了流沙地層頂管項(xiàng)目中漿液漏失嚴(yán)重、頂力變化不穩(wěn)定的狀況，有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。