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*

张 雪 万中正 王传银 刘 杨 刘 硕 王汉勋 张 彬

(①中国地质大学(北京)工程技术学院， 北京 100083， 中国)

(②中铁四局集团第三建设有限公司， 天津 300163， 中国)

0 引 言

随着社会经济的迅猛发展和城市化建设进程的加快，地上空间供需矛盾日益尖锐，开发城市地下空间可有效缓解土地压力和治愈“城市病”(张彬等， 2019)。顶管施工作为地下工程中的一种与盾构法相似的非开挖管道铺设技术，由于不开挖路面、施工扰动小、保护城市景观等优点，近年来被广泛地应用于城市地铁出入口、综合管廊、地下商业街等工程中。然而，顶管施工过程中出现的管土摩阻力过大使得顶管机上方土体随顶进方向发生移动或压缩变形而造成的“背土效应”问题是施工中存在的一大难题，如何有效地减小顶管施工中的摩阻力是一项重要的研究课题。

触变泥浆是一种具备特殊矿物结构和触变性能的减阻材料，在顶管施工过程中，其犹如人体的血液，充满于管道和土体之间的2～5cm环形空间，一方面可以将顶进管道与土体之间的干摩擦转换为液体摩擦，从而减小顶进的摩阻力； 另一方面可以填补管道与土体之间产生的空隙，从而起到减小土体变形和支撑地层的作用。触变泥浆主要由膨润土、纯碱、CMC和其他外加剂组成。将以上材料按一定配比溶于水中使其成为泥浆溶液，静止时泥浆呈胶凝状态，一经外界扰动就变成流体状态，而外界因素停止作用后，水溶液又变为胶凝状态，该性能即为触变泥浆特有的触变性(袁为岭等， 2016)，该性能使得其较好地发挥减阻作用，大大提高顶管施工的效率。

多年来国内外学者对触变泥浆开展了较多的研究，取得了一定的成果。袁为岭等(2016)通过开展类比试验，分析了触变泥浆中各种原材料含量对其性能的影响，最终根据郑州市顶管隧道工程地质条件得出了适合本工程的泥浆配合比。沈磊磊(2019)根据5种配比材料(膨润土、CMC、纯碱、PAM等)含量的改变，测定了减阻泥浆漏斗黏度、失水量和析水率3个指标的变化规律，研究了各原材料含量对泥浆性能的影响。诸葛恒源(2018)通过试验研究，对膨润土泥浆的比重、漏斗黏度、绝对黏度、析水率、滤失量等进行测定，界定了泥浆的性能要求，给出的泥浆性能参数为类似地质条件的工程提供了参考。王李昌等(2018)对泥浆材料的特性开展了研究，并探讨了泥浆护壁减阻机理，总结了泥浆、土体、管道间作用相关性及泥浆减阻机理，确定了膨润土-PAM浆液的配比并将其应用于水下复杂地层长距离超大直径顶管工程。王明胜等(2016)结合具体工程，对触变泥浆制备、注浆设备选型、注浆参数设计以及管节表面涂蜡等减阻技术开展了研究。喻军等(2015)研究了顶管泥浆套的物理性质，提出了保证泥浆套完整性的关键是掌握土层的分布情况和配制性能最佳的泥浆。寇磊等(2016)采用新型设备探地雷达对顶管施工中的触变泥浆进行了探测，通过雷达探测最终获取到了触变泥浆套的分布情况。刘招伟等(2016)研究了触变泥浆在不同地层条件下的扩散半径和减阻效果，还通过室内试验探究了泥浆的微观结构组成与顶管顶力的关系，优化了泥浆的配比和施工工艺。童聪等(2020)结合昆明市某排水工程案例，对顶管工程触变泥浆作用机理进行了研究，对比分析了在优化工艺条件下触变泥浆对顶力的影响，得出了触变泥浆能显著减小顶管的推力的结论。张鹏等(2017)采用协调表面Persson接触模型分析了管土接触特性，得出了考虑接触压力分布影响的管土摩阻力，并结合泥浆触变性和流体力学平行平板模型计算了管浆摩阻力。刘月等(2018)分析了福山路调蓄池管道工程的注浆数据，得到了地质条件为粉砂质泥岩时混凝土管道外壁与周围土体产生的平均摩阻力的经验值。以上研究多以触变泥浆的性能、泥浆套、注浆工艺及管土摩阻力计算公式为研究对象，对触变泥浆的配比研究主要采用试验量较大的类比试验法，因此针对触变泥浆最优配比及减阻性能仍需进一步开展研究。

