沙漠地区大直径顶管施工护壁减阻浆液研究与应用

2018-11-21李建中卢一飞

钻探工程 2018年10期

张闯，隆威，李建中，卢一飞

(1.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南长沙 410083; 2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083; 3.深圳市建筑科学研究院股份有限公司，广东深圳 518000)

目前我国石油天然气能源、水资源需求急剧增长，石油、天然气、水资源输送管道工程项目日益增多，如西气东输、川气东送、南水北调等，许多管道不可避免穿越沙漠地区[1]。作为非开挖技术[2-6]的主要方法之一的顶管法[7-11]应用越来越普遍。在顶管施工中，为减小顶进时管外壁所受的摩擦阻力需进行注浆减阻。泥浆材料多采用合成材料和高效处理剂，有利于提高泥浆的护壁减阻性能[12]。Khazaei[13]通过FLAC3D进行了注浆减阻模拟，研究其减阻效果，将实测数据进行对比验证。Shimada[14]通过建立2D有限元模型，分析了浆液在隧道中的填充及减摩作用。Kastner与Pellet[15]通过分析整理法国微型隧道工程现场记录的各种数据，对顶管顶进中侧摩阻力所受的影响进行了研究。K. Shou, J. Yen, M. Liu[16]研究了润滑油对泥浆的影响。James C. Ni , Louis Ge , Wen-Chieh Cheng[17]通过分析影响顶管顶力的因素主要来自表面压力的穿透阻力和管道与周围土壤的摩擦阻力，研究了粗、细泥浆对顶管顶进中减小阻力的作用。Saeid Khazaei, Hideki Shimada, Kikuo Matsui[18]进行了泥浆对顶管推力影响的分析与预测。喻军、李元海[19]等研究了泥浆套的物理性质及减阻效果。魏刚、徐日庆[20]等研究了顶管施工中注浆减阻作用机理。但是鲜有人研究应用于沙漠地区大直径顶管施工注浆护壁减阻材料。

沙漠地区地层稳定性差，砂土呈松散、流动态，无粘性，摩阻力大。长距离大直径顶管施工时间长、难度大，护壁与减阻浆液性能要求高，浆液长距离输送压力损失大，作用效果不理想，顶管施工时极易造成地层垮塌埋管，顶管阻力急剧增加导致顶进失败[21]。根据诸多顶管工程施工案例和技术资料[22-25]可知，沙漠地区大直径顶管顺利顶进的关键是浆液应具有较好的润滑减阻和成套护壁作用。本文正是基于这一关键问题，开展室内试验和现场应用研究，研发出了适合沙漠地区顶管的新型护壁减阻浆液，采用高岭土聚合物浆液作为机头同步注浆浆液，无粘土高聚物浆液作为沿线跟进补浆浆液，注浆系统也将由同步注浆系统和跟进补浆系统组成，形成同步和跟进两套注浆工艺。同步注浆浆液在润滑减阻的基础上主要突出成套护壁作用，而跟进补浆浆液主要突出润滑减阻特性，从而使润滑减阻浆液系统达到最佳的润滑和护壁作用。研发的新型护壁减阻浆液应用于内蒙古乌兰布和沙漠穿沙输水项目7～9号顶段，是国内外首例沙漠地区大直径顶管工程。该研究提升了沙漠地区顶管工程关键技术、解决了护壁与减阻问题，而且将极大地推动顶管工程的快速发展，进而提升城市基建在地下空间的发展速度和石油天然气能源、水资源的开发利用效率，具有极大的社会价值和经济效益。

1 护壁减阻浆液作用机理

顶管工程中，顶管机在地层中进行掘进作业，其掘进过程中会引起管壁周围土体扰动，导致四周土体松散。严重的会产生顶进路线上方出现路面塌陷的情况，造成安全隐患。且顶管工程中管壁与周边土体间摩阻力过大也会引起施工过程中效率降低，工期变长。注浆工艺在顶管工程中是必不可少的一环。在管道顶进中注入护壁堵漏浆液，浆液能在管壁与开挖面土层之间形成密闭良好的泥浆套，一方面起到护壁堵漏作用，浆液渗入到管壁四周土层后胶结，使顶进面稳定性增加，降低周边土体的变形量，减轻土体因扰动导致地面塌陷的可能性，达到改善周边土层稳定性的效果。另一方面则是达到润滑减阻的作用，通过机头同步注浆所注入的护壁堵漏浆液有效地改善不良地层浆液漏失严重的情况，使得后续的跟进补浆润滑减阻浆液有效地作用于管壁与泥浆套之间，保证管壁与土体间的空隙能够充满浆液。由于浆液的存在使得原本管道顶进过程中管壁与土体之间直接存在的干摩擦转变为管壁与润滑浆液之间的湿摩擦，显著减小了管道顶进中的摩擦阻力。

