苏州城市地下综合管廊开发有限公司 江苏苏州 215000
摘要：减阻泥浆技术对顶管顺利施工过程至关重要，施工期间泥浆填充管土间隙形成泥浆套，对管节与地层起到了减阻润滑与支撑的作用。本文依托苏州人民路矩形顶管工程，对大断面矩形顶管减阻泥浆配制与注入技术进行研究，通过室内正交实验，优选出现场不同地段的触变泥浆配方；根据工程特点创新型采用了新型高浓度泥浆“浓泥”，发现其可有效避免底部“积浆”现象与顶管复顶后顶力激增现象的发生，工程效果良好。
关键词：大断面矩形顶管；泥浆配制；泥浆注入；触变泥浆；浓泥
The Preparation and Injection Technology of Drug Reduction Mud in Large Section Rectangular Box Jacking
LUE Huiming
（Suzhou Utility Tunnel Development Co.，Ltd，Suzhou，Jiangsu 215000，P.R.China）
Abstract：Drag reduction mud technology is essential to the smooth construction process of pipe jacking.During the construction，the mud fills the gap between the pipe and the soil to form a mud jacket，which plays a role in drag reduction lubrication and support for the pipe joint and the formation.This article relies on the rectangular pipe jacking project of Renmin Road in Suzhou to study the preparation and injection technology of the drag reduction mud in large section rectangular box jacking.Through indoor orthogonal experiments，the thixotropic mud formulations in different sections of the site are optimized；according to the characteristics of the project，the new type of high-concentration mud "thick mud" was found to be effective in avoiding the phenomenon of " slurry accumulation " at the bottom and the surge of the jacking force after the jacking of the pipe，and the engineering effect was good.
Key words：large section rectangular box jacking；slurry preparation；slurry injection；thixotropic mud；thick mud
0 引言
近年来随着地下空间建设不断加快，安全、绿色的顶管技术将广泛用于综合管廊、地下物流通道、海绵城市等地下工程[1]，其中大断面、长距离及复杂地层顶进的矩形顶管技术渐成发展主流[2]。针对大断面土压平衡式矩形顶管，施工过程中注浆减阻技术是保证顶管施工的顺利进行的关键技术[3]。
减阻泥浆的配制与注入的选取与相应的工程特点有关，针对减阻泥浆的差异性，国内外已有较为丰富的研究。黄健华等[4]通过设计不同配合比泥浆性能试验，发现优化配合比的减摩泥浆可将管土摩擦力降低至原来的55%~65%；许有俊等[5]通过现场监控与室内试验等研究手段对土体改良方案进行优化，提出了最优化的土体改良配比方案；张鹏等[6]利用半无限弹性体中柱形圆孔扩张理论分析注浆压力对泥浆套厚度的影响；王明胜等[7]探讨了膨润土、纯碱、CMC和PHP 对泥浆性能的影响规律；刘猛等[8]通过实验研究不同石灰掺入量对膨润土性能的影响，发现土样黏聚力和内摩擦角均随石灰含量的增加而显著提高。
本文以苏州城北路矩形顶管项目为工程背景，针对顶管断面大、浅覆土上穿运营地铁线路等难点，介绍了减阻泥浆的配制与注入技术的应用。创新性的将一种高浓度泥浆的新型泥浆——“浓泥”，应用在了实际工程中，取得了良好的使用效果。
1 工程概况
人民路段矩形顶管工程位于苏州姑苏区城北东路，顶进设备采用土压平衡矩形顶管机，如图1所示。顶进长度为73.6m，由西向东通道坡度为上坡2.7‰。顶管通道在人民路路口上跨轨道交通2号线，平均覆土深度为4.06m，顶管底部与轨道交通2 号线盾构区间竖向距离2.767m，水平距离23～27m。施工平面图如图2所示。
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管节为钢筋混凝土预制，混凝土强度等级C50，抗渗等级P8，管节断面外径尺寸为6.9m×4.2m，壁厚0.5m，长1.5m。土层分布情况如图3所示，顶管区间所穿越土层主要为③粉质粘土和⑤粉质粘土夹粉土，地下水埋深1~2m，浅部微承压水赋存于粉土和粉砂层中。