本论文在已有研究成果的基础上，以北京城市副中心通州区潞城镇综合管廊工程为依托，以膨润土、CMC和纯碱为触变泥浆材料，开展室内泥浆正交配比试验，优选出触变泥浆的最优配比。其次，结合实际工程中的砂土，开展缩尺的模型试验，探究触变泥浆实际的减阻效果，进一步验证最优配比的可靠性。最后，通过扫描电镜显微观察，揭示触变泥浆微观结构和减阻机理。本研究成果可为该依托工程和类似工程顶管减阻提供科学依据。

1 工程概况

该双线矩形管廊工程位于北京市城市副中心通州区潞城镇畅和西路，采用双线矩形顶管方式施工，管廊顶进外包尺寸为7.7m×4.5m，单节管片长1.5m，壁厚0.5m。工程建设场地地层岩性为无水粉细砂土，顶进时采用SYB50型液压注浆泵注入触变泥浆减阻。

2 触变泥浆配比试验及减阻性能研究

2.1 触变泥浆性能指标

目前不同的工程对触变泥浆性能的关注点有所不同，选择的评价指标也有所差异。本文主要针对无水砂层中矩形管廊顶管施工用触变泥浆，以下述关键指标构建泥浆综合性能评价体系，为之后优化泥浆配比提供参考依据。

(1)失水量。一定体积的泥浆在0.69MPa的压力下滤出的溶液体积。失水后泥浆固相颗粒附着在一起形成“滤饼”。顶管施工中要求触变泥浆的失水量≤25cm3/30min，滤饼致密完整(王明胜等， 2016)。

(2)析水率。触变泥浆静置24h后从浆液中离析出来的水的体积与原泥浆体积的比值。施工中要求触变泥浆析水率为零(王明胜等， 2016)。

(3)密度和pH。泥浆密度过低无法支撑地层，过高则流动性较差。pH值>11，泥浆不稳定，会出现分层现象，而过酸会腐蚀管材。通常要求密度为1.05～1.16g·cm-3，pH为8～10之间(诸葛恒源， 2018)。

(4)表观黏度和塑性黏度。反映泥浆网架结构强度的大小，其大小适中时泥浆网架结构强度较高。

(5)静切力和动切力。触变泥浆在静置状态时克服其内部摩擦作用而发生流动所需要的最小剪切力为静切力(初切力和终切力)，其中使泥浆处于层流流动状态时所需要的最小剪切力为动切力。

(6)触变性。评价泥浆质量良好与否的重要性能指标，触变性较强的泥浆减阻效果较好。

(7)动塑比。衡量泥浆剪切稀释特性的重要性能指标，反映剪切稀释作用的强弱。

2.2 试验材料及方法

正交试验可以实现多因素、多水平的研究，能够较好地反映全面试验的结果，是一种高效率、快速且经济的试验设计方法(李云雁等， 2010)。本文采用正交试验，通过测定不同原材料配比的泥浆性能参数，探究原材料含量的变化对泥浆性能的影响规律，最终得出满足性能指标的泥浆最优配比。

试验选用的原材料为钠基膨润土、CMC及纯碱(图1)。

图1 膨润土(左)、CMC(中间)和纯碱(右)

取3个影响因素5个水平进行正交试验，按正交表选取L25(56)的前三列来构造正交试验方案，一共开展了25种组合的试验(赵选民， 2006)，选取的3个影响因素具体如下：

A. 膨润土质量占泥浆总质量的百分比；

B.CMC质量占泥浆总质量的百分比；

C. 纯碱质量占泥浆总质量的百分比。

3种因素的5个具体水平值如表1所示。

表1 配比参数取值

按照正交试验设计表2中的配比组合测定触变泥浆的性能参数。图2为触变泥浆性能参数的测定过程及所用到的试验仪器。

表2 正交试验设计表及试验结果

具体的步骤如下：首先，按照原材料配比使用低速搅拌机(图2a)和高速搅拌机(图2b)配制触变泥浆(图2c)； 其次，使用ZNN-D6型六速旋转黏度计测定触变泥浆的失水量、黏度等流变性能参数(图2d)； 之后，取100mL泥浆装入量筒中，并用保鲜膜进行密封，静置24h后观察析水情况(图2e)； 最后，用数显液体密度计(图2f)和pH试纸分别测定触变泥浆的密度和酸碱度(图2g)，并使用API滤失仪测定失水量(图2h)和滤饼厚度(图2i)。

