顶管施工中触变泥浆的配置与注入控制研究

孙春辉 牟雨龙 耿志华 卢国营 马 勇

（中电建路桥集团有限公司，北京 100000）

0 引言

随着土木工程技术的发展，地下空间、穿越工程日渐成熟。在市政公用工程建设中，顶管法施工运用得较为广泛，其吃土顶进不受外界干扰，几乎不用开挖，对地表现有空间影响破坏极小，深受广大施工单位青睐。在顶管施工中，一个重要技术是其吃土顶进过程中，顶管机与管周摩擦阻力的控制。结合施工单位的工程经验，常用的处理方法是运用膨润土掺和而成的触变泥浆来保证顶管机顶进过程中与管周土体的摩擦阻力。

1 顶管技术工程原理

顶管施工工作原理是利用顶管机在地下竖井内进行推管前进，克服前方土体压力，逐节顶进管段，最后贯通所需区域的土层。该方法利用设在地下的竖井中液压油缸的推力，向前吃土顶进。该方法是典型的非开挖敷设管道的施工技术。图1 为其简单的工作原理图，用泥浆泵和泥浆制备装置，将适宜该工程顶进的触变泥浆注入顶管外壁周边，在顶进始发位置安装千斤顶及顶进支撑系统，然后将顶管机安装就位，打开油泵开始进行顶管施工，全过程保证触变泥浆持续饱满的填充在顶管管壁周围，以充分发挥顶管行进过程中与土层产生的摩擦减阻和润滑效果。该工程采用DN400、DN500 III 级钢筋混凝土管作为顶管管段的主材。

图1 顶管技术工作原理

2 触变泥浆运用于顶管施工技术

2.1 触变泥浆概况

触变泥浆是一种混合材料，其混合制备成型后呈一种胶凝状或溶胶状介于液体与固体之间的胶体状态。其主要合成材料为膨润土，膨润土的最大特性就是在没有外界干扰时呈胶凝状态，而只要有外界轻微扰动，立刻由胶凝状态液化成蓬松的液态，通过瞬态的物理变化达到减阻的效果。基于膨润土的这种特性，结合工程应用实际工况，在顶管工程中，管节在不断向前进行中，会逐渐遭遇强大的土体压力抵抗，使得管节进入土层越多，顶进越困难；在该工况下，顶管作业会出现较多质量问题和安全问题：首先，管节受到来自土体的压力不断增大，而其自身抗力是固定不变的，随着土压持续加大，管节将无法平衡抗力而导致变形，顶进失败；其次，由于顶进需要足够的顶力作为支撑，而顶力是由液压千斤顶提供的，而其反力由其背板提供，这个机构在顶力增加到一定程度时就会产生节点偏位的现象，如果前方土体的压力情况没有明显改善，就将造成液压系统甚至，甚至使千斤顶顶杆发生弯曲变形，出现安全事故，从原理上来说，需要顶管机及其油缸提供越大的顶进推力才可以继续顶进。因此，膨润土可以利用其天然的液化工效，用于管节和土体之间，起到减阻作用，从而减轻顶进过程中土体给管节带来的土体压力。为了最大化地发挥膨润土的功能，在膨润土中掺入化学处理剂等掺和料，使其功能更强大，同时其状态更稳定，形成更具稳定性、护壁性和触变性的触变泥浆。因此，触变泥浆的配置与如何注入就是运用在顶管施工中的关键技术点。

2.2 触变泥浆工作

在使用触变泥浆的过程中，通过一定的工序完成对顶管施工的注浆工作，同时满足在顶进过程中持续跟进注浆，并在一定时间完成泥浆的置换工作。泥浆伴随顶进，就是指在顶进作业开始时，就开启触变泥浆注入的相应工序。触变泥浆的配比必须事先通过试验确定，在正式使用时不允许出现错误。随着顶管开始逐渐进入土层，需要对触变泥浆的各项参数进行实时监控，防止触变泥浆的性质发生改变而影响施工进度。对于伴随过程，需要从始至终持续进行，当顶管全部完成，方可停止注浆，进行回收。

