頂管施工中觸變泥漿的配置與注入控制研究

孫春輝 牟雨龍 耿志華 盧國營 馬 勇

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著土木工程技術(shù)的發(fā)展，地下空間、穿越工程日漸成熟。在市政公用工程建設(shè)中，頂管法施工運(yùn)用得較為廣泛，其吃土頂進(jìn)不受外界干擾，幾乎不用開挖，對(duì)地表現(xiàn)有空間影響破壞極小，深受廣大施工單位青睞。在頂管施工中，一個(gè)重要技術(shù)是其吃土頂進(jìn)過程中，頂管機(jī)與管周摩擦阻力的控制。結(jié)合施工單位的工程經(jīng)驗(yàn)，常用的處理方法是運(yùn)用膨潤土摻和而成的觸變泥漿來保證頂管機(jī)頂進(jìn)過程中與管周土體的摩擦阻力。

1 頂管技術(shù)工程原理

頂管施工工作原理是利用頂管機(jī)在地下豎井內(nèi)進(jìn)行推管前進(jìn)，克服前方土體壓力，逐節(jié)頂進(jìn)管段，最后貫通所需區(qū)域的土層。該方法利用設(shè)在地下的豎井中液壓油缸的推力，向前吃土頂進(jìn)。該方法是典型的非開挖敷設(shè)管道的施工技術(shù)。圖1 為其簡單的工作原理圖，用泥漿泵和泥漿制備裝置，將適宜該工程頂進(jìn)的觸變泥漿注入頂管外壁周邊，在頂進(jìn)始發(fā)位置安裝千斤頂及頂進(jìn)支撐系統(tǒng)，然后將頂管機(jī)安裝就位，打開油泵開始進(jìn)行頂管施工，全過程保證觸變泥漿持續(xù)飽滿的填充在頂管管壁周圍，以充分發(fā)揮頂管行進(jìn)過程中與土層產(chǎn)生的摩擦減阻和潤滑效果。該工程采用DN400、DN500 III 級(jí)鋼筋混凝土管作為頂管管段的主材。

圖1 頂管技術(shù)工作原理

2 觸變泥漿運(yùn)用于頂管施工技術(shù)

2.1 觸變泥漿概況

觸變泥漿是一種混合材料，其混合制備成型后呈一種膠凝狀或溶膠狀介于液體與固體之間的膠體狀態(tài)。其主要合成材料為膨潤土，膨潤土的最大特性就是在沒有外界干擾時(shí)呈膠凝狀態(tài)，而只要有外界輕微擾動(dòng)，立刻由膠凝狀態(tài)液化成蓬松的液態(tài)，通過瞬態(tài)的物理變化達(dá)到減阻的效果?；谂驖櫷恋倪@種特性，結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際工況，在頂管工程中，管節(jié)在不斷向前進(jìn)行中，會(huì)逐漸遭遇強(qiáng)大的土體壓力抵抗，使得管節(jié)進(jìn)入土層越多，頂進(jìn)越困難；在該工況下，頂管作業(yè)會(huì)出現(xiàn)較多質(zhì)量問題和安全問題：首先，管節(jié)受到來自土體的壓力不斷增大，而其自身抗力是固定不變的，隨著土壓持續(xù)加大，管節(jié)將無法平衡抗力而導(dǎo)致變形，頂進(jìn)失??；其次，由于頂進(jìn)需要足夠的頂力作為支撐，而頂力是由液壓千斤頂提供的，而其反力由其背板提供，這個(gè)機(jī)構(gòu)在頂力增加到一定程度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)偏位的現(xiàn)象，如果前方土體的壓力情況沒有明顯改善，就將造成液壓系統(tǒng)甚至，甚至使千斤頂頂桿發(fā)生彎曲變形，出現(xiàn)安全事故，從原理上來說，需要頂管機(jī)及其油缸提供越大的頂進(jìn)推力才可以繼續(xù)頂進(jìn)。因此，膨潤土可以利用其天然的液化工效，用于管節(jié)和土體之間，起到減阻作用，從而減輕頂進(jìn)過程中土體給管節(jié)帶來的土體壓力。為了最大化地發(fā)揮膨潤土的功能，在膨潤土中摻入化學(xué)處理劑等摻和料，使其功能更強(qiáng)大，同時(shí)其狀態(tài)更穩(wěn)定，形成更具穩(wěn)定性、護(hù)壁性和觸變性的觸變泥漿。因此，觸變泥漿的配置與如何注入就是運(yùn)用在頂管施工中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

