一种用于高渗透土层的顶管新型泥浆材料

一种用于高渗透土层的顶管新型泥浆材料

李静静，林鸿福，宋海明，叶秋杉

摘要：泥浆在顶管施工中起着重要的减摩、润滑，平衡井壁压力等作用。对于不同土层或地质条件的顶管施工，泥浆的组成也需相应变化。本文根据现场施工中遇到的问题，对泥浆材料进行改良处理，制备出一种适用于砂质高渗透土层的新型泥浆材料。

关键词：顶管泥浆

一．概述

泥浆是钻孔施工中的重要施工材料之一，起着平衡井壁压力、冷却钻头、悬浮钻渣、保护井壁等作用。在桥梁钻孔灌注桩、石油钻井、非开挖穿越、地下连续墙等工程的施工中均占有重要地位。

顶管施工技术是继盾构施工之后发展起来的一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁路、河川、地面建筑物，地下构筑物以及各种地下管道等。顶管施工借助于主顶油缸及管道间、中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收井内吊起。与此同时也把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间，以期实现非开挖敷设地下管道的施工方法。

泥浆在顶管施工中起着非常重要的作用，是顶管推进过程中的润滑剂。由于顶管施工中地质条件差异较大，泥浆的组分也随之变化。本文针对在现场施工中遇到的问题，分析考察现场施工地质条件，制备出了一种适合于砂质高渗透土层的顶管施工用泥浆新材料。二．泥浆在顶管施工中的作用机理

在顶管施工过程中为减少摩擦阻力，后续管节的直径比掘进机的直径要小2-5cm，使管道与土体之间会产生空隙；纠偏时对土体一侧产生挤压作用，而另一侧由于应力释放形成空隙，因此在顶管顶进的曲线轨迹中存在许多这种空隙[1]。

注浆时，从注浆孔注入的泥浆会先填补管节与周围土体之间的空隙，抑制地层损失的发展。泥浆与土体接触后，在注浆压力的作用下，注入的浆液将向地层中渗透和扩散，先是水分向土体颗粒之间的孔隙渗透，当泥浆达到可能的渗透深度后静止下来，只需经过一个很短的时间，泥浆就会变成凝胶体，充满土体的孔隙，形成泥浆与土壤的混合土体；随着泥浆渗透越来越多，在注浆压力的挤压作用下，许多的渗透块之间粘结、巩固，形成一个相对密实、不透水的套状物，称为泥浆套，它能够阻止泥浆继续渗入土层。

由于掘进机的开挖会对管道周围土体产生扰动，使部分土体结构遭到破坏而变成松散土

体，在注浆压力作用下，泥浆套能够把超过地下水压力的液体压力传递到土体颗粒之间，成为有效应力压实土体。同时泥浆的液压能够起到支撑隧洞的作用，使其保持稳定，不让土体坍塌到管道上。

如果注入的润滑泥浆能在管道的外围形成一个比较完整的泥浆套，则接下来注入的泥浆不能向外渗透，留在管道与泥浆套的空隙之间，在自重作用下，泥浆会先流到管道底部，随后向上涨起。当隧洞充满泥浆时，顶进管在整个圆周上被泥浆悬浮液所包围，受到浮力作用，管道将至少变成部分漂浮，它们的有效重量将变小，甚至可能变成负的。管道在泥浆的包围之中顶进，泥浆能够起到非常好的减摩效果。

因此优质顶管泥浆必须具有良好的形成致密泥浆套的能力，优异的触变性能和低的滤失量。

三．FHDF25泥浆在顶管工程中出现的问题

FHDF25是浙江丰虹粘土化工有限公司生产的一种高效低固相泥浆，其特点是具有优异的造浆性能、护壁性能，与传统的泥浆土相比，用量少、泥浆再循环利用率高，污泥排放量少。曾在上海隧道地下连续墙施工中取得良好的应用效果。