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图3 顶管穿越地层剖面图（高程单位：m）
Fig.3 Section diagram of pipe jacking across strata
主要土层物理力学参数如表1所示。
表1 各土层物理力学参数一览表
Table 1 Physical and mechanical parameters of soils
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图4 泥浆润滑触变示意图
2 减阻泥浆选用与作用机理
2.1 触变泥浆选用与作用机理
矩形顶管施工中触变泥浆注入地层，在地层与管节间形成泥浆套，将顶进管道与土体之间的干摩擦变为湿摩擦，减小顶进时的摩擦阻力，如图4所示。此外膨润土触变泥浆还有填补和支撑作用，浆液填补施工时管道与土体之间产生的空隙，减小土体变形。
Fig.4 Schematic diagram of mud lubrication thixotropy
人民路段矩形顶管顶进过程中主要穿越粉土及粉砂地层，同时上穿地铁2号线，良好的触变泥浆可有效降低顶管施工对运营地铁隧道与地面的影响。因此该地层要求触变泥浆具有足够的粘度和小的滤失量，减小管壁周围土体扰动；具有良好的触变性，使泥浆注入后能迅速变成凝胶状，支撑地层；具有稳定性，不因地下水侵入、随时间增长而失去稳定性。该地层对触变泥浆性能要求如表2所示。
表2 粉砂、粉土地层对触变泥浆性能要求表
Table 2 Requirements on the properties of thixotropic mud for silty sand and silty soil layers
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2.2 “浓泥”选用与作用机理
触变泥浆为了满足长距离泵送，膨润土的含量不能太高，一般为4%~10%。由于现场条件的限制，往往会导致现场泥浆水化时间不充分，现场泥浆的配比和试验配也有较大的出入，会导致触变泥浆实际施工的效果难以保证。触变泥浆注入管壁外地层后，施工扰动和地下水侵入会导致泥浆失去稳定性，在管壁周围很快消散。因此，如果顶管工程中不注意后续补浆，以及顶进期间停工时间过长，管壁外形成的泥浆套易失去稳定，导致顶力过大。
由于该顶管断面尺寸大，穿越地铁隧道段地质条件复杂，因此针对触变泥浆减摩技术存在的不足，本工程采用了一种高浓度泥浆的新型泥浆——“浓泥”，取得了良好的应用效果。
3 浆液的配置与注入
3.1 触变泥浆的配制与注入
3.1.1 触变泥浆的配置
触变泥浆主要采用膨润土与水进行配制，配制比例为4%～5%。当浆液被搅拌、振动或泵送时，转变成黏性液体；当其再次处于静止状态时，又会形成凝胶体。本工程触变泥浆配制主要采用了以下5种材料：
1）优质膨润土：采用稳定性好、造浆率高的钻井用钠基膨润土，其胶体率大于96%，含砂率小（0～0.3%）；
2）CMC（羧甲基纤维素纳）：降滤失剂，有高粘、中粘和低粘三种，对于砂层顶管施工，粘度不是主要的性能，采用低粘CMC即可；
3）PHP（水解聚丙烯酰胺）：絮凝剂，高水解度的PHP还具有提粘、防漏、降滤失性能；
4）烧碱NaOH，改善粘土的水化分散能力；
5）清水。
通过实验确定每种原材料的三种最优含量，在现场进行正交实验，检查各材料的配伍性，通过滤失量、粘度、触变性等参数的大小，确定泥浆的最优配方。相关结果如表3所示
表3 泥浆配比正交实验表
Table 3 Orthogonal experiment of mud ratio
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正交实验表明，膨润土加量增加使泥浆性能增加明显，添加10%的膨润土泥浆性能可达到70s以上，如添加10%膨润土+1.5%CMC+1.0%烧碱+0.3%PHP泥浆性能优越，粘度达到78s，失水量达8mL/30min。但原材料用量大、不够经济，而且泥浆粘度大、泵送困难。可在失水量大的局部地段使用。
对于一般地段，现场采用5%膨润土+1.0%CMC+1.0%烧碱+0.6%PHP，泥浆性能为63s（粉砂地层>45s即可），失水量为10mL/30min（粉砂地层<15mL/30min即可）。对于砂土含量高、水压高的地段，可采用特殊地段泥浆配方：7.5%膨润土+1.5%CMC+1.0%烧碱+0.6%PHP，相应增加了膨润土和CMC的含量，增加泥浆粘度及减小泥浆滤失量。
最终确定现场采用的泥浆配方如表4所示。
表4 现场采用优质触变泥浆配比及性能
Table 4 High quality thixotropic mud ratio and properties adopted on site
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3.1.2 触变泥浆的注入
由于隧道覆土较浅，注浆设备选用螺杆泵，注浆过程中无脉动，注浆压力均匀平稳。注浆孔沿管节周围进行布置，实际管节使用了12个DN25减阻注浆孔。注浆管路分为总管和支管，其中总管采用DN50的钢管，支管采用DN25的胶管。注浆管路如图5所示。
