触变缓自凝泥浆在顶管施工中的应用

触变缓自凝泥浆在顶管施工中的应用

王东东

(中国中铁四局集团第二工程有限公司，江苏苏州  215000)

摘要：为规避顶管顶进结束后管节外壁与围岩环形间隙内触变泥浆的置换，减少环境污染和资源浪费。采用在膨润土泥浆中加入石灰的方法，配制出了无需置换的触变缓自凝泥浆。该泥浆在顶管顶进期间具有液态支撑和触变减阻的特性，在顶进结束后会逐步凝结硬化成具有一定强度的固体。本文详细介绍触变缓自凝泥浆的配制原理、施工流程和操作要点。

关键词：顶管；触变缓自凝；石灰；注浆

0  引  言

触变泥浆是由膨润土、水和外掺剂组成的一种胶体材料，静止时呈凝胶状，搅动后有流动性[1]。触变泥浆因其具有在围岩上形成薄而致密的不透水泥皮及润滑减阻的特性，而被广泛应用于顶管施工中。顶管顶进过程中将触变泥浆注入管节外壁与围岩之间的环形间隙，能够起到支撑围岩、防止地下水流失和减少推进顶力的作用[2,3]。

但顶管顶进作业完成后，需要将管节外壁与围岩间的触变泥浆置换为水泥浆液，这是因为触变泥浆不具有固化成固体的特性且其液态支撑能力也会随着时间的增长而劣化，液态支撑能力的下降会引起围岩产生二次变形，进而危及地下管线、地面道路及房屋等的安全[4,5]。在置换触变泥浆的过程中，水泥浆液的注入造成了资源、成本和工期的增加，置换出的触变泥浆又造成了环境污染和资源浪费。

针对上述情况，配制了无需置换的新型触变缓自凝泥浆，该泥浆除保留了传统泥浆在顶管顶进期间润滑减阻和液态支撑等特性外，在顶进结束后会逐渐凝结硬化成具有一定强度的固体。本文详细介绍该泥浆的配制原理、施工流程和操作要点。

1  配制原理

石灰是泥浆产生自凝作用的主要材料，石灰中的Ca（OH）2与膨润土中的SiO2产生化学作用，生成硅酸三钙（水泥的主要成分），其反应式为：

SiO2+3Ca（OH）2→3CaO·SiO2+3H2O，硅酸三钙继续与水反应而固结。

由于Ca（OH）2呈弱碱性的，生成硅酸三钙的反应较为缓慢，因此可配制出顶管顶进期间呈液态、顶进结束后呈固态的触变缓自凝泥浆。

根据顶管所处围岩工程地质、水文地质条件、掘进工期计划及实际采购的膨润土性能，先试配出性能合适的触变缓自凝泥浆。顶管顶进施工时间内，触变缓自凝泥浆应具有常规触变泥浆所具有的触变性、造壁能力和稳定性等性能，其比重、粘度及pH值应满足相关规范的要求；顶管顶进结束后，触变缓自凝泥浆应逐渐凝结硬化成具有一定强度的固体；触变缓自凝泥浆初凝的时间应比计划顶管顶进时间长3d~5d，以防止过早初凝导致摩阻力增加。

2 施工流程

采用触变缓自凝泥浆的顶管工程的施工重点在于配制初凝时间满足施工工期需求的触变缓自凝泥浆，配制出的触变缓自凝泥浆的初凝时间不能小于理论顶进工期，建议比理论顶进工期长3d~5d。影响触变缓自凝泥浆性能的最主要因素是膨润土自身的性能，应优先选购钠基膨润土。当触变缓自凝泥浆配制成功后，可在现场进行配制、搅拌并注浆，注浆工艺采用常规的触变泥浆注浆工艺即可。注浆量与注浆压力应根据现场监测数据优化调整。具体的施工工艺流程如图1所示。

图 1 施工工艺流程图

3 操作要点

3.1 原材料选择与采购

原材料主要包括熟石灰、水、膨润土，其中膨润土是关键。膨润土比表面积大，吸水后显著膨胀。膨润土呈板状堆叠结构，每个板块上下表面均带负电荷，能够吸附阳离子。吸附钠离子多的称为钠基膨润土，吸附钙离子多的称为钙基膨润土，钠基膨润土的膨润性能较钙基膨润土好。原材料选购时，应选择具有较高膨胀倍数、胶质价、吸蓝量和吸水率的优质钠基膨润土。

3.2 触变缓自凝泥浆配合比试验

触变缓自凝泥浆在顶管顶进期间应具有触变性和液态支撑能力，其比重、粘度、pH值及含砂率指标应满足顶管施工相关规范的要求。顶管顶进结束后，触变缓自凝泥浆逐渐凝结硬化成具有一定强度的固体，满足围岩长期支撑的需求。因此，触变缓自凝泥浆配制最关键的指标在于初凝时间的确定，初凝时间必须在顶进结束以后。在常规的触变泥浆中加入适量的熟石灰，通过正交试验得出了两组满足工程需求的触变缓自凝泥浆，其材料重量比分别为：

