渣土改良與膨潤土泥漿在粉質地層頂管施工中的應用

郭淑瑩

(中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300350)

頂管法施工憑借其不中斷道路交通、結構斷面靈活且施工成本相比盾構法低的優點，已廣泛應用于市政給排水、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平衡，容易造成泥餅、噴涌或閉塞，甚至導致開挖面失穩坍塌[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。許有俊[4]等針對內蒙古科技大學地下通道砂性土地層，優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，提高了開挖面的穩定性，并在頂進施工中注入一定量的觸變(潤滑)泥漿，將干摩擦轉化為液體摩擦[5]，發揮了潤滑劑的作用，加快了頂進速度。

1 工程概況

1.1 設計情況

天津市濱海新區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的雙排管進行鋪設，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

圖1 地質及頂管剖面

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，對地面結構穩定性影響小，頂管速度快(平均頂進速度為10 m/d)，適用于大部分地質。

2 渣土改良技術

2.1 改良漿液配制

配置步驟：①在施工場地取與頂進區間地質條件相同的土體。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根據配比配制土體改良液，注入頂管機頭內試出土。④根據實際出土效果調整泥材料摻入量得出最佳配比。⑤配置改良液時，應根據實際地質情況適當加入濃泥。

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)，以指導施工。加入改良劑后配成的漿液應具有較大稠度，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螺旋輸送機排土狀況確定。泥土倉內的泥土經過攪拌后具有良好的可塑性、流動性和止水性，可使土倉內的壓力處于平衡狀態。

3 管環外減阻技術

在頂進時，將一定量的減阻泥漿通過管節預埋注漿孔注入管道外壁，在管道外圍形成泥漿環套，可以減少土層與管節外壁之間的摩擦力，從而減小頂進頂力[7]。為便于頂進時跟蹤注漿，在工具管尾部沿環向均勻布置4個注漿孔，其后每2～3節中管節上預埋注漿孔(見圖2)。除工具管和隨后的3節管節外，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 管節預留的注漿孔

為形成完整有效的泥漿環套，頂進時工具管尾部的注漿孔應及時跟蹤壓漿。根據施工時的具體情況，確定管節上的注漿孔補壓漿的次數及注漿量。

膨潤土泥漿的組成主要有膨潤土、粉末化學漿糊(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，在靜止狀態下通過粘液減阻作用形成凝膠支撐層。

3.1 管節外涂蠟

頂管節吊裝下井前，預制管節外壁四周應涂蠟烘烤，方便頂管節的頂管施工[9]。

3.2 確定觸變泥漿配比

觸變泥漿按擬定配合比進行現場試驗并根據實際使用情況調整，不同地層配合比不同。施工時，應嚴格按照操作規程攪拌觸變性泥漿，做到漿液不沉淀、不失水、不固結，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)，其相關指標如表2所示。

表2 觸變泥漿指標

地面注漿系統包括拌漿筒、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，發酵后的觸變泥漿使用注漿泵注入管節壁后。

3.3 注入觸變泥漿

3.4 注漿施工

頂管注漿系統由機頭同步注漿和管道補漿組成[11]。機頭同步注漿采用地面液壓注漿泵通過?50 mm管路壓送到機頭儲箱內，再由螺桿泵定量注入機頭殼體。在機頭處安裝隔膜壓力表，以檢驗注漿液是否到達指定位置[12]，并在注漿孔內設置單向閥和球閥。每間隔2個管節設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。補漿應按順序依次定量注入，每班不少于2個循環。

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

4 結論與建議

針對粉質地層頂管隧洞施工，通過配置改良液改良土體，渣土流動塑性強，和易性好，易被螺桿機排出，同時提高隧道開挖掌子面穩定性，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，有效降低頂進阻力，加快了施工進度。

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

(2)結合土質、頂進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。