高濃度膨潤(rùn)土觸變泥漿在砂質(zhì)粉土工程中的應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】：TU990.3 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號(hào)】：1008-3197（2025）05-46-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.05.011

Application of High-concentration Bentonite Thixotropic Slurry in Sandy Silt Engineering

WANG Sukang，NIU Liancao

（TianjinUndergroundRailwayGroupCo.，Ltd.，Tianjin3ooO11，China）

【Abstract】：Taking the actual projectas an example，this paper compares and analyzes theinfluence of twothixotropic mud with different ratios on the surface setlement and jacking force，proves the applicability of thixotropic mud withhigh concentrationbentonite in sandy and siltysoil layer，and puts forward several points forattention in the process of pipe jacking construction.

【Key words】：Thixotropic mud；sandy and silt soil；surface settlement； jacking force

大截面、長(zhǎng)距離頂管施工如何保證地面的平穩(wěn)和克服摩擦阻力是技術(shù)難點(diǎn)。呂品介紹了高濃度膨潤(rùn)土觸變泥槳的配比和特性，闡述了其在工程中的應(yīng)用價(jià)值，后討論了其自身缺陷。徐智華等2對(duì)觸變泥漿材料、配方、攪拌方法、注槳工藝、抗?jié)B透性能和穩(wěn)定性進(jìn)行了深入的研究，并將研究結(jié)果應(yīng)用于施工，取得良好的結(jié)果。魏綱等3闡述了注漿材料、性能和注漿減摩的作用機(jī)理。

本文以市地鐵4號(hào)線南段工程某頂管工程為例，從觸變泥漿材料的組成和配比著手，對(duì)兩種配比的觸變泥漿在工程中的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，探討其在砂質(zhì)粉土中的適應(yīng)性，并確定砂質(zhì)粉土中觸變泥漿的組成及配比，為同類工程實(shí)踐提供參考。

1工程概況

某工程頂管通道全長(zhǎng) 97.17m ，共65環(huán)，設(shè)計(jì)為直線形， 1% 的縱坡，覆土厚度 6.42～7.29m 。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為矩形圓倒角鋼筋混凝土管節(jié)，結(jié)構(gòu)凈空寬度 6m ，高度 3.3m ，結(jié)構(gòu)外尺寸為 6900mm×4200mm ，壁厚為450mm ，每節(jié)管節(jié)長(zhǎng)度為 1.5m ，每節(jié)管節(jié)質(zhì)量約 33.5t

地層主要為 ①₁ 雜填土 ①₂ 素填土、 ④₁ 粉質(zhì)黏土、⑥₃ 砂質(zhì)粉土 ?⑥₄ 粉質(zhì)黏土、 ⑥₅ 黏質(zhì)粉土、 ⑦₁ 粉質(zhì)黏土 ⑧₁ 粉質(zhì)黏土、 ⑧₂ 粉砂層。頂管通道主要穿越 ⑥₃ 砂質(zhì)粉土 ? 粉質(zhì)黏土層。見(jiàn)圖1和表1。

圖1地質(zhì)剖面

表1地層物理參數(shù)

頂管通道路徑上設(shè)置了多排監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，本文截取靠近頂管接收段附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象。見(jiàn)圖2。

2工程實(shí)施情況

頂管機(jī)由全斷面處于 ⑥₄ 粉質(zhì)黏土中頂進(jìn)至半斷面處于 ⑥₃ 砂質(zhì)粉土、半斷面處于 ⑥₄ 粉質(zhì)黏土中。頂管頂進(jìn)至第45環(huán)位置時(shí)地表開(kāi)始沉降，累計(jì)最大沉降量達(dá)到了 19.5mm ，最大變化量達(dá)到 3.68mm/d ，已超橙色預(yù)警線。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)改變觸變泥漿配比進(jìn)行同步注漿、打泥等措施，地表沉降量逐漸減小至控制范圍內(nèi)，后續(xù)頂進(jìn)過(guò)程中地面沉降量保持穩(wěn)定。

觸變泥漿由膨潤(rùn)土、羥甲基纖維素鈉（CMC）、純堿和水按照一定比例組成。觸變泥漿一是可以起到潤(rùn)滑作用，將管節(jié)與土體間的干摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈衲Σ?；二是可以起到填充作用，填補(bǔ)刀盤(pán)和殼體、殼體和管節(jié)間的空隙，減小土體變形[5]。