（1）1号触变缓自凝泥浆：膨润土:水:熟石灰:碳酸钠:CMC:缓凝剂=100:500:25:2:5:0.2；

（2）2号触变缓自凝泥浆：膨润土:水:熟石灰:碳酸钠:CMC:缓凝剂 =100:500:25:6:3:0.3。

通过表1可以发现，常规配比的触变泥浆，不具备自缓凝的特性。而加入适量熟石灰、碳酸钠、

表1 触变泥浆配比试验结果

CMC及缓凝剂后的触变泥浆，在18d~20d左右开始初凝，28d的强度可达到0.2MPa（相当于硬塑状粉质黏土的强度），既能满足顶进过程触变减阻及液体支撑的需求，也能满足顶进结束后固体支撑的需求。

现场拌制的触变泥浆原料和配合比必须与室内试验时保持一致，以防止泥浆性能不满足施工需求。现场准备了1个搅拌罐和1个储浆罐（场地允许，也可以在地面开挖两个泥浆池），搅拌罐用于拌制新鲜浆液并静置24h，储浆罐用于储存静置24h后的充分水化的浆液。

（1）称取及搅拌泥浆材料

按照试验配比方案称取所需材料重量，倒入搅拌罐内进行充分混合，加入所需水，打开搅拌机，充分搅拌1h，然后抽至储浆罐内静置24h。

（2）泥浆指标现场测定

测定静置24h后的泥浆性能，测定比重、粘度、pH值、滤失量、离析率和静切力等指标，当满足工程使用要求后，可以作为注浆材料。

3.3 触变缓自凝泥浆注浆

（1）注浆参数的确定

注浆参数主要包括注浆压力和注浆量。注浆压力一般介于理论计算的静止土压力和主动土压力之间，注浆量一般控制在理论环形间隙体积的150%~200%，注浆压力和注浆量通过监测数据来验证和调整。

（2）注浆泵的选择

注浆泵可选择活塞式注浆泵或挤压式注浆泵，根据工程注浆压力、输送长度和注浆流量等选择合适的注浆设备。

（3）注浆孔及注浆管路的设置

每两节管设置一组注浆孔，注浆孔预先留设在管节内，每组3~4个孔，沿环向均匀布置。管路采用PVC管或钢管，每推进2~3节管，注浆一次。

图2 注浆孔布置图

3.4 信息化监测

顶管施工是半经验半理论的工程，尤其是注浆压力的理论计算数值常常与实际差别很大。因此，在顶管施工初期在顶进线路方向上，加密纵横向监测点并加大监测频率是非常重要的。通过监测数据反映被保护对象的变形数值，确定注浆压力和注浆量的合理性。当沉降数值过大或者地面隆起时，应及时调整注浆压力和注浆量，直至被保护对象的变形数值在允许范围内。顶进初期，确定好注浆压力和注浆参数后，后续施工阶段仍应正常监测（监测点和监测频率较顶进初期适当放宽），防止机械故障或操作失误引起被保护对象的变形数值超标。顶管施工完成，触变缓自凝泥浆硬化阶段，也应加强监测，关注被保护对象变形数值及其发展趋势。发现异常时，应分析原因，必要时及时补注触变缓自凝泥浆。

为了实现对被保护对象的实时监测，也可采用自动化监测设备及系统，更及时地掌握施工参数的合理性。

3.5 补注触变缓自凝泥浆

随着顶进管节的延伸，管节外壁与围岩之间的触变缓自凝泥浆可能会因为向地层中渗漏或向掘进方向跑浆而造成填充不饱满。因此，当根据顶力的变化和地面变形监测等数据判断需要补浆时，应及时补浆。一般每50m~70m补浆1次。

图3 触变缓自凝泥浆注浆施工图

4 结论

利用石灰中的Ca（OH）2与膨润土中的SiO2产生化学作用生成硅酸三钙，硅酸三钙继续与水反应而固结这一化学原理，将石灰加入膨润土泥浆，配制出了触变缓自凝泥浆。该泥浆除保留了传统泥浆在顶管顶进期间润滑减阻和液态支撑等特性外，在顶进结束后会逐渐凝结硬化成具有一定强度的固体，规避了常规触变泥浆需要被置换的问题，能够节约资源和保护环境。

参考文献(References)：

[1]刘招伟，杨朝帅. 矩形顶管隧道施工中触变泥浆套形成规律及减阻效果试验[J]. 河南理工大学学报(自然科学版)，2016，35(04): 568-576.

[2]王明胜，刘大刚. 顶管隧道工程触变泥浆性能试验及减阻技术研究 [J]. 现代隧道技术，2016，53 (06): 182-189.

[3]张雪，万中正，王传银等. 无水砂层中矩形顶管施工用触变泥浆配比优化及减阻性能试验[J]. 工程地质学报，2021，29 (05): 1611-1620.

[4]袁为岭，荣亮，杨红军. 原材料含量对顶管施工触变泥浆性能的影响 [J]. 隧道建设，2016，36 (06): 683-687.

[5]杨红军，荣亮，徐虎城. 超大断面矩形顶管减阻技术在郑州市下穿中州大道隧道工程中的应用 [J]. 隧道建设，2016，36 (04): 458-464.