复合地层中顶管施工注浆浆液改良试验研究

厍龙斌

（中国十七冶集团有限公司，安徽 马鞍山 243000）

0 引言

顶管施工最明显的特点就是地层适应性问题，需要就不同的地层环境选择与之匹配的施工方法。

目前国内对于大断面长距离顶管注浆减阻技术及机理做了大量的研究[1-3]。大多数的特殊地层条件下或特定工况下的顶管施工，其注浆减阻技术应用的研究大多是仅给出其具体的施工技术方案[4]，而并没有分析其作用机理和成因。有部分学者在具体的工程案例中采用试验结合机理分析的方式分析了泥浆性能参数对护壁及减阻效果的影响[5-6]。但是对于上软下硬复合地层中的顶管施工，由于其地质条件特殊，注浆技术经验和理论有待深入研究。

本文基于昆明市水体置换通道提升改造工程，针对上软下硬的复合地层中顶管施工注浆减阻效果不佳的问题，采用室内试验结合理论分析的方法，找出产生问题的原因，并给出具体解决方法，以期为该区域的类似工程提供借鉴依据。

1 工程概况

云南省昆明市水体置换通道提升改造工程采用顶管施工法，顶管管节材料采用DN2500mm标准化钢筋混凝土管，拟建场地位于昆明滇池断陷盆地西部，区域上为湖积盆地边缘带，管线设计总长度1.52km。工程管道最大埋深达48m，共设临时顶管井9座，其中工作井4座、接收井5座，单段最长顶距为423.3m。施工区以第四系中更新统冲积层（Q2al）、湖积（Q4l）层、二叠系下统栖霞组（P1q）白云岩、灰岩为主，含有粉砂土、粉土、圆砾土。根据地勘资料，工程输水管道所处标高为1070m，地层变化不大，为稍密—中密粉砂土，层位稳定，力学性质较好，管道线路地表标高在1076～1120m，适宜管道修建。根据水文资料及勘探情况，开挖面深度处并无地下水存在。工程中第一、二共两个顶进段为工程试验段。而在试验段中出现了顶力异常波动且波动幅度大，泥浆漏失严重的问题。

2 试验段异常状态原因及机理分析

试验段所采用的泥浆配方为8%膨润土+0.2% CMC+0.2%纯碱+0.3%润滑防塌剂+水，而采用此种配方的试验段中泥浆的减阻效果并不理想，其中第一试验段由于地层土体分布不均匀，顶进过程中频繁停机，顶力波动受非泥浆性能影响因素较多，因此不再讨论。本文重点分析第二试验段的顶力及注浆量波动情况，如图1所示。

图1 试验段注浆量波动情况

从图1中可以发现，在此顶段中注浆量波动极大，基本呈现无规律的突变情况，在贯通后的实际注浆量甚至达到理论注浆量的15倍以上。而分析其原因，主要是泥浆无法成套。根据魏纲等人的研究[7]，触变泥浆是由黏土和部分外加剂与水形成的混合物悬浊液，泥浆在注入后会渗透进入土层，在土体颗粒间渗透进入一定深度后形成空间网状结构的胶质泥浆，而在土体表面形成更加稳固的胶质泥皮，此时泥浆形成完整的泥浆套才能保证浆液不发生漏失起到护壁减阻的作用。而在该工程的特殊地层环境无水砂层中，由于刀盘切削土体扰动导致隧道孔壁极其不稳定，土体的孔隙率相较开挖前更大，且扰动过后更容易形成流动状态的砂孔壁，在此种状态下若泥浆的相关性能参数不满足要求，随着泥浆的注入，泥浆的渗透性将更大，渗透范围更远，不易形成完整的泥浆套。而根据李昀等[8]和曹利强等[9]的研究，土体随着泥浆的渗透其强度还会进一步降低，这就导致本就自稳能力极差的隧道孔壁在泥浆无法及时形成泥浆套起到支护作用时极易发生坍塌，从而造成顶力的较大波动和泥浆漏失。因此在此种状态下，若想要降低顶力和注浆量最直接的方法便是对泥浆的性能加以改良，考虑到泥浆的混合物悬浊液中黏土颗粒相互搭接形成的空间网状结构的屈服应力和黏性是泥浆成套的关键性指标，通常可以用动切力和表观黏度来体现这些指标。

3 泥浆配比改良及流变性能试验

表观黏度和动切力可以通过六速旋转粘度计[10]测得。通常泥浆黏度提升采用增加黏土含量或者增加CMC含量，现用室内试验的方法讨论黏土和CMC含量对于泥浆黏度和动切力的影响，并在原有配方基础上结合工程现场需要加以改良确定泥浆配方，试验数据见图2～图5。

图2 动切力随黏土含量变化

图3 表观黏度随黏土含量变化

图4 15%黏土含量时动切力随CMC含量变化

图5 15%黏土含量时表观黏度随CMC含量变化

由图2～图5可知，提高黏土的含量和CMC含量均可以增加泥浆的黏度，而泥浆中的CMC含量增大会降低泥浆的可泵性，影响出渣效率。因此为了提升泥浆黏度首选提高黏土的含量而将CMC含量控制在较小范围，具体控制CMC含量时还需要进一步考虑失水性和浆液状态，而浆液状态为凝胶状为最佳。不同黏土和CMC掺加量下浆液的失水性见表1所示。

表1 不同黏土和CMC掺加量下浆液的失水性

由表1可知，基浆为17.5%高岭土+0.2%NaOH的4种不同CMC掺加量的浆液均为凝胶状膏体状态，其黏度和絮凝状态均满足要求。CMC 含量的增加可以减少失水量，因此CMC降失水效果好，而CMC虽增黏和降水效果好，但CMC掺加量较大时会导致浆液黏度过大，影响可泵性。因此综合考虑浆液的黏度、失水性及可泵性，同步注浆浆液的配方选定为17.5%高岭土+0.025% CMC+0.2%NaOH+水。

4 结束语

本文针对上软下硬的复合地层中顶管注浆减阻施工时顶力及注浆量异常波动且不可控的问题，通过理论结合现场监测数据及室内试验分析的方法，分析该问题的原因，并给出合适的同步注浆液的配比，得出如下结论：

由于泥浆性能不足，泥浆渗透进入上部软弱土体后，进一步降低本就自稳能力极差的受扰动的围岩强度，从而导致隧道孔壁坍塌，这是上软下硬的复合地层中顶管施工泥浆减阻效果不佳的主要原因。

通过在工程施工允许范围内提升泥浆的黏度等流变性能参数，能够有效地提升上软下硬的复合地层中顶管施工泥浆的护壁减阻效果。

泥浆的减阻能力实质上是先保证护壁能力，在能保证护壁隧道孔壁不发生坍塌的情况下才能更好地体现其润滑效果。