图2 试验仪器及性能参数测定

每种组合进行3组平行试验，在试验结果分析中每种组合取3组平行试验结果的平均值作为该组合的最终试验结果，具体试验结果如表2所示。

2.3 正交配比试验结果分析

根据正交试验结果计算出均值和极差大小，对各个影响因素的重要性进行排序，并通过泥浆性能评价指标确定各个影响因素的最优水平，最终将各个影响因素的最优水平进行组合作为正交试验的最佳组合方案(王其宽等， 2020)。

2.3.1 各影响因素对泥浆性能参数贡献效果分析

图3是各影响因素对失水量的贡献效果图，横坐标分别表示各影响因素对应的5个水平值，纵坐标表示失水量的值。从图3中可以看出，对泥浆失水量影响最大的为因素A，因素B次之，因素C影响最小。表3求出了各影响因素的极差R，得出各影响因素的重要性排序为：A、B、C。失水量越小，泥浆性能越好。从图3中可以看出，失水量随着膨润土、纯碱含量的增加整体呈减小趋势，当膨润土含量为10%时，泥浆的失水量较小，已足以满足性能指标要求，此时泥浆的性能也较好，此后再增加膨润土含量，失水量进一步减小，但结合经济成本考虑，膨润土含量取10%最佳； 纯碱含量为0.5%时，失水量达到最小值； 失水量随着CMC含量的增加先减小后增大，当CMC含量达到0.2%时，失水量最小，之后再增加CMC的含量，泥浆的增稠效果降低，失水量略微增加。因此，确定最佳组合为A4B4C5或A5B4C5。

图3 各影响因素对失水量的贡献效果图

表3 触变泥浆失水量结果分析

图4是各影响因素对滤饼厚度的贡献效果图，横坐标分别表示各影响因素对应的5个水平值，纵坐标表示滤饼厚度的值。从图中可以看出，对触变泥浆滤饼厚度影响最大的为因素A，因素B次之，因素C影响最小。表4求出了各因素的极差R，得出各影响因素的重要性排序为：A、B、C。从图中可以看出，在一定配合比下，滤饼厚度随着膨润土、CMC含量的增加整体呈增大的趋势。此外，当膨润土含量为10%、CMC含量为0.2%时，滤饼厚度较大，之后再增加两者的含量，滤饼厚度保持稳定均不再增大。纯碱在泥浆中起到提高泥浆水化分散能力的作用，从图中可以看出，当纯碱含量小于0.2%时，纯碱对泥浆的水化较弱，泥浆分散度不高，滤饼较厚； 随着纯碱含量的增大，纯碱含量超过0.2%时，纯碱水化作用增强，滤饼厚度呈减小趋势； 而当纯碱含量超过0.4%时，泥浆的水化作用将不再增强，滤饼保持一定的厚度，纯碱含量达到0.5%时，滤饼致密完整，厚度较大，质量较好。综合以上分析，确定最佳组合为A4B4C5。

图4 各影响因素对滤饼厚度的贡献效果图

表4 触变泥浆滤饼厚度结果分析

图5是各影响因素对泥浆析水率的贡献效果图，横坐标分别表示各影响因素对应的5个水平值，纵坐标表示析水率的值。从图5中可以看出，因素A对触变泥浆的析水率影响最大，因素C次之，因素B影响较小。表5求出了各因素的极差R，得出各影响因素的重要性排序为：A、C、B。析水率较小时泥浆性能最好，当膨润土含量达到10%时，析水率为0。析水率随CMC含量的增加变化趋势复杂，当CMC含量小于0.1%时，其增稠效果不明显，析水率较大，而后再增加CMC的量，增稠效果显著，CMC含量为0.2%时，析水率最小，此后再增加CMC的含量，增稠效果降低，析水率略微增加。当纯碱含量为0.5%时，泥浆的析水率达到最小值。所以确定最佳组合为A4B4C5。