2 浆液室内试验

2.1 实验材料

材料：高岭土、NaOH、羧甲基纤维素CMC、聚丙烯酰胺(PAM 2000万分子量)。

仪器：漏斗粘度计、ZNN-D6型旋转粘度计、ZNS型泥浆失水量测定仪。

2.2 浆液配比实验

2.2.1 机头同步注浆浆液：高岭土聚合物浆液

由高岭土、NaOH、羧甲基纤维素(CMC)按一定配比配制，对数据进行对比分析，根据施工现场要求，得出同步注浆膏状浆液配方。

不同NaOH加量对浆液的性能影响见表1。

由图1、图2可知，浆液漏斗粘度及动切力随着NaOH加量的增加而呈上升趋势，加量越大上升的速率越快即上升幅度越大。根据图表分析，数值在NaOH 加量为0.2%以后陡然增加，上升的幅度特别大，故NaOH加量取0.2%。

不同高岭土及不同CMC加量对浆液的性能影响见表2。

通过表2中数据对比发现，17.5%高岭土和20%高岭土加量时浆液的性能较好，而17.5%高岭土+0.04%CMC与20%高岭土+0.01%CMC流变性能相近，区别在于所配的浆液中高岭土含量的多少以及失水量的大小。由图3、图4可知，高浓度高岭土浆液的漏斗粘度、动切力随CMC加量增加而变大，从17.5%高岭土曲线可以看出，漏斗粘度随CMC加量的增加上升趋势明显，24 h预水化后0.04%CMC加量的浆液漏斗粘度已经超过了300 s。CMC具有明显的增粘效果。

表1 不同NaOH加量的浆液性能测试

图1 漏斗粘度变化曲线

图2 动切力变化曲线

试验编号基浆配方高岭土/%NaOH/%漏斗粘度/s塑性粘度/(mPa·s)动切力/mPa表观粘度/(mPa·s)流性指数稠度指数1(+0.05%CMC)12.00.220.066.338.510.150.5360.2471(24 h)12.00.223.568.841.012.900.6020.1992(+0.05%CMC)15.00.240.5310.572.517.750.5060.5332(24 h)15.00.264.1813.092.522.250.4980.7033(+0.05%CMC)17.50.2207.4315.5217.537.250.3373.6173(24 h)17.50.2>30017.0272.544.250.3085.2454(+0.04%CMC)17.50.2107.4116.0180.034.000.3872.3274(24 h)17.50.2>30017.0240.041.000.3354.0185(+0.03%CMC)17.50.284.5613.5185.032.000.3422.9965(24 h)17.50.2258.0018.5220.040.500.3743.0326(+0.025%CMC)17.50.268.1613.0165.029.500.3592.4506(24 h)17.50.2109.3518.0200.038.000.3902.5487(+0.015%CMC)20.00.2170.0015.5220.037.500.3343.7067(24 h)20.00.2>30019.5325.052.000.3006.5238(+0.01%CMC)20.00.2115.5018.0187.536.750.4052.2208(24 h)20.00.2164.8218.5227.541.250.3663.258

图3 漏斗粘度变化曲线

图4 动切力变化曲线

由图5和图6可知，浆液流性指数随高岭土、CMC加量增加而下降，稠度指数则随之上升。护壁浆液在堵漏性能上的要求较高，浆液拥有一定的稠度利于形成致密的泥浆套，但考虑到浆液从地表注入至地层中的输送过程，对浆液的流性指数也有一定的要求。若是浆液过稠，护壁浆液容易在输送至远端时浆液流动缓慢，泵入困难，导致泵压增大。

