触变泥浆减阻在顶管中的应用

触变泥浆减阻在顶管中的应用

李鹏飞

130184199005286013

摘要：目前随着我国城市化规模不断扩大，城市需要修建大量的市政工程，市政工程中的污水管道往往位于最底层，埋深通长较深，而污水管道的修建工程通常采用顶管技术，由于顶管顶距长、摩擦力大、顶进困难，因此触变泥浆减阻技术应运而生，所以在顶管工程中应用好触变泥浆减阻技术不仅能加快施工进度、减少中继间的使用、保障工程质量，还能带来良好的经济和社会效益。

关键词：顶管  触变泥浆  减阻  应用

前言

现代顶管施工工艺过程中往往会存在两种阻力，一是顶进过程中顶管机迎面的阻力，这种阻力由埋置深度和土质情况决定的，往往不能改变；另一种阻力为管道外壁与土体之间的摩擦力，这种摩擦力与顶进长度呈线性增加的关系。顶管在顶进过程中，在土体与管壁之间注入泥浆，不仅能起到润滑作用，还能起到支撑作用，因此通过触变泥浆减阻技术减小这种摩擦力为本论文研究方向。

1  注浆减阻原理

对于大管径长距离顶管，管节外壁摩阻力是远远大于正面阻力的，若在顶进中向管壁外注入合理配比的触变泥浆，使之形成泥浆套，将固体间的滑动摩擦变为固液间的滑动摩擦，将极大地减小土体与外壁间的摩阻力。在灌注和运输过程中的触变泥浆具有流动性，呈胶状液体，具有润滑减阻作用；但是经过一定时间静置的触变泥浆，泥浆固结呈胶凝状，对土体可起到支护作用；当管节顶进时，泥浆就会被扰动，又变回胶状液体。此过程周而复始并且贯穿于整个顶进过程中。

总之，触变泥浆减阻管壁的原理可以归结为两个方面： ① 形成薄膜：触变泥浆中的聚合物和颗粒可以在管壁上形成一个均匀的薄膜，使管壁表面光滑，减少与泥浆之间的接触面积，从而减少摩擦力。 ②降低粘度：触变泥浆在低剪切速率下的粘度较高，可以有效地减少管壁与泥浆之间的摩擦力。

2  工程概况

郑州新龙路项目位于河南省郑州市中原区西北部，本项目顶管管径为DN1800mm，管材为Ⅲ级重型加强加筋F型钢承管，顶进长度为88m至110m，管道埋深为8m至15m。

3  地层岩性

第一层:素填土：褐黄色，稍湿，松散一稍密。堆积时间大于5年，成分以粉为主，土质不均，含少量碎石、砖块等；

第二层:黄土状粉土：褐黄色，稍湿、稍密-中密，有砂感，具有湿陷性，含云母及铁质班点，偶见质结核及蜗牛克碎片，摇震反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低，地基承载力基本容许值fa0=120kPa ；

第三层：粉土：褐黄色，稍湿、稍密一中密，含云母及铁质班点及少量质结核，摇震反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低；fa0=150kPa；

第四层：粉土：褐黄色，密实，含云母及铁质班点及少量钙质结核、摇震反应中等，无光泽反应，干强度中等。韧性中等；fa0=170kPa。

4  注浆施工工艺

4.1注浆材料制备

触变泥浆是一种具有特殊性质的泥浆，它在静止状态下呈现出液态，但在受到剪切力作用时，会迅速变成半固态或固态状态。触变泥浆通常由水基泥浆、胶体粘土和一些特殊添加剂组成。其中胶体粘士可以增加泥浆的黏度和塑性，提高其润滑和封堵能力。特殊添加剂可以包括聚合物、胶体颗粒等，用于改善泥浆与地层之间的相容性，并增强其抗剪切能力。