图5 各影响因素对泥浆析水率的贡献效果

表5 触变泥浆析水率结果分析

2.3.2 触变泥浆原材料含量对泥浆性能的影响分析

图6是泥浆性能参数随膨润土含量的变化图。从图6中可以看出，触变泥浆的塑性黏度、触变性随着膨润土含量的增加先增大后减小。当膨润土含量为10%时，塑性黏度、触变性达到最大值，此时泥浆内部的网架结构强度最大，触变性较好。泥浆的失水量随着膨润土含量的增大而减小，当膨润土含量达到10%时，触变泥浆的失水量已较小，足以满足泥浆失水量指标的要求，此后再增加膨润土含量，失水量减小速率较为缓慢。此外，当膨润土含量大于10%时，膨润土在水中难以分散均匀而且状态极其不稳定，有泥浆聚集和沉降的现象出现，形成的滤饼结构致密性也不好。触变泥浆的动塑比、表观黏度、动切力、初切力及终切力随着膨润土含量的增加而增大。当膨润土含量为10%时，泥浆的动塑比、表观黏度、动切力、初切力及终切力大小适中，表明此时泥浆具有较好的剪切稀释性，泥浆流动性能较好，内部结构较为稳定。

图6 泥浆性能参数随膨润土含量的变化图

图7是泥浆性能参数随CMC含量的变化图。从图7中可以看出，触变泥浆的塑性黏度随着CMC含量的增加而增大，随着CMC含量的增加，触变泥浆的内部结构增强，当CMC含量大于0.2%时，再增加CMC的含量，触变泥浆的塑性黏度增加速率缓慢。失水量随着CMC含量的增加而减小，当CMC含量大于0.2%时，再增加CMC的含量，触变泥浆的失水量减小速率变缓慢。当CMC含量为0.2%时，触变泥浆失水量较小且能够满足失水量指标要求，此时泥浆结构强度也较好。

图7 泥浆性能参数随CMC含量的变化图

图8是泥浆性能参数随纯碱含量的变化图。从图8中可以看出，触变泥浆的初切力和终切力随纯碱含量的增加先减小后增大，表观黏度随纯碱含量的增加而减小。当纯碱含量为0.4%时，泥浆的初切力和终切力达到最小值，而当纯碱含量为0.5%时，初切力和终切力达到最大值，此时的初切力、终切力和表观黏度均满足性能指标的要求，说明此时泥浆内部网架结构强度较好，减阻性能较好。

图8 泥浆性能参数随纯碱含量的变化图

综合各影响因素对泥浆各项性能参数的贡献效果以及各组分含量对泥浆性能参数的影响分析，最终确定触变泥浆的最优配比为10%膨润土、0.2% CMC、0.5%纯碱和89.3%水，该配比的泥浆流动性和分散性较好，失水量较小，“滤饼”致密均匀，析水率为零，触变性较好，同时在经济效益方面也较好，综合性能最优，其性能参数见表6。

表6 触变泥浆性能参数

2.4 触变泥浆减阻效果研究

在确定泥浆最优配比的基础上，结合实际工程中砂土的力学性质，开展缩尺模型试验，更为直观地探究无水砂层中矩形管廊顶管施工触变泥浆的减阻效果。设计了两个小模型(图9)，选取了不同配比的触变泥浆和与施工现场管片材质相同的C35混凝土试块开展试验(图10)，测定在未注浆和注入不同配比的触变泥浆条件下，试块与砂土之间的摩阻系数，以此分析触变泥浆的减阻效果。试验材料如图11所示，具体参数见表7。

图9 摩阻系数测定模型

图10 摩阻系数测定

图11 试验材料

表7 试验材料参数

试验结果如表8所示，可以发现，在相同的试验条件下，未注浆时试块与砂土间的摩阻系数较大，而铺设泥浆后两者之间的摩阻系数均有减小。铺设不同配比的泥浆减阻效果有所区别：配比1的触变泥浆膨润土含量较高，使得触变泥浆的黏度过大，在拉动试块的过程中，过大的黏度在一定程度上阻碍了试块的滑动，导致摩阻力相对较大，相比于不铺设触变泥浆的情况，摩阻系数虽有减小，但减阻效果不理想。配比2的触变泥浆使得试块与砂土之间的摩阻系数降低为未铺设泥浆时的0.6倍，有着较好的减阻效果，进一步说明了该最优配比的可靠性和准确性。同时，一定程度上也可以说明，将该配比的触变泥浆应用于实际工程中，将能大大减小顶进过程中管土间的摩阻力，提高顶管顶进效率。配比3的触变泥浆膨润土含量相对较小，其黏度较小。在摩阻系数试验过程中，其减阻作用也相对明显，但在试验过程中有试块严重下陷的现象发生，说明该触变泥浆不能起到很好的支撑地层的作用，故不采用。此外，试验发现，在不同垂直荷载作用下试块与砂土之间的摩阻系数仍符合以上规律。