图5 流性指数变化曲线

图6 稠度指数变化曲线

不同高岭土及不同CMC加量对浆液失水量和浆液状态的影响见表3。

由表3可知，失水量随着CMC加量增加而减小，因此在高浓度高岭土浆液中CMC具有良好的降失水作用。在进行浆液配比试验过程中对高岭土加量和CMC加量进行调节以达到让浆液在静止后趋向于冻胶状态，使浆液粘度不会过高而影响浆液的可泵性。泥皮厚度随高岭土加量增加而增加，CMC加量对泥皮厚无影响。

表3 不同高岭土及不同CMC加量的浆液失水性测试

通过以上试验得出最优机头同步注浆浆液配方：17.5%高岭土+ 0.025%CMC+0.2%NaOH+100%水。

此配方浆液性能参数：漏斗粘度68.16 s、塑性粘度13 mPa·s、动切力165 mPa、表观粘度29.5 mPa·s、流性指数0.359、稠度指数2.45、失水量9.3 mL、浆液状态为冻胶状。

配制方法：加水60%～80%搅拌下加入高岭土及NaOH搅拌20 min，加入余量水继续搅拌10 min，慢慢撒粉方式加入羧甲基纤维素(CMC)，搅拌20 min。

2.2.2 沿线跟进补浆浆液：无粘土聚合物浆液

由纯聚丙烯酰胺(PAM 2000万分子量)配制，对数据进行对比分析，根据施工现场要求，得出同步注浆膏状浆液配方。

PAM 2000万分子量纯浆液流变性见表4。

从图7～10可知，PAM(2000万分子量)纯溶液漏斗粘度、动切力、稠度指数随PAM加量增加而上升，流性指数随之下降。其中流性指数在0.25%的PAM配比下达到试验最高值，沿线跟进补浆浆液主要突出润滑减阻特性，因此选此PAM配比为无固相聚合物浆液优化配方。由表4可知，浆液失水量随PAM加量的增加而减小，可以得出PAM具有降失水的作用。

通过以上试验得出最优沿线跟进补浆浆液配方：0.25%PAM(2000万分子量)+100%水。

此配方浆液性能参数：漏斗粘度124.5 s、塑性粘度25 mPa·s、动切力25 mPa、表观粘度27.5 mPa·s、流性指数0.874、稠度指数0.064、失水量14.4 mL。

配制方法：加水60%～80%搅拌下慢慢撒粉方式加入PAM(2000万分子量)搅拌40 min，加入余量水搅拌5 min。

表4 PAM 2000万分子量纯浆液流变性测试

图7 漏斗粘度变化曲线

图8 动切力变化曲线

图9 流性指数变化曲线

图10 稠度指数变化曲线

高浓度高岭土聚合物浆液在流沙地层中主要起到改善砂层的不稳定性，以高浓度高岭土填充不良地层中的孔隙，提高浆液护壁堵漏的性能，形成完整的护壁泥浆套。这是降低后续跟进补浆浆液漏失，充分发挥润滑减阻性能作用的关键。无粘土聚合物浆液跟进补浆通过在管道外壁设置的注浆孔注入到地层与管道之中，主要起到润滑管道，降低管道与地层之间的侧摩阻力，控制顶力增长的作用。

3 工程应用

3.1 工程概况

本工程为乌兰布和生态沙产业示范区巴音湖输水穿沙管道工程，工程地点位于乌兰布和巴音湖南侧。巴音湖输水穿沙管线是乌兰布和生态沙产业示范区输水工程的关键管线，管线采用DN3000单管供水，由乌兰湖接出，从南向北穿越乌兰布和沙漠带，终点接至巴音湖。线路全长1.52 km，共设临时顶管井5座，其中工作井2座、接收井3座，将全长分为1个250 m长的试验段和3个423.3 m长的顶段(参见图11)。本文所研究的浆液用于7～9号顶段。顶管工程管材采用特种F型钢承口钢筋混凝土管，顶管全长1520 m。每段顶管工程量见表5。