膨潤(rùn)土是以蒙脫石、鈣、鉀為主要成分的黏土，具有遇水膨脹的特性，作為泥漿的主要成分，具有良好的觸變性能。

外加劑CMC可以滿足觸變泥漿的工作性能和穩(wěn)定性要求，可明顯增加泥漿體系的黏度，減小失水量，對(duì)泥漿的流變性能有較好的改善

純堿在泥漿中的主要作用為分散劑，純堿與膨潤(rùn)王之間發(fā)生水化反應(yīng)，能夠促進(jìn)泥漿中固相與液相的結(jié)合能力，增大泥漿配置的穩(wěn)定度。

本文采用2種質(zhì)量比的觸變泥漿。方案一：水：膨潤(rùn)土：CMC：純堿 ：=968：71：1：1 。方案二：水：膨潤(rùn)土：CMC：純堿 ：=200：135：1：1 。

3對(duì)比分析

3.1地表沉降

監(jiān)測(cè)點(diǎn) 為頂管通過(guò)時(shí) 地層變化比較敏感的點(diǎn)位，頂管掘進(jìn)過(guò)程中地表的沉 降見(jiàn)圖3和圖4。

圖3地表累計(jì)沉降

圖4地表最大沉降

頂管機(jī)頂進(jìn)至第47～49環(huán)位置地表最大沉降量為 3.59mm/d ；頂管機(jī)頂進(jìn)至第49～55環(huán)位置地表由沉降到隆起后又沉降，最大沉降量達(dá)到 5.03mm/d ；頂管機(jī)通過(guò)第55環(huán)位置后，地表先隆起后沉降；頂管機(jī)通過(guò)第59環(huán)位置后，地表趨于穩(wěn)定。

頂管機(jī)頂進(jìn)至47～55環(huán)位置，現(xiàn)場(chǎng)采取方案一配比的觸變泥漿進(jìn)行頂進(jìn)。其中頂進(jìn)至47～49環(huán)位置，地表沉降量超過(guò)橙色預(yù)警，現(xiàn)場(chǎng)采用方案一配比的觸變泥漿進(jìn)行填充，地表產(chǎn)生隆起，持續(xù)頂進(jìn)至49～53環(huán)位置，地面略微隆起；頂進(jìn)至53-55環(huán)位置，地表發(fā)生較大沉降?？芍百|(zhì)粉土中注入的觸變泥漿在頂進(jìn)過(guò)程中流失，導(dǎo)致地表沉降量增大。頂管機(jī)頂進(jìn)至55環(huán)位置處，改用方案二配比的觸變泥漿填充，采用邊頂邊注方式，在55～61環(huán)的頂進(jìn)過(guò)程中，沉降控制較好，均在預(yù)警線以內(nèi)。可知在砂質(zhì)粉土中注入方案二配比的觸變泥漿在土層中起到了填充和潤(rùn)滑的作用。

3.2頂力計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)頂力數(shù)據(jù)變化

頂管通道的斷面尺寸為 6.9m×4.2m ，頂管長(zhǎng)度為 97.17m ，頂管覆土厚土取 6.25m 。

F=F₀+f₀L

式中： F 為總推力， kN;F₀ 為初始推力， kN;f₀ 為管節(jié)與土層之間的綜合摩擦阻力， kN/m;L 為頂管通道長(zhǎng)度。

F₀=S×（P₀+P_w）

式中： s 為機(jī)頭面積， m²;P₀ 為機(jī)頭底部以上1/3高度處的靜止土壓力， kN/m²;P_w 為地下水壓力，計(jì)算水頭高度起算點(diǎn)為地面， kN/m 。

P₀=K₀γ（H+2H₁/3）

式中： γ 為土的重度， kN/m³;H 為管頂土層厚度，取 6.25m;H_?1 為頂管機(jī)高度， m;φ 為土的內(nèi)摩擦角，Ξ（Λ^°）Ξ_;K0 為靜止側(cè)壓力系數(shù)，砂性土取 0.25～0.33 ，黏土取 0.33～0.7 。

f₀=RS+Wf

式中： R 為綜合摩擦阻力，取 8kPa;S 為管外周長(zhǎng)，m;W 為每來(lái)管節(jié)的重力， kN/m;f 為管節(jié)重力在土中的摩擦系數(shù)，與管、土接觸面的物理性質(zhì)有關(guān)，可按表2取值。