表8 最优配比的触变泥浆性能参数

3 触变泥浆微观结构及减阻机理研究

3.1 SEM微观结构观测

触变泥浆本身具有的特殊的微观结构与其能够发挥减阻作用有着密切的联系。按照最优配比配制一定体积的泥浆，放在干燥箱中进行干燥，待完全干燥后进行SEM试验(Zhou et al.，2009)。图12是扫描电镜下触变泥浆的微观形貌图，观察可以发现，触变泥浆中的膨润土单元体与单元体之间以面-面接触为主； 在低倍数下可以观察到触变泥浆致密的层状结构，在高倍数下可以观察到触变泥浆薄片堆叠层次感较强； 其中能看到有极薄的蒙脱石花瓣整体形成开花絮团，CMC物理吸附在膨润土表面。

图12 触变泥浆扫描电镜图

3.2 微观减阻机理分析

进一步研究发现，触变泥浆的层状结构由其主要矿物组成成分蒙脱石构成，蒙脱石由上下两个硅氧四面体和中间一个铝氧八面体组成(图13)。

图13 蒙脱石3个晶层结构平面示意图

该特殊的层状结构使得其在微观方面具有明显的离子置换现象，Fe2+、Mg2+可以将晶格内部的Al3+取代，Al3+可以将晶格内部的Si4+取代，因此触变泥浆在宏观上表现出较好的膨胀性和胶体性。在触变泥浆晶格内部的高价态阳离子被低价态阳离子取代后，造成了蒙脱石晶格内部的电荷不饱和，使得晶格带多余的负电荷。为维持电中性，晶层与晶层之间便会吸附Na+、Ca2+等若干种金属阳离子，然而吸附于晶胞表面的阳离子十分不稳定，在一定条件下易被其他阳离子交换，该微观特性使得触变泥浆表现出较好的触变性，使得其成为重要的减阻材料。

此外，触变泥浆的减阻性能离不开CMC和纯碱的助功。CMC吸附在膨润土表面，如同一张大网，将膨润土之间的孔隙堵住，使膨润土成为一个致密的结构。而纯碱作为盐类，溶于水时成为电解质溶液，离子的静电力破坏了原来的水结构，在膨润土周围形成水分子层，极大地促进了膨润土的水化，使得膨润土的分散流动性变好，减阻效果显著。

3.3 泥浆套润滑减阻

注浆过程中，在注浆压力的作用下，泥浆会发生渗透现象(图14)。泥浆中的水分首先向土体渗透，随后泥浆颗粒也开始往土体渗透，渗透到一定距离后泥浆便静止成为浆土固态混合物。其后随着注浆量的不断增加，越来越多的泥浆充满于管土之间，并对最先注入的那部分泥浆和土体产生挤压，泥浆之间互相黏结，最终形成致密不透水的泥浆套(图14)，使得土体与管节充分隔离。滤失试验中所形成的“滤饼”质量的好坏能在一定程度上反映实际工程中泥浆套的形成情况，滤失试验中最优配比的泥浆所形成的滤饼质量较好。

图14 泥浆的渗透(a)及泥浆套(b)

4 结 论

论文以北京城市副中心通州区潞城镇综合管廊工程为依托，通过开展不同材料配比的正交试验和缩尺的模型试验，探究了触变泥浆的最优配比和减阻效果，并通过扫描电镜显微观察，揭示了触变泥浆的微观结构和减阻机理，得出如下结论：

(1)触变泥浆原材料的含量对泥浆的性能有很大的影响， 10%膨润土、0.2% CMC、0.5%纯碱及89.3%水是泥浆材料的最优配比。该配比下的泥浆流动性和触变性较好，失水量较小，形成的“滤饼”较为致密，综合性能最优。

(2)最优配比的触变泥浆具有较好的减阻效果，能够使得试块与砂土之间的摩阻系数降低40%，大大提高了顶进效率。

(3)触变泥浆呈薄片层状结构，其主要矿物成分蒙脱石具备晶格取代、阳离子交换等微观特性，使得触变泥浆宏观上表现出触变性进而发挥减阻作用，最终以泥浆套的形式充分隔离管道和周围的土体，使得顶管施工中的管土摩阻力大大降低。