FHDF25在上海军工路3.5m直径顶管中使用，泥浆浓度35-40kg/m3，开始一周顶进过程未发现异常，后期出现泥浆大量流失，顶管推进困难现象。改用1#泥浆土配制的泥浆完成继续推进，顶管推进恢复正常。采用1#泥浆土配制的泥浆浓度为100kg/m3。

对现场地质条件进行分析，发现在该工段，顶管顶进了孔隙率、渗透率较高的流沙土层。

比较FHDF25泥浆土和1#泥浆土配制泥浆的固相组分和流变性能，分析FHDF25失效原因。两种泥浆的固相组分和流变性能如表所示。

表1.泥浆固相组分表

泥浆含固量% 湿筛+200目% 200-300目% Σ+300目%

1#泥浆10 18.5 4.3 22.8

FHDF25 3.5 2 1 3

从表1中可以看出，1#泥浆中+200目（＞75μ）的粗颗粒比FHDF25多8-9倍。

表2. 两种泥浆流变性能表

泥浆名称含固量测试

时间

Φ600 Φ300Φ3AV PV YP YP/PV τ滤失量

1#泥浆10%

即时26.5 18.5 7 13.3 8 5.36 0.67 3.58

11.0 10min 28.0 19.5 10.5 14.0 8.5 5.62 0.66 5.36

24h 31.5 23.0 13.5 15.8 8.5 7.4 0.87 6.9

FHDF25 3.5%

即时32.5 22.0 3.5 16.25 10.5 5.87 0.56 1.79

13.0 10min 35.0 24.5 6.0 17.5 10.5 7.15 0.68 3.06

24h 43.0 31.0 9.0 21.5 12.0 9.7 0.81 4.60

从表中可以看出，FHDF25泥浆含固量为1#泥浆的1/3的情况下，其表观粘度高于1#泥浆，静切力低于1#泥浆，动塑比相近。较高的静切力在停机后重启动时可能产生瞬时较大的阻力，因此希望泥浆的静切力越低越好。FHDF25泥浆的滤失量略高于1#泥浆，但仍属于滤失量相对较低的泥浆。

概括而言，FHDF25的流变性能要明显优于1#泥浆，其造浆率高，是1#泥浆的3倍，泥浆比重小，易于泵送。但在孔隙率、渗透率高的砂砾质土层中FHDF25极易流失，无法形成稳定泥浆套。而1#泥浆虽然造浆率低，但在孔隙率、渗透率高的砂砾质土层有较好的应用效果。

分析比较认为两种泥浆最大的区别在于1#泥浆中粗颗粒比FHDF25高8-9倍。由于1#泥浆中含有大量粗颗粒石英，固相含量高达10-12%，这些不分散的粗颗粒能有效填充砂层孔隙，降低泥浆向孔隙的渗透深度，从而形成低渗透率的泥浆套，阻止泥浆的进一步流失，在顶管周围形成泥浆悬浮液，将顶管悬浮起来，起到顶管推进的减摩作用，使顶管推进工作顺利进行。即：FHDF25泥浆失效的主要原因是，该泥浆土制备出泥浆为细分散泥浆，其无法有效阻塞沙孔，使得后继泵送进入的泥浆迅速渗透到底层深处，致使泥浆流失量大，无法形成稳定的泥浆套，无法将顶管悬浮，同时机头泥沙不能有效送出，导致推进阻力加大。

由于1#泥浆存在造浆率低，泥浆土用量大的缺点，因此希望对FHDF25泥浆土进行改良，制备出适合于该高孔隙、高渗透沙质土层的高效低固相泥浆土。

四．改良型FHDF25泥浆土的制备

FHDF25泥浆土含沙量低，属细分散泥浆，对于孔隙率高渗透性好的砂砾土层，由于填充孔隙的粗粒少，难于有效堵塞砂质孔隙，泥浆流失大，造壁性能降低，造成顶管推进润滑性差，阻力增大。因此，对于这类渗透性高的砂质土层，FHDF25不适用。针对这类土层，泥浆中应含有一定量的粗颗粒填充料，以便于封闭孔隙，以利于造壁，阻止泥浆无效流失。