2.2 觸變泥漿工作

在使用觸變泥漿的過程中，通過一定的工序完成對(duì)頂管施工的注漿工作，同時(shí)滿足在頂進(jìn)過程中持續(xù)跟進(jìn)注漿，并在一定時(shí)間完成泥漿的置換工作。泥漿伴隨頂進(jìn)，就是指在頂進(jìn)作業(yè)開始時(shí)，就開啟觸變泥漿注入的相應(yīng)工序。觸變泥漿的配比必須事先通過試驗(yàn)確定，在正式使用時(shí)不允許出現(xiàn)錯(cuò)誤。隨著頂管開始逐漸進(jìn)入土層，需要對(duì)觸變泥漿的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止觸變泥漿的性質(zhì)發(fā)生改變而影響施工進(jìn)度。對(duì)于伴隨過程，需要從始至終持續(xù)進(jìn)行，當(dāng)頂管全部完成，方可停止注漿，進(jìn)行回收。

觸變泥漿的置換工作主要是保證長時(shí)間頂管時(shí)，泥漿的液體質(zhì)量難以保證，其減阻作用開始遞減；同時(shí)在頂管不斷前行中，其上土層受到反復(fù)擾動(dòng)，改變了原始的應(yīng)力狀態(tài)，出現(xiàn)不同程度的沉降趨勢。在該趨勢下，需要對(duì)已在工作的觸變泥漿進(jìn)行置換，使地層不出現(xiàn)沉降，同時(shí)保證頂管頂進(jìn)質(zhì)量。泥漿置換選配惰性泥漿即可。其置換工序：從第一節(jié)管依次向后進(jìn)行，壓注前一節(jié)管惰性漿液時(shí)，將后續(xù)管節(jié)的壓漿孔開啟，使原有管路中的觸變泥漿在惰性漿液的壓力下從后續(xù)管節(jié)壓漿孔內(nèi)溢出，直至后續(xù)注漿孔內(nèi)冒出水泥漿，并達(dá)到一定的壓注壓力時(shí)，才可以停止前段管水泥漿的壓注，確保將觸變泥漿全部置換掉。

注漿原則如下：1）觸變泥漿的注入需要合理布設(shè)注漿孔位，盡量使注入的膨潤土摻和潤滑泥漿在頂管管節(jié)管道外形成連續(xù)致密的泥漿套體。壓漿須堅(jiān)持“先壓后頂、隨頂隨壓、及時(shí)補(bǔ)漿”的原則，壓漿泵和輸出壓力控制在0.2MPa～0.3MPa，過大的壓力值會(huì)頂壞管節(jié)。2）對(duì)觸變泥漿的配置質(zhì)量需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定。通過試驗(yàn)結(jié)論，找出最適宜現(xiàn)場土層條件和頂管物理?xiàng)l件均適用的最佳泥漿配合比設(shè)置值。3）觸變泥漿在注入和配置過程中的一些列技術(shù)參數(shù)的控制和調(diào)整，都需要進(jìn)行試驗(yàn)，并在實(shí)際頂管施工中調(diào)整數(shù)據(jù)，使施工順利完成。

3 觸變泥漿應(yīng)用技術(shù)

3.1 觸變泥漿的配置技術(shù)

觸變泥漿的制備是頂進(jìn)施工中重要的工序。其配置的泥漿性能直接影響頂管頂進(jìn)過程中工效的高低和頂進(jìn)土體阻力的大小。對(duì)其進(jìn)行配置，最大限度地發(fā)揮觸變泥漿的潤滑減阻作用。該項(xiàng)目所進(jìn)行的漿液配置見表1，施工前根據(jù)膨潤土質(zhì)量情況現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)，監(jiān)測部分指標(biāo)，按試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整配合比。配制出一份性能優(yōu)良的觸變泥漿對(duì)整個(gè)頂管施工能起到提高工效和減少工期的雙重效果。

