大断面矩形顶管减阻泥浆配制与注入技术

刘 慧 明

(苏州城市地下综合管廊开发有限公司，江苏 苏州 215000)

0 引言

近年来随着地下空间建设不断加快，安全、绿色的顶管技术将广泛用于综合管廊、地下物流通道、海绵城市等地下工程[1]，其中大断面、长距离及复杂地层顶进的矩形顶管技术渐成发展主流[2]。针对大断面土压平衡式矩形顶管，施工过程中注浆减阻技术是保证顶管施工的顺利进行的关键技术[3]。

减阻泥浆的配制与注入的选取与相应的工程特点有关，针对减阻泥浆的差异性，国内外已有一定的研究。

1 工程概况

本文以苏州城北路矩形顶管项目为工程背景，针对顶管断面大、浅覆土上穿运营地铁线路等难点，介绍了减阻泥浆的配制与注入技术的应用。创新性的将一种高浓度泥浆的新型泥浆——“浓泥”，应用在了实际工程中，取得了良好的使用效果。

人民路段矩形顶管工程位于苏州姑苏区城北东路，顶进设备采用土压平衡矩形顶管机，如图1所示。顶进长度为73.6 m，由西向东通道坡度为上坡2.7‰。顶管通道在人民路路口上跨轨道交通2号线，平均覆土深度为4.06 m，顶管底部与轨道交通2号线盾构区间竖向距离2.767 m，水平距离23 m～27 m。

管节为钢筋混凝土预制，混凝土强度等级C50，抗渗等级P8，管节断面外径尺寸为6.9 m×4.2 m，壁厚0.5 m，长1.5 m。顶管区间所穿越土层主要为③粉质粘土和⑤粉质粘土夹粉土，地下水埋深1 m～2 m，浅部微承压水赋存于粉土和粉砂层中。

矩形顶管施工中泥浆注入地层，在地层与管节间形成泥浆套，将顶进管道与土体之间的干摩擦变为湿摩擦，减小顶进时的摩擦阻力，如图2所示。此外膨润土泥浆还有填补和支撑作用，浆液填补施工时管道与土体之间产生的空隙，减小土体变形。

人民路段矩形顶管顶进过程中主要穿越粉土及粉砂地层，同时上穿地铁2号线，良好的泥浆可有效降低顶管施工对运营地铁隧道与地面的影响。因此该地层要求泥浆具有足够的粘度和小的滤失量，减小管壁周围土体扰动；具有良好的触变性，使泥浆注入后能迅速变成凝胶状，支撑地层；具有稳定性，不因地下水侵入、随时间增长而失去稳定性。

2 泥浆的配置与注入

2.1 泥浆的配置

泥浆主要采用膨润土与水进行配制，配制比例为4%～5%。当浆液被搅拌、振动或泵送时，转变成黏性液体；当其再次处于静止状态时，又会形成凝胶体。本工程泥浆配制主要采用了以下5种材料：

1)优质膨润土：采用稳定性好、造浆率高的钻井用钠基膨润土，其胶体率大于96%，含砂率小(0%～0.3%)；

2)CMC(羧甲基纤维素纳)：降滤失剂，有高粘、中粘和低粘三种，对于砂层顶管施工，粘度不是主要的性能，采用低粘CMC即可；

3)PHP(水解聚丙烯酰胺)：絮凝剂，高水解度的PHP还具有提粘、防漏、降滤失性能；

4)烧碱NaOH，改善粘土的水化分散能力；

5)清水。

通过实验确定每种原材料的三种最优含量，在现场进行正交实验，检查各材料的配伍性，通过滤失量、粘度、触变性等参数的大小，确定泥浆的最优配方。相关结果如表1所示。

表1 泥浆配比正交实验表

正交实验表明，膨润土加量增加使泥浆性能增加明显，添加10%的膨润土泥浆性能可达到70 s以上，如添加10%膨润土+1.5%CMC+1.0%烧碱+0.3%PHP泥浆性能优越，粘度达到78 s，失水量达8 mL/30 min。但原材料用量大、不够经济，而且泥浆粘度大、泵送困难。可在失水量大的局部地段使用。

对于一般地段，现场采用5%膨润土+1.0%CMC+1.0%烧碱+0.6%PHP，泥浆性能为63 s(粉砂地层>45 s即可)，失水量为10 mL/30 min(粉砂地层<15 mL/30 min即可)。对于砂土含量高、水压高的地段，可采用特殊地段泥浆配方：7.5%膨润土+1.5%CMC+1.0%烧碱+0.6%PHP，相应增加了膨润土和CMC的含量，增加泥浆粘度及减小泥浆滤失量。

最终确定现场采用的泥浆配方如表2所示。

表2 现场采用优质泥浆配比及性能

2.2 泥浆的注入

由于隧道覆土较浅，注浆设备选用螺杆泵，注浆过程中无脉动，注浆压力均匀平稳。注浆孔沿管节周围进行布置，实际管节使用了12个DN25减阻注浆孔。注浆管路分为总管和支管，其中总管采用DN50的钢管，支管采用DN25的胶管。注浆管路如图3所示。

泥浆注浆分同步注浆和二次补浆两步进行，一般每节同步注浆量为理论注浆量的3倍～4倍，每节二次补浆量一般为同步注浆量的0.2倍～0.3倍[1]；注浆压力为地层压力的1.1倍～1.3倍；注浆时必须遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”[2]的原则，确保及时形成完整的泥浆套。施工过程中以注浆量控制为主，注浆压力控制为辅，并有效监测地面、地铁隧道结构、顶管机姿态等变化，及时调整注浆工艺，确保减阻效果。

2.3 效果评价

依据人民路北侧顶管单位面积摩阻力监测分析，顶管在顶进10 m之前，由于未使用泥浆，管节外壁与管周土体直接接触，导致单位面积摩阻力过大；顶进10 m之后开始使用泥浆，泥浆逐步填充管土之间的间隙，泥浆套逐步形成，单位面积摩阻力下降明显；后期泥浆套持续作用，摩阻力变化平稳，直至顶进完成顶管机出洞。整个过程中由于使用泥浆，单位面积摩阻力可有效降低70%～80%。

3 结语

1)减阻泥浆的配制与相关注浆技术可有效降低管土之间摩阻力，并对地层形成有效支撑，保障了大断面矩形顶管的正常施工。

2)通过室内正交实验，优选出符合现场实际的泥浆配方。对于一般地段，现场采用5%膨润土+1.0%CMC+1.0%烧碱+0.6%PHP，对于砂土含量高，水压高的特殊地段，现场采用7.5%膨润土+1.5%CMC+1.0%烧碱+0.6%PHP。