渣土改良與膨潤土泥漿在粉質(zhì)地層頂管施工中的應(yīng)用

郭淑瑩

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350)

頂管法施工憑借其不中斷道路交通、結(jié)構(gòu)斷面靈活且施工成本相比盾構(gòu)法低的優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于市政給排水、電力、過街通道工程，以及地下綜合管廊工程。然而頂管穿越粉質(zhì)土、砂土、圓礫、卵石等地層很容易形成小范圍坍塌，出土困難，土壓艙土壓力波動敏感，造成土壓艙與工作面之間的土壓力難以保持動態(tài)平衡，容易造成泥餅、噴涌或閉塞，甚至導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)坍塌[1]。因此，非常有必要通過渣土改良來提高開挖渣土的流動性和塑性，提高隧洞開挖掌子面穩(wěn)定性，更好地控制地層。王傳良[2]等通過試驗研制砂土改良劑，利用改良后渣土的坍落度、直剪與壓縮試驗，評價了掌子面渣土的改良效果。陳偉[3]以管廊施工為依托，總結(jié)了土壓平衡矩形頂管施工的土體改良泥漿制備和注漿技術(shù)。許有俊[4]等針對內(nèi)蒙古科技大學(xué)地下通道砂性土地層，優(yōu)化了頂管施工土體改良方案，有效地控制地表變形。

本文針對粉質(zhì)地層輸水管線頂管施工，通過改良試驗配置礦物類改良劑，提高了開挖面的穩(wěn)定性，并在頂進(jìn)施工中注入一定量的觸變(潤滑)泥漿，將干摩擦轉(zhuǎn)化為液體摩擦[5]，發(fā)揮了潤滑劑的作用，加快了頂進(jìn)速度。

1 工程概況

1.1 設(shè)計情況

天津市濱海新區(qū)供水二期工程輸水管線穿越北塘水庫頂管施工，采用外徑為DN2250的雙排管進(jìn)行鋪設(shè)，A管施工里程為A34+975.99-A35+645.99，B管施工里程為B34+976.86-B35+646.86，長度均為670 m。

1.2 工程地質(zhì)

圖1 地質(zhì)及頂管剖面

1.3 施工方法

土壓平衡頂管法工作坑位置降水，地面沉降容易控制，對地面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響小，頂管速度快(平均頂進(jìn)速度為10 m/d)，適用于大部分地質(zhì)。

2 渣土改良技術(shù)

2.1 改良漿液配制

配置步驟：①在施工場地取與頂進(jìn)區(qū)間地質(zhì)條件相同的土體。②分別做膨潤土與水的配比、膨潤土漿液與土體的配比[6]。③根據(jù)配比配制土體改良液，注入頂管機(jī)頭內(nèi)試出土。④根據(jù)實際出土效果調(diào)整泥材料摻入量得出最佳配比。⑤配置改良液時，應(yīng)根據(jù)實際地質(zhì)情況適當(dāng)加入濃泥。

2.2 確定改良漿液配合比

目前使用的改性材料主要包括高吸水性樹脂材料、礦物類材料，纖維類、多糖類、負(fù)離子類材料和表面活性材料、硅溶膠等四類，幾種材料特性見表1。本工程擬采用礦物類改良劑，其主要材料為膨潤土，通過試驗確定初始配合比膨潤土∶粘土∶水=98∶392∶812(kg)，以指導(dǎo)施工。加入改良劑后配成的漿液應(yīng)具有較大稠度，要求C型粘度計值在8 000～10 000，比重在1.30～1.50，泥漿的注入量在15%～30%。

表1 改良材料特性

最佳配合比必須根據(jù)螺旋輸送機(jī)排土狀況確定。泥土倉內(nèi)的泥土經(jīng)過攪拌后具有良好的可塑性、流動性和止水性，可使土倉內(nèi)的壓力處于平衡狀態(tài)。

3 管環(huán)外減阻技術(shù)