表1 觸變泥漿配置表

膨潤土的含量將主要決定形成的觸變泥漿的質(zhì)量好壞。在配置一定時(shí)，增大膨潤土額含量，將顯著提高觸變泥漿的整體潤滑和減阻能力；而當(dāng)膨潤土增大到觸變泥漿整體質(zhì)量的6%時(shí)，泥漿性能不再有顯著性提高，基本保持不變。這個(gè)結(jié)論說明：在進(jìn)行配置觸變泥漿時(shí)，應(yīng)當(dāng)始終保證膨潤土參量在6%以內(nèi)。一是可以有效控制觸變泥漿的物理性能；二是有效控制泥漿制備的成本。

此外，碳酸鈉（即純堿）含量的變化也會(huì)不同程度地影響觸變泥漿的性能。通過工程反復(fù)試驗(yàn)，可以得到純堿含量在0.3%時(shí)最合適，能夠提高泥漿的性能，含量太高或太低都將影響觸變泥漿的析水性變化。

經(jīng)過該項(xiàng)目現(xiàn)場施工，結(jié)果顯示：膨潤土、NaCO（即純堿）、羧甲基纖維素鈉（CMC）都將不同程度地影響觸變泥漿的工作性能。建議重點(diǎn)對(duì)膨潤土和純堿進(jìn)行參量控制。

3.2 觸變泥漿的注入控制技術(shù)

配置好的觸變泥漿需要及時(shí)注入頂管管周與土層接觸部位，并應(yīng)做到伴隨頂進(jìn)施工的進(jìn)行而持續(xù)注漿。圖2為觸變泥漿注入工作原理，通過觸變泥漿的潤滑，將頂管管壁與周邊土體的間隙全部封住，大大減少摩擦系數(shù)，使頂進(jìn)施工能夠順利進(jìn)行；同時(shí)頂管的管節(jié)也能完好無損的進(jìn)入預(yù)定頂進(jìn)軸線中，不會(huì)發(fā)生管節(jié)破損等不良工況。觸變泥漿注入過程還需要不斷平衡兩側(cè)土體情況。泥漿注入后，將土體凌空部位填充密實(shí)，在該應(yīng)力分布狀態(tài)下，左右兩側(cè)的泥漿填充如果不統(tǒng)一，就會(huì)造成應(yīng)力的重分布，即可能出現(xiàn)土體向應(yīng)力較小一側(cè)偏斜，影響頂進(jìn)施工。這一點(diǎn)在實(shí)際工程中需要重點(diǎn)控制。

圖2 觸變泥漿工作原理圖

注入觸變泥漿按照以下4 點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量控制：1）按照配置好的觸變泥漿開始注入管外壁，不斷注入，隨頂隨注。2）頂管的注漿量需要依據(jù)管節(jié)和整個(gè)頂管施工段的長度確定，注漿的實(shí)際注入量取理論計(jì)算凈量的1.5～3倍，由于工程實(shí)際采用的是DN40、DN500 兩種管材，因此實(shí)際外徑長為508mm 和406mm，單邊空隙在6mm～8mm，實(shí)際頂進(jìn)距離70m，所以需要約1.47 m的注入量。每頂進(jìn)一節(jié)管，就需要2.2 m觸變泥漿的壓入。3）在長距離頂管注漿過程中，由于距離越頂越長，因此所需的注漿壓力也會(huì)越來越大。在這種情形下，需要分段接力頂進(jìn)；因此需要在整個(gè)頂管作業(yè)段內(nèi)，設(shè)置多處注漿接力點(diǎn)，進(jìn)行泥漿接力輸送。多處設(shè)泵的好處自然是提高壓漿質(zhì)量和同步注漿的效果。能夠使管段內(nèi)各種泥漿相對(duì)密度均勻散步，不會(huì)聚集在一處，而別處無漿液的情況。4）觸變泥漿在長時(shí)間頂管作業(yè)中，其潤滑效果將逐漸衰減，其配合比的各項(xiàng)成分發(fā)揮的物理性能將不斷稀釋。因此需要進(jìn)行泥漿置換，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，配制出一種高效的泥漿，可以既滿足頂進(jìn)施工作業(yè)要求，又能夠?qū)罄m(xù)泥漿接續(xù)起到良好連接效果的“惰性觸變泥漿”，這種泥漿可以自行流入土體中空隙，并能夠起到膨脹拉伸效果，使管節(jié)作用段土體不會(huì)失穩(wěn)下沉。配比見表2。

