復(fù)合地層中頂管施工注漿漿液改良試驗研究

厙龍斌

（中國十七冶集團有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

頂管施工最明顯的特點就是地層適應(yīng)性問題，需要就不同的地層環(huán)境選擇與之匹配的施工方法。

目前國內(nèi)對于大斷面長距離頂管注漿減阻技術(shù)及機理做了大量的研究[1-3]。大多數(shù)的特殊地層條件下或特定工況下的頂管施工，其注漿減阻技術(shù)應(yīng)用的研究大多是僅給出其具體的施工技術(shù)方案[4]，而并沒有分析其作用機理和成因。有部分學(xué)者在具體的工程案例中采用試驗結(jié)合機理分析的方式分析了泥漿性能參數(shù)對護壁及減阻效果的影響[5-6]。但是對于上軟下硬復(fù)合地層中的頂管施工，由于其地質(zhì)條件特殊，注漿技術(shù)經(jīng)驗和理論有待深入研究。

本文基于昆明市水體置換通道提升改造工程，針對上軟下硬的復(fù)合地層中頂管施工注漿減阻效果不佳的問題，采用室內(nèi)試驗結(jié)合理論分析的方法，找出產(chǎn)生問題的原因，并給出具體解決方法，以期為該區(qū)域的類似工程提供借鑒依據(jù)。

1 工程概況

云南省昆明市水體置換通道提升改造工程采用頂管施工法，頂管管節(jié)材料采用DN2500mm標準化鋼筋混凝土管，擬建場地位于昆明滇池斷陷盆地西部，區(qū)域上為湖積盆地邊緣帶，管線設(shè)計總長度1.52km。工程管道最大埋深達48m，共設(shè)臨時頂管井9座，其中工作井4座、接收井5座，單段最長頂距為423.3m。施工區(qū)以第四系中更新統(tǒng)沖積層（Q2al）、湖積（Q4l）層、二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）白云巖、灰?guī)r為主，含有粉砂土、粉土、圓礫土。根據(jù)地勘資料，工程輸水管道所處標高為1070m，地層變化不大，為稍密—中密粉砂土，層位穩(wěn)定，力學(xué)性質(zhì)較好，管道線路地表標高在1076～1120m，適宜管道修建。根據(jù)水文資料及勘探情況，開挖面深度處并無地下水存在。工程中第一、二共兩個頂進段為工程試驗段。而在試驗段中出現(xiàn)了頂力異常波動且波動幅度大，泥漿漏失嚴重的問題。

2 試驗段異常狀態(tài)原因及機理分析

試驗段所采用的泥漿配方為8%膨潤土+0.2% CMC+0.2%純堿+0.3%潤滑防塌劑+水，而采用此種配方的試驗段中泥漿的減阻效果并不理想，其中第一試驗段由于地層土體分布不均勻，頂進過程中頻繁停機，頂力波動受非泥漿性能影響因素較多，因此不再討論。本文重點分析第二試驗段的頂力及注漿量波動情況，如圖1所示。

