大斷面矩形頂管減阻泥漿配制與注入技術

劉 慧 明

(蘇州城市地下綜合管廊開發有限公司，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

近年來隨著地下空間建設不斷加快，安全、綠色的頂管技術將廣泛用于綜合管廊、地下物流通道、海綿城市等地下工程[1]，其中大斷面、長距離及復雜地層頂進的矩形頂管技術漸成發展主流[2]。針對大斷面土壓平衡式矩形頂管，施工過程中注漿減阻技術是保證頂管施工的順利進行的關鍵技術[3]。

減阻泥漿的配制與注入的選取與相應的工程特點有關，針對減阻泥漿的差異性，國內外已有一定的研究。

1 工程概況

本文以蘇州城北路矩形頂管項目為工程背景，針對頂管斷面大、淺覆土上穿運營地鐵線路等難點，介紹了減阻泥漿的配制與注入技術的應用。創新性的將一種高濃度泥漿的新型泥漿——“濃泥”，應用在了實際工程中，取得了良好的使用效果。

人民路段矩形頂管工程位于蘇州姑蘇區城北東路，頂進設備采用土壓平衡矩形頂管機，如圖1所示。頂進長度為73.6 m，由西向東通道坡度為上坡2.7‰。頂管通道在人民路路口上跨軌道交通2號線，平均覆土深度為4.06 m，頂管底部與軌道交通2號線盾構區間豎向距離2.767 m，水平距離23 m～27 m。

管節為鋼筋混凝土預制，混凝土強度等級C50，抗滲等級P8，管節斷面外徑尺寸為6.9 m×4.2 m，壁厚0.5 m，長1.5 m。頂管區間所穿越土層主要為③粉質粘土和⑤粉質粘土夾粉土，地下水埋深1 m～2 m，淺部微承壓水賦存于粉土和粉砂層中。

矩形頂管施工中泥漿注入地層，在地層與管節間形成泥漿套，將頂進管道與土體之間的干摩擦變為濕摩擦，減小頂進時的摩擦阻力，如圖2所示。此外膨潤土泥漿還有填補和支撐作用，漿液填補施工時管道與土體之間產生的空隙，減小土體變形。

人民路段矩形頂管頂進過程中主要穿越粉土及粉砂地層，同時上穿地鐵2號線，良好的泥漿可有效降低頂管施工對運營地鐵隧道與地面的影響。因此該地層要求泥漿具有足夠的粘度和小的濾失量，減小管壁周圍土體擾動；具有良好的觸變性，使泥漿注入后能迅速變成凝膠狀，支撐地層；具有穩定性，不因地下水侵入、隨時間增長而失去穩定性。

2 泥漿的配置與注入

2.1 泥漿的配置

泥漿主要采用膨潤土與水進行配制，配制比例為4%～5%。當漿液被攪拌、振動或泵送時，轉變成黏性液體；當其再次處于靜止狀態時，又會形成凝膠體。本工程泥漿配制主要采用了以下5種材料：

1)優質膨潤土：采用穩定性好、造漿率高的鉆井用鈉基膨潤土，其膠體率大于96%，含砂率小(0%～0.3%)；

2)CMC(羧甲基纖維素納)：降濾失劑，有高粘、中粘和低粘三種，對于砂層頂管施工，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)：絮凝劑，高水解度的PHP還具有提粘、防漏、降濾失性能；

4)燒堿NaOH，改善粘土的水化分散能力；

5)清水。

通過實驗確定每種原材料的三種最優含量，在現場進行正交實驗，檢查各材料的配伍性，通過濾失量、粘度、觸變性等參數的大小，確定泥漿的最優配方。相關結果如表1所示。

表1 泥漿配比正交實驗表

正交實驗表明，膨潤土加量增加使泥漿性能增加明顯，添加10%的膨潤土泥漿性能可達到70 s以上，如添加10%膨潤土+1.5%CMC+1.0%燒堿+0.3%PHP泥漿性能優越，粘度達到78 s，失水量達8 mL/30 min。但原材料用量大、不夠經濟，而且泥漿粘度大、泵送困難。可在失水量大的局部地段使用。

對于一般地段，現場采用5%膨潤土+1.0%CMC+1.0%燒堿+0.6%PHP，泥漿性能為63 s(粉砂地層>45 s即可)，失水量為10 mL/30 min(粉砂地層<15 mL/30 min即可)。對于砂土含量高、水壓高的地段，可采用特殊地段泥漿配方：7.5%膨潤土+1.5%CMC+1.0%燒堿+0.6%PHP，相應增加了膨潤土和CMC的含量，增加泥漿粘度及減小泥漿濾失量。

最終確定現場采用的泥漿配方如表2所示。

表2 現場采用優質泥漿配比及性能

2.2 泥漿的注入

由于隧道覆土較淺，注漿設備選用螺桿泵，注漿過程中無脈動，注漿壓力均勻平穩。注漿孔沿管節周圍進行布置，實際管節使用了12個DN25減阻注漿孔。注漿管路分為總管和支管，其中總管采用DN50的鋼管，支管采用DN25的膠管。注漿管路如圖3所示。

泥漿注漿分同步注漿和二次補漿兩步進行，一般每節同步注漿量為理論注漿量的3倍～4倍，每節二次補漿量一般為同步注漿量的0.2倍～0.3倍[1]；注漿壓力為地層壓力的1.1倍～1.3倍；注漿時必須遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”[2]的原則，確保及時形成完整的泥漿套。施工過程中以注漿量控制為主，注漿壓力控制為輔，并有效監測地面、地鐵隧道結構、頂管機姿態等變化，及時調整注漿工藝，確保減阻效果。

2.3 效果評價

依據人民路北側頂管單位面積摩阻力監測分析，頂管在頂進10 m之前，由于未使用泥漿，管節外壁與管周土體直接接觸，導致單位面積摩阻力過大；頂進10 m之后開始使用泥漿，泥漿逐步填充管土之間的間隙，泥漿套逐步形成，單位面積摩阻力下降明顯；后期泥漿套持續作用，摩阻力變化平穩，直至頂進完成頂管機出洞。整個過程中由于使用泥漿，單位面積摩阻力可有效降低70%～80%。

3 結語

1)減阻泥漿的配制與相關注漿技術可有效降低管土之間摩阻力，并對地層形成有效支撐，保障了大斷面矩形頂管的正常施工。

2)通過室內正交實驗，優選出符合現場實際的泥漿配方。對于一般地段，現場采用5%膨潤土+1.0%CMC+1.0%燒堿+0.6%PHP，對于砂土含量高，水壓高的特殊地段，現場采用7.5%膨潤土+1.5%CMC+1.0%燒堿+0.6%PHP。