触变泥浆的置换工作主要是保证长时间顶管时，泥浆的液体质量难以保证，其减阻作用开始递减；同时在顶管不断前行中，其上土层受到反复扰动，改变了原始的应力状态，出现不同程度的沉降趋势。在该趋势下，需要对已在工作的触变泥浆进行置换，使地层不出现沉降，同时保证顶管顶进质量。泥浆置换选配惰性泥浆即可。其置换工序：从第一节管依次向后进行，压注前一节管惰性浆液时，将后续管节的压浆孔开启，使原有管路中的触变泥浆在惰性浆液的压力下从后续管节压浆孔内溢出，直至后续注浆孔内冒出水泥浆，并达到一定的压注压力时，才可以停止前段管水泥浆的压注，确保将触变泥浆全部置换掉。

注浆原则如下：1）触变泥浆的注入需要合理布设注浆孔位，尽量使注入的膨润土掺和润滑泥浆在顶管管节管道外形成连续致密的泥浆套体。压浆须坚持“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则，压浆泵和输出压力控制在0.2MPa～0.3MPa，过大的压力值会顶坏管节。2）对触变泥浆的配置质量需要反复实验确定。通过试验结论，找出最适宜现场土层条件和顶管物理条件均适用的最佳泥浆配合比设置值。3）触变泥浆在注入和配置过程中的一些列技术参数的控制和调整，都需要进行试验，并在实际顶管施工中调整数据，使施工顺利完成。

3 触变泥浆应用技术

3.1 触变泥浆的配置技术

触变泥浆的制备是顶进施工中重要的工序。其配置的泥浆性能直接影响顶管顶进过程中工效的高低和顶进土体阻力的大小。对其进行配置，最大限度地发挥触变泥浆的润滑减阻作用。该项目所进行的浆液配置见表1，施工前根据膨润土质量情况现场进行试验，监测部分指标，按试验结果调整配合比。配制出一份性能优良的触变泥浆对整个顶管施工能起到提高工效和减少工期的双重效果。

表1 触变泥浆配置表

膨润土的含量将主要决定形成的触变泥浆的质量好坏。在配置一定时，增大膨润土额含量，将显著提高触变泥浆的整体润滑和减阻能力；而当膨润土增大到触变泥浆整体质量的6%时，泥浆性能不再有显著性提高，基本保持不变。这个结论说明：在进行配置触变泥浆时，应当始终保证膨润土参量在6%以内。一是可以有效控制触变泥浆的物理性能；二是有效控制泥浆制备的成本。

此外，碳酸钠（即纯碱）含量的变化也会不同程度地影响触变泥浆的性能。通过工程反复试验，可以得到纯碱含量在0.3%时最合适，能够提高泥浆的性能，含量太高或太低都将影响触变泥浆的析水性变化。

经过该项目现场施工，结果显示：膨润土、NaCO（即纯碱）、羧甲基纤维素钠（CMC）都将不同程度地影响触变泥浆的工作性能。建议重点对膨润土和纯碱进行参量控制。

3.2 触变泥浆的注入控制技术

配置好的触变泥浆需要及时注入顶管管周与土层接触部位，并应做到伴随顶进施工的进行而持续注浆。图2为触变泥浆注入工作原理，通过触变泥浆的润滑，将顶管管壁与周边土体的间隙全部封住，大大减少摩擦系数，使顶进施工能够顺利进行；同时顶管的管节也能完好无损的进入预定顶进轴线中，不会发生管节破损等不良工况。触变泥浆注入过程还需要不断平衡两侧土体情况。泥浆注入后，将土体凌空部位填充密实，在该应力分布状态下，左右两侧的泥浆填充如果不统一，就会造成应力的重分布，即可能出现土体向应力较小一侧偏斜，影响顶进施工。这一点在实际工程中需要重点控制。