圖1 試驗段注漿量波動情況

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，在此頂段中注漿量波動極大，基本呈現(xiàn)無規(guī)律的突變情況，在貫通后的實際注漿量甚至達到理論注漿量的15倍以上。而分析其原因，主要是泥漿無法成套。根據(jù)魏綱等人的研究[7]，觸變泥漿是由黏土和部分外加劑與水形成的混合物懸濁液，泥漿在注入后會滲透進入土層，在土體顆粒間滲透進入一定深度后形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膠質(zhì)泥漿，而在土體表面形成更加穩(wěn)固的膠質(zhì)泥皮，此時泥漿形成完整的泥漿套才能保證漿液不發(fā)生漏失起到護壁減阻的作用。而在該工程的特殊地層環(huán)境無水砂層中，由于刀盤切削土體擾動導(dǎo)致隧道孔壁極其不穩(wěn)定，土體的孔隙率相較開挖前更大，且擾動過后更容易形成流動狀態(tài)的砂孔壁，在此種狀態(tài)下若泥漿的相關(guān)性能參數(shù)不滿足要求，隨著泥漿的注入，泥漿的滲透性將更大，滲透范圍更遠，不易形成完整的泥漿套。而根據(jù)李昀等[8]和曹利強等[9]的研究，土體隨著泥漿的滲透其強度還會進一步降低，這就導(dǎo)致本就自穩(wěn)能力極差的隧道孔壁在泥漿無法及時形成泥漿套起到支護作用時極易發(fā)生坍塌，從而造成頂力的較大波動和泥漿漏失。因此在此種狀態(tài)下，若想要降低頂力和注漿量最直接的方法便是對泥漿的性能加以改良，考慮到泥漿的混合物懸濁液中黏土顆粒相互搭接形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)力和黏性是泥漿成套的關(guān)鍵性指標，通常可以用動切力和表觀黏度來體現(xiàn)這些指標。

3 泥漿配比改良及流變性能試驗

表觀黏度和動切力可以通過六速旋轉(zhuǎn)粘度計[10]測得。通常泥漿黏度提升采用增加黏土含量或者增加CMC含量，現(xiàn)用室內(nèi)試驗的方法討論黏土和CMC含量對于泥漿黏度和動切力的影響，并在原有配方基礎(chǔ)上結(jié)合工程現(xiàn)場需要加以改良確定泥漿配方，試驗數(shù)據(jù)見圖2～圖5。

圖2 動切力隨黏土含量變化

圖3 表觀黏度隨黏土含量變化

圖4 15%黏土含量時動切力隨CMC含量變化

圖5 15%黏土含量時表觀黏度隨CMC含量變化

由圖2～圖5可知，提高黏土的含量和CMC含量均可以增加泥漿的黏度，而泥漿中的CMC含量增大會降低泥漿的可泵性，影響出渣效率。因此為了提升泥漿黏度首選提高黏土的含量而將CMC含量控制在較小范圍，具體控制CMC含量時還需要進一步考慮失水性和漿液狀態(tài)，而漿液狀態(tài)為凝膠狀為最佳。不同黏土和CMC摻加量下漿液的失水性見表1所示。

表1 不同黏土和CMC摻加量下漿液的失水性

由表1可知，基漿為17.5%高嶺土+0.2%NaOH的4種不同CMC摻加量的漿液均為凝膠狀膏體狀態(tài)，其黏度和絮凝狀態(tài)均滿足要求。CMC 含量的增加可以減少失水量，因此CMC降失水效果好，而CMC雖增黏和降水效果好，但CMC摻加量較大時會導(dǎo)致漿液黏度過大，影響可泵性。因此綜合考慮漿液的黏度、失水性及可泵性，同步注漿漿液的配方選定為17.5%高嶺土+0.025% CMC+0.2%NaOH+水。

4 結(jié)束語

本文針對上軟下硬的復(fù)合地層中頂管注漿減阻施工時頂力及注漿量異常波動且不可控的問題，通過理論結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及室內(nèi)試驗分析的方法，分析該問題的原因，并給出合適的同步注漿液的配比，得出如下結(jié)論：

由于泥漿性能不足，泥漿滲透進入上部軟弱土體后，進一步降低本就自穩(wěn)能力極差的受擾動的圍巖強度，從而導(dǎo)致隧道孔壁坍塌，這是上軟下硬的復(fù)合地層中頂管施工泥漿減阻效果不佳的主要原因。

通過在工程施工允許范圍內(nèi)提升泥漿的黏度等流變性能參數(shù)，能夠有效地提升上軟下硬的復(fù)合地層中頂管施工泥漿的護壁減阻效果。

泥漿的減阻能力實質(zhì)上是先保證護壁能力，在能保證護壁隧道孔壁不發(fā)生坍塌的情況下才能更好地體現(xiàn)其潤滑效果。