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图5 泥浆润滑触变示意图
Fig.5 Schematic diagram of mud lubrication thixotropy
触变泥浆注浆分同步注浆和二次补浆两步进行，一般每节同步注浆量为理论注浆量的3～4倍，每节二次补浆量一般为同步注浆量的0.2~0.3倍[9]；注浆压力为地层压力的1.1～1.3倍；注浆时必须遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆” [10]的原则，确保及时形成完整的泥浆套。施工过程中以注浆量控制为主，注浆压力控制为辅，并有效监测地面、地铁隧道结构、顶管机姿态等变化，及时调整注浆工艺，确保减阻效果。
3.1.3 效果评价
依据人民路北侧顶管单位面积摩阻力监测分析（图6），顶管在顶进10m之前，由于未使用触变泥浆，管节外壁与管周土体直接接触，导致单位面积摩阻力过大；顶进10m之后开始使用触变泥浆，泥浆逐步填充管土之间的间隙，泥浆套逐步形成，单位面积摩阻力下降明显；后期泥浆套持续作用，摩阻力变化平稳，直至顶进完成顶管机出洞。整个过程中由于使用触变泥浆，单位面积摩阻力可有效降低70%~80%。
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图6 顶管实测单位面积摩阻力曲线
Fig.6 Measured friction resistance curve per unit area of pipe jacking
3.2 “浓泥”的配制与注入
3.2.1 “浓泥”的配置
如图7所示，浓泥的原材料主要为膨润土。考虑到膨润土的用量大，为了经济性，对于“浓泥”的膨润土，要求可低于触变泥浆对膨润土的要求。
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为了改善泥浆性能，在“浓泥”配方中还可掺入少量聚丙烯酰胺（PAM）。聚丙烯酰胺是一种高分子聚合物，能够减少液体之间的摩擦阻力，同时由于聚合物的高分子长链结构能够和膨润土颗粒结合，形成一张网状结构充填在膨润土颗粒之间，使得浆液更具有絮凝性。“浓泥”的质量配比为：膨润土：清水：PAM=1：1.7：0.002。
配置“浓泥”的装置为小型砂浆搅拌机，边搅拌边逐渐加入膨润土，使膨润土在水中充分水化形成均匀的“浓泥”，坍落度控制在130～170mm，具有较好的流塑性。配置好的“浓泥”如图8所示。由于砂浆搅拌机的体积较小，可多次搅拌配置后倒入出土斗车，用吊装设备吊入工作井，再水平推送入顶管隧道内。
3.2.2 “浓泥”的注入
将“浓泥”装入细石混凝土泵内，在以开好注浆孔需要注入“浓泥”的地方，注入“浓泥”。通常在管节的上部和底部注入“浓泥”，注入顶部可以防止管节“背土”。“浓泥”的注入应满足下列要求：
1）清孔、连接注浆工艺管道：根据管道预留注浆孔的位置，布设注浆支管，每个注浆口支管均设一控制闸阀。
2）注入浆液：管道布设完成后开始注浆，注浆压力须小于4MPa，，注浆排量不要超过4m3/h，单孔不要超过0.5 m3。
3）封堵注浆孔：采用与预留注浆孔配套的单向球阀封堵注浆孔，防止“浓泥”流失。
4）冲洗注浆管：注浆完毕，应立即用清水冲洗注浆管，防止注浆管被堵住。
3.2.3 效果评价
对于大断面顶管触变泥浆，由于顶进作用及泥浆重力，管道顶部和中上部的泥浆很难停留，大部分的浆液会聚积在管道底部。由于管道上部缺少泥浆，导致管道外壁与土层直接挤压接触，极易引发机头上方发生“背土”现象，导致上方土层损失引发地表沉降，同时导致顶力过大。由于高浓度浆液流动性差，所以可以有效滞留在管道顶部，同时该浆液可以和传统泥浆相结合，配合管道下方注射的传统泥浆，能在大直径管道外壁周围形成良好的泥浆套，防止管道顶部“背土”、底部“积浆”的现象发生。
顶管工程在顶进过程中很难做到连续顶进，中途可能因各种突发情况而暂停。重新启动复顶时，往往会发现主顶油缸的顶力过大，而主顶力过大，会导致液压缸温度过高而出现故障。造成该问题的主要原因是由于传统泥浆失水性大，在暂停顶进后，失去运动作用，泥浆消散到周围地层中。注入“浓泥”后发现，高浓度膨润土泥浆失水性低，管道暂停顶进后，仍能够保持管道外围泥浆套的润滑性。复顶后，主顶力提升幅度小，能够有效缓解复顶后顶力激增的现象。
4 结语
本文结合苏州人民路矩形顶管工程，探究大断面矩形顶管减阻泥浆配制与注入技术。主要结论如下：
1）减阻泥浆的配制与相关注浆技术可有效降低管土之间摩阻力，并对地层形成有效支撑，保障了大断面矩形顶管的正常施工。
2）通过室内正交实验，优选出符合现场实际的触变泥浆配方。对于一般地段，现场采用5%膨润土+1.0%CMC+1.0%烧碱+0.6%PHP，对于砂土含量高，水压高的特殊地段，现场采用7.5%膨润土+1.5%CMC+1.0%烧碱+0.6%PHP。
3）针对顶管上穿地铁隧道的工程复杂性，采用了新型高浓度泥浆“浓泥”，可有效避免底部“积浆”现象与顶管复顶后顶力激增现象的发生，工程效果良好。
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