在頂進(jìn)時，將一定量的減阻泥漿通過管節(jié)預(yù)埋注漿孔注入管道外壁，在管道外圍形成泥漿環(huán)套，可以減少土層與管節(jié)外壁之間的摩擦力，從而減小頂進(jìn)頂力[7]。為便于頂進(jìn)時跟蹤注漿，在工具管尾部沿環(huán)向均勻布置4個注漿孔，其后每2～3節(jié)中管節(jié)上預(yù)埋注漿孔(見圖2)。除工具管和隨后的3節(jié)管節(jié)外，在注漿主管上每6 m安裝一個三通，采用注漿軟管使其與注漿孔連接。

圖2 管節(jié)預(yù)留的注漿孔

為形成完整有效的泥漿環(huán)套，頂進(jìn)時工具管尾部的注漿孔應(yīng)及時跟蹤壓漿。根據(jù)施工時的具體情況，確定管節(jié)上的注漿孔補壓漿的次數(shù)及注漿量。

膨潤土泥漿的組成主要有膨潤土、粉末化學(xué)漿糊(CMC)、純堿和水，所有材料按比例組成，是頂管施工最常用的一種注漿材料[8]。膨潤土泥漿的觸變性有助于在管道穿越地層時形成減阻劑，在靜止?fàn)顟B(tài)下通過粘液減阻作用形成凝膠支撐層。

3.1 管節(jié)外涂蠟

頂管節(jié)吊裝下井前，預(yù)制管節(jié)外壁四周應(yīng)涂蠟烘烤，方便頂管節(jié)的頂管施工[9]。

3.2 確定觸變泥漿配比

觸變泥漿按擬定配合比進(jìn)行現(xiàn)場試驗并根據(jù)實際使用情況調(diào)整，不同地層配合比不同。施工時，應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程攪拌觸變性泥漿，做到漿液不沉淀、不失水、不固結(jié)，攪拌后的泥漿具有一定的粘度和良好的流動性[10]。觸變泥漿配合比為：膨潤土∶水∶CMC=400∶850∶2.5(kg)，其相關(guān)指標(biāo)如表2所示。

表2 觸變泥漿指標(biāo)

地面注漿系統(tǒng)包括拌漿筒、儲漿池、注漿泵、液位計、主管、支管、球閥、止逆閥、壓力表及管道等組成，發(fā)酵后的觸變泥漿使用注漿泵注入管節(jié)壁后。

3.3 注入觸變泥漿

3.4 注漿施工

頂管注漿系統(tǒng)由機(jī)頭同步注漿和管道補漿組成[11]。機(jī)頭同步注漿采用地面液壓注漿泵通過?50 mm管路壓送到機(jī)頭儲箱內(nèi)，再由螺桿泵定量注入機(jī)頭殼體。在機(jī)頭處安裝隔膜壓力表，以檢驗注漿液是否到達(dá)指定位置[12]，并在注漿孔內(nèi)設(shè)置單向閥和球閥。每間隔2個管節(jié)設(shè)1處補漿斷面(4個注漿孔)，由總管壓送補漿至各補漿斷面上的注漿孔。補漿應(yīng)按順序依次定量注入，每班不少于2個循環(huán)。

合理的注漿壓力表現(xiàn)為漿液順利注入管段外壁，且不嚴(yán)重擾動地層。如果注漿壓力過高，將對管接頭周圍的土壤形成劈裂效應(yīng)，造成泥漿流失、冒漿，從而導(dǎo)致地面隆起。若注漿壓力過低，泥漿無法填補管節(jié)與周圍土壤之間的空隙，難以形成泥漿環(huán)套，難以實現(xiàn)預(yù)期的注漿效果。因此，實際施工中的注漿壓力應(yīng)略大于注漿現(xiàn)場的靜土壓力和地下水壓力之和。

4 結(jié)論與建議

針對粉質(zhì)地層頂管隧洞施工，通過配置改良液改良土體，渣土流動塑性強，和易性好，易被螺桿機(jī)排出，同時提高隧道開挖掌子面穩(wěn)定性，更好地控制地層。通過控制觸變泥漿配合比、注入量和注漿壓力，有效降低頂進(jìn)阻力，加快了施工進(jìn)度。

(1)土壓平衡頂進(jìn)過程中，要根據(jù)螺旋輸送機(jī)排土狀況，不斷優(yōu)化改良液配合比，更好的控制地層。

(2)結(jié)合土質(zhì)、頂進(jìn)條件及地面沉降合理控制膨潤土泥漿注漿量，做好同步注漿和管道補漿。