表5 顶管工程数量

施工区主要以第四系中更新统冲基层(Q2el)为主，自上而下土层主要为：松散粉砂层、稍密粉砂层、中密粉砂层，中密粉砂层中存在部分粉土层和圆砾层，其中圆砾层岩性为级配不良砾，中密，一般粒径1.00～2.00 cm，最大可见粒径约4.00 cm。管道所处标高为1071～1072m，地层变化不大，为稍密-中密粉砂土。根据地勘报告所示，本次顶管施工范围内未见地下水，且井底四周有钻孔灌注桩、高压旋喷桩加固土体，可不考虑地下水的影响。根据附近地下水资料参考，地下水为大概位于管道底部2 m位置。

图11施工总平面布置图

3.2 注浆方法

该工程应用了同步注浆和跟进补浆的方法。

同步注浆就是在管道顶进过程中将护壁浆液通过机头处设置的注浆孔注入到开挖地层中，顶进前即开始注入，并且在顶进中持续注入，达到护壁浆液能在管道顶进过程中提前渗入周边地层对其性质进行改良形成稳定泥浆套。

跟进补浆则是通过在管道外壁设置的注浆孔注入到地层与管道之中，主要起到润滑管道，降低管道与地层之间的侧摩阻力，控制顶力增长的效果。

3.3 监测数据分析

3.3.1 顶力变化分析

通过现场工程应用中对顶力数据的反馈统计，对7～4号顶段、7～9号顶段进行顶力变化趋势图的绘制(见图12、图13)。7～4号顶段机头同步注浆采用13%膨润土+0.15%CMC + 0.2%NaOH+100%水，跟进补浆采用0.45%PHP+100%水。7～9号顶段采用了本文浆液方案，对两个顶段进行对比分析。

7～9号顶段前25 m未进行注浆作业，25 m后开始注浆，机头同步注浆配比为17.5%高岭土+0.025%CMC+0.2%NaOH+100%水。根据顶力变化数据及注浆情况，结合现场记录确定泥沙层广泛分布在64～110 m段以及185～253 m段，粘土层分布于110～185 m段，其余为干流沙地层。由图13可知，顶力在粘土段明显高于附近顶段中的泥沙层，分析得出粘土段中顶管顶进过程中的正面阻力远大于泥沙层。顶力在整个顶进过程中比较平稳。

图12 7～4号顶段顶力变化趋势图

图13 7～9号顶段顶力变化趋势图

对比图12、图13顶力变化趋势可知，7～4号顶段后程中出现了顶力波动、不稳定现象，而7～9号顶段中采用了高浓度高岭土护壁浆液配合跟进润滑浆液，顶力得到明显控制。在泥沙层中顶力维持在6000 kN左右，粘土层中维持在8000 kN左右，干流沙地层中顶力曲线平稳上涨。

3.3.2 注浆量监测分析

通过现场工程应用中对注浆量的监测，对7～4号顶段、7～9号顶段进行注浆量变化趋势图的绘制(见图14、图15)。对两个顶段进行对比分析。

图14 7～4号顶段顶管注浆量变化图

图15 7～9号顶段顶管注浆量变化图

由图15可知，7～9号顶段中同步注浆量在顶进过程中趋于平稳状态，变化不大。而跟进补浆量则随着顶距的增长而上升，由于润滑浆液需要及时补充管道与地层间的空隙，达到减小管壁与砂层间摩擦力的效果，随着顶距增长而上升的跟进补浆量属于合理情况。

对比图14、图15注浆量变化趋势可知，7～4号顶段中跟进补浆在后程出现注浆量异常增大的情况，同时该顶段顶力也在后程出现波动不稳定现象。根据分析，跟进润滑浆液注浆量异常是由于同步护壁浆液护壁效果不佳导致润滑浆液出现漏失而造成的。跟进补浆日注浆量在10 m3以上波动，峰值达到了18 m3。而7～9号顶段采用了本文针对流沙地层而研制的高浓度高岭土护壁堵漏浆液有很好的护壁效果，跟进浆液注浆量随顶距增长而稳定上升，前期日注浆量保持在4 m3左右，后期保持在8 m3。

通过顶段7～4号与顶段7～9号顶力变化和注浆量监测数据对比分析可知，本文针对流沙地层所研制的护壁减阻浆液在实际工程应用中得到了显著的效果，有效地控制了顶进过程中顶力的稳定，降低了浆液在不良砂层中漏失严重的情况，研制的浆液具有很好的实用价值。