本项目注浆材料选用以膨润土为主。按照膨润土：水：火碱：纤维素=1:8:0.05:0.05重量比的比例拌成润滑浆。在顶管过程中，注入减阻泥浆需与顶进工作同步进行，它是提高顶进速度、减少阻力的重要环节。膨润土一般要求胶质价在80以上。膨润土进场后，先测定其胶质价，根据胶质价确定配合比，见下表：

为保障触变泥浆的质量，需将膨润土泥浆的拌和时间控制在15至25分钟。泥浆制备后，不能立刻使用，须先静置24小时，使其膨润成胶体，充分吸收水分后再使用，用比重计测其比重，掌握在1.2为宜。

4.2注浆管路布置

为了保证压浆效果,需要在工具管尾部环向均匀地设置四只注浆孔,以便顶进时可同时进行注浆。工具管后面的三节混凝管节上均设置注浆孔，以后间隔一节便设置一节有注浆孔的管节。混凝土管节上的注浆呈90°设置，每环之间交错布置，呈梅花状,注浆压力控制在0.15~0.20 MPa之间,注浆孔采用φ20 mm的预埋钢管，其内侧带有螺纹,以便于与压浆软管连接,并且不用时可以进行封堵。

4.3注浆

注浆施工遵循“先注后顶、随顶随注、及时补浆”、“同步注浆与沿途注浆相结”的原则。顶管机直径比管节大40mm，管节外侧形成20mm厚的环形空隙。顶进的同时，需对注浆孔同步压注触变泥浆，及时填充管外空隙，形成初始泥浆套。顶管机后连续3节管节均设置注浆断面，以保证初始浆套的完整。由于浆液会被压缩和渗透图体内，因此泥浆量要大于空隙体积，根据经验及试验确定，同步注浆量应按管外环形空隙体积的2.5倍至3倍进行控制。

大直径管道注浆孔各孔间距较大，高差也较大，若向各孔同时压注浆液，顶部和距主管较远的注浆孔将不会出浆。故沿线补浆采用逐个开启注浆孔球阀的方式进行单点补浆，每次只有 1个球阀打开以确保每个注浆孔都能保量压入泥浆特别需要注意的是，补浆应始终从后向前逐点压注，使管外壁浆液运动方向与顶进方向保持一致。否则浆液可能产生制动作用，造成顶进阻力大幅上升。

注浆压力应略高于地下水土压力，施工中控制在 0.15~0.2MPa之间，不宜过大。长距离注浆压力损失较大，注浆管沿线各处的压力相差较大，注浆主管上安装的压力表间隔不大于100m，各注浆点压力以就近的压力表读数为准。大直径顶管还应对管道的上、下进行分部、分时注浆，因为静止时，管道在全部重力作用下沉落于底部，管道下部浆液易流失。因此，在每次顶进开始前应向管下方2孔补充浆液。在顶进过程中，管顶的浆液比管底更容易流失，故顶进开始后，对管道上方的4个注浆孔进行“随顶随注”补浆，及时补充浆液损失。

4.4注浆效果检查

通过注浆前后千斤顶定力变化可分析出，注浆后千斤顶顶力值明显降低，说明土体与管道外壁的摩擦力明显降低，同时顶进速度也明显得到提高。

5  结束语

顶管技术在当今工程建筑施工中的应用越来越广泛，大直径长距离顶管的成败一个重要因素在于减阻效果的好坏。选择合适的注浆材料及配比，合理布置注浆系统,保证同步注浆形成良好的初始浆套,对沿线管道进行单孔补浆,并对管道上、下部位采取不同的补浆方式,以保持泥浆套的完整,同时监控好各 注浆断面附近的注浆压力，可取得良好的注浆效果，达到减少中继间的用量、增加顶管井之间的距离、降低工程成本的目的。

参考文献：

1.邱跃然，李晓明，顶管过程中触变泥浆减阻的原理及应用，市政技术2021（5）

2.张立新 ，大直径超长距离顶管触变泥浆减阻技术的应用，特种结构2013（4）