表2 “惰性觸變泥漿”配合比表

3.3 觸變泥漿潤滑減阻計(jì)算分析

由于觸變泥漿的強(qiáng)大工效，對(duì)其用于頂管頂進(jìn)施工的準(zhǔn)確把握必須基于其潤滑減阻效果的好壞，為此對(duì)頂進(jìn)區(qū)域土層做刨析，從頂進(jìn)土層的推力和摩擦力等指標(biāo)入手，進(jìn)行分析。

假設(shè)頂進(jìn)過程設(shè)計(jì)3 個(gè)變量，分別是迎面阻力和頂進(jìn)推力共同構(gòu)成總推力。

式中：—總推力；—迎面阻力；—頂進(jìn)阻力。

在該工程計(jì)算中，實(shí)際頂推力認(rèn)為由頂進(jìn)阻力和摩阻力構(gòu)成，而摩阻力是實(shí)際對(duì)頂進(jìn)造成影響的關(guān)鍵因素。因?yàn)榕浜嫌|變泥漿的使用就是為了克服摩阻力，起到潤滑管節(jié)的效果，所以對(duì)該公式進(jìn)行工程簡化，引入綜合減阻系數(shù)，使頂推力只與頂進(jìn)距離、管節(jié)質(zhì)量和摩阻力相關(guān)。得到如下工程簡化模型。

式中：為總頂推力；為綜合減阻系數(shù)，與觸變泥漿的配比有關(guān)，保守認(rèn)為，只要泥漿能正常符合圖3 所示關(guān)系曲線，就取0.3～0.4；為預(yù)制管節(jié)的土質(zhì)系數(shù)，該工程取1.5；為管節(jié)線重力kN/m；為頂近距離m。通過簡化工程模型的計(jì)算分析，可得到圖3、圖4 關(guān)系曲線。

圖3為頂進(jìn)距離與頂推力大致呈正向相關(guān)關(guān)系，隨著頂進(jìn)距離愈大，頂推力開始陡然增大， 最大時(shí)可達(dá)9000kN；對(duì)觸變泥漿在頂管施工過程的中后期，其減阻作用將越來越明顯，要求足夠的材料配比，和各項(xiàng)物理性能指標(biāo)發(fā)揮到最大化，才能使頂管作業(yè)順利完成。

圖3 頂進(jìn)距離與頂推力關(guān)系曲線

圖4反映了摩阻力先大后小再逐步增大的過程，該過程表明實(shí)際頂推中，管節(jié)受到土體壓力后，并非一直增大，而是在頂進(jìn)至10m 左右開始出現(xiàn)下跌情況，這是由于觸變泥漿液開始充滿整個(gè)管節(jié)空隙段，因此開始發(fā)揮潤滑減阻作用。而在頂進(jìn)后期，至100m 以后階段，實(shí)際摩阻力又開始上升，這表示觸變泥漿液體處于需要置換的時(shí)期。 該結(jié)論可為現(xiàn)場頂管施工中提供置換泥漿的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖4 實(shí)際摩阻力與頂進(jìn)距離關(guān)系曲線

4 結(jié)論

該文結(jié)合工程實(shí)例詳細(xì)闡述了市政公用工程的頂管施工中觸變泥漿的優(yōu)化制備和注入控制技術(shù)。通過實(shí)例應(yīng)用，得到了一些觸變泥漿使用的工程經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)和施工參數(shù)結(jié)論。1）通過不斷試驗(yàn)改進(jìn)參數(shù)配置，得到了適合頂管施工的觸變泥漿優(yōu)化配置情況，對(duì)膨潤土、NaCO、羧甲基纖維素鈉（CMC）等指標(biāo)的處理，能夠使觸變泥漿的配置最優(yōu)化；2）長時(shí)間連續(xù)頂管施工，由于機(jī)械的磨損，泥漿性能也隨之減弱，適時(shí)置換觸變泥漿有助于提高頂管連續(xù)作業(yè)的穩(wěn)定性和控制土層應(yīng)力釋放，所配惰性觸變泥漿能夠滿足工程置換需要；3）詳細(xì)計(jì)算了觸變泥漿的潤滑性和減少摩擦阻力的性能趨勢，得出頂距越大觸變泥漿產(chǎn)生的摩阻力相應(yīng)加大，同時(shí)適時(shí)置換泥漿可以減少后期頂管作業(yè)的阻力值，對(duì)進(jìn)一步在觸變泥漿材料性能上的開發(fā)和研究都有很好的指南作用和一定的理論支持。