图2 触变泥浆工作原理图

注入触变泥浆按照以下4 点进行质量控制：1）按照配置好的触变泥浆开始注入管外壁，不断注入，随顶随注。2）顶管的注浆量需要依据管节和整个顶管施工段的长度确定，注浆的实际注入量取理论计算净量的1.5～3倍，由于工程实际采用的是DN40、DN500 两种管材，因此实际外径长为508mm 和406mm，单边空隙在6mm～8mm，实际顶进距离70m，所以需要约1.47 m的注入量。每顶进一节管，就需要2.2 m触变泥浆的压入。3）在长距离顶管注浆过程中，由于距离越顶越长，因此所需的注浆压力也会越来越大。在这种情形下，需要分段接力顶进；因此需要在整个顶管作业段内，设置多处注浆接力点，进行泥浆接力输送。多处设泵的好处自然是提高压浆质量和同步注浆的效果。能够使管段内各种泥浆相对密度均匀散步，不会聚集在一处，而别处无浆液的情况。4）触变泥浆在长时间顶管作业中，其润滑效果将逐渐衰减，其配合比的各项成分发挥的物理性能将不断稀释。因此需要进行泥浆置换，根据现场实际施工经验，配制出一种高效的泥浆，可以既满足顶进施工作业要求，又能够对后续泥浆接续起到良好连接效果的“惰性触变泥浆”，这种泥浆可以自行流入土体中空隙，并能够起到膨胀拉伸效果，使管节作用段土体不会失稳下沉。配比见表2。

表2 “惰性触变泥浆”配合比表

3.3 触变泥浆润滑减阻计算分析

由于触变泥浆的强大工效，对其用于顶管顶进施工的准确把握必须基于其润滑减阻效果的好坏，为此对顶进区域土层做刨析，从顶进土层的推力和摩擦力等指标入手，进行分析。

假设顶进过程设计3 个变量，分别是迎面阻力和顶进推力共同构成总推力。

式中：—总推力；—迎面阻力；—顶进阻力。

在该工程计算中，实际顶推力认为由顶进阻力和摩阻力构成，而摩阻力是实际对顶进造成影响的关键因素。因为配合触变泥浆的使用就是为了克服摩阻力，起到润滑管节的效果，所以对该公式进行工程简化，引入综合减阻系数，使顶推力只与顶进距离、管节质量和摩阻力相关。得到如下工程简化模型。

式中：为总顶推力；为综合减阻系数，与触变泥浆的配比有关，保守认为，只要泥浆能正常符合图3 所示关系曲线，就取0.3～0.4；为预制管节的土质系数，该工程取1.5；为管节线重力kN/m；为顶近距离m。通过简化工程模型的计算分析，可得到图3、图4 关系曲线。

图3为顶进距离与顶推力大致呈正向相关关系，随着顶进距离愈大，顶推力开始陡然增大， 最大时可达9000kN；对触变泥浆在顶管施工过程的中后期，其减阻作用将越来越明显，要求足够的材料配比，和各项物理性能指标发挥到最大化，才能使顶管作业顺利完成。

图3 顶进距离与顶推力关系曲线

图4反映了摩阻力先大后小再逐步增大的过程，该过程表明实际顶推中，管节受到土体压力后，并非一直增大，而是在顶进至10m 左右开始出现下跌情况，这是由于触变泥浆液开始充满整个管节空隙段，因此开始发挥润滑减阻作用。而在顶进后期，至100m 以后阶段，实际摩阻力又开始上升，这表示触变泥浆液体处于需要置换的时期。 该结论可为现场顶管施工中提供置换泥浆的工程经验数据。

图4 实际摩阻力与顶进距离关系曲线

4 结论

该文结合工程实例详细阐述了市政公用工程的顶管施工中触变泥浆的优化制备和注入控制技术。通过实例应用，得到了一些触变泥浆使用的工程经验指标和施工参数结论。1）通过不断试验改进参数配置，得到了适合顶管施工的触变泥浆优化配置情况，对膨润土、NaCO、羧甲基纤维素钠（CMC）等指标的处理，能够使触变泥浆的配置最优化；2）长时间连续顶管施工，由于机械的磨损，泥浆性能也随之减弱，适时置换触变泥浆有助于提高顶管连续作业的稳定性和控制土层应力释放，所配惰性触变泥浆能够满足工程置换需要；3）详细计算了触变泥浆的润滑性和减少摩擦阻力的性能趋势，得出顶距越大触变泥浆产生的摩阻力相应加大，同时适时置换泥浆可以减少后期顶管作业的阻力值，对进一步在触变泥浆材料性能上的开发和研究都有很好的指南作用和一定的理论支持。