表2摩擦系數(shù)的f值

經(jīng)計(jì)算， F=2551kN. 0

第47環(huán)后頂力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3頂管機(jī)頂力數(shù)據(jù)

頂管施工過(guò)程中的頂力值均小于計(jì)算頂力。頂力在47～53環(huán)變化相對(duì)平穩(wěn)，54環(huán)處頂力突然增大，55環(huán)后急速下降，56～58環(huán)期間頂力比較平穩(wěn)，59環(huán)處頂力急速上升，60～61環(huán)期間頂力比較平穩(wěn)。

施工過(guò)程中，53環(huán)位置由于現(xiàn)場(chǎng)因素影響導(dǎo)致頂進(jìn)中斷，經(jīng)過(guò) 12h 停機(jī)處理后重新啟動(dòng)，頂管機(jī)頂力變化較大；由于55環(huán)位置處采用了方案二配比的觸變泥漿，現(xiàn)場(chǎng)施工頂力減??；59～61環(huán)頂管機(jī)逐漸進(jìn)入加固區(qū)，加區(qū)域采用三軸攪拌，強(qiáng)度較大，故而頂管機(jī)頂力急劇上升?？芍桨付捻斄Ρ确桨敢恍　?/p>

3.3分析

使用方案二配比的觸變泥漿地表沉降控制較好，頂管機(jī)頂力減小。由于砂質(zhì)粉土地層含水量較大，水力聯(lián)系較大，低濃度膨潤(rùn)土在土層形成的泥膜易被損壞，無(wú)法在管節(jié)周壁形成穩(wěn)定的泥膜，而高濃度膨潤(rùn)王在砂質(zhì)粉土中的滲透距離較短，泥膜形成效果要好于低濃度的膨潤(rùn)土。故頂管機(jī)在砂質(zhì)粉土地層中頂進(jìn)時(shí)，可采用提高膨潤(rùn)土濃度來(lái)減小頂力和控制地表沉降。另外，頂管機(jī)頂進(jìn)過(guò)程中不能中斷施工超過(guò)12h ，要保持連續(xù)施工。

4結(jié)論及建議

1現(xiàn)場(chǎng)施工情況表明，頂管機(jī)在砂質(zhì)粉土地層中頂進(jìn)時(shí)，采用高濃度膨潤(rùn)土的觸變泥漿有助于在管節(jié)周邊形成泥套，有利于對(duì)地表沉降的控制，有助于頂力的減小，本文中頂力減小 5% 。

2）頂管施工過(guò)程中要保持連續(xù)施工，避免超過(guò)^12h 的停機(jī)，否則重新頂進(jìn)后頂力有較大幅度的增長(zhǎng)，本文中停機(jī) 12h 復(fù)頂后頂力增大了 15% 。

3）對(duì)于地表沉降的控制，頂管在頂進(jìn)過(guò)程中要執(zhí)行好“先注后頂、隨頂隨注、及時(shí)補(bǔ)漿\"和\"同步注漿與補(bǔ)漿相結(jié)合\"的原則，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)；距離地下管線、地下和地上建筑物較近時(shí)，適當(dāng)降低頂進(jìn)速度。

4）高濃度膨潤(rùn)土的觸變泥漿具有填充和支撐作用，漿液可以填充刀盤(pán)和機(jī)殼的間隙、機(jī)殼和管節(jié)的間隙，減小土體的變形。

5）在進(jìn)行頂管施工過(guò)程中，要加密對(duì)周邊管線和地表的沉降監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)和泥漿的量，達(dá)到較好控制地表沉降的目的。

6采用高濃度的膨潤(rùn)土需更換管徑更大的泥漿管路，否則容易出現(xiàn)堵管現(xiàn)場(chǎng)，影響現(xiàn)場(chǎng)施工。

7頂進(jìn)距離較長(zhǎng)時(shí)，需要把注漿設(shè)備放置在頂管通道內(nèi)進(jìn)行注漿，以此來(lái)保證注漿泵的壓力能把漿液順利填充土層間空隙。

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