一种用于高渗透土层的顶管新型泥浆材料
李静静，林鸿福，宋海明，叶秋杉
摘要：泥浆在顶管施工中起着重要的减摩、润滑，平衡井壁压力等作用。对于不同土层或地质条件的顶管施工，泥浆的组成也需相应变化。本文根据现场施工中遇到的问题，对泥浆材料进行改良处理，制备出一种适用于砂质高渗透土层的新型泥浆材料。 关键词：顶管泥浆
一．概述
泥浆是钻孔施工中的重要施工材料之一，起着平衡井壁压力、冷却钻头、悬浮钻渣、保护井壁等作用。在桥梁钻孔灌注桩、石油钻井、非开挖穿越、地下连续墙等工程的施工中均占有重要地位。
顶管施工技术是继盾构施工之后发展起来的一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁路、河川、地面建筑物，地下构筑物以及各种地下管道等。顶管施工借助于主顶油缸及管道间、中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收井内吊起。与此同时也把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间，以期实现非开挖敷设地下管道的施工方法。
泥浆在顶管施工中起着非常重要的作用，是顶管推进过程中的润滑剂。由于顶管施工中地质条件差异较大，泥浆的组分也随之变化。本文针对在现场施工中遇到的问题，分析考察现场施工地质条件，制备出了一种适合于砂质高渗透土层的顶管施工用泥浆新材料。
二．泥浆在顶管施工中的作用机理
在顶管施工过程中为减少摩擦阻力，后续管节的直径比掘进机的直径要小2-5cm，使管道与土体之间会产生空隙；纠偏时对土体一侧产生挤压作用，而另一侧由于应力释放形成空隙，因此在顶管顶进的曲线轨迹中存在许多这种空隙[1]。
注浆时，从注浆孔注入的泥浆会先填补管节与周围土体之间的空隙，抑制地层损失的发展。泥浆与土体接触后，在注浆压力的作用下，注入的浆液将向地层中渗透和扩散，先是水分向土体颗粒之间的孔隙渗透，当泥浆达到可能的渗透深度后静止下来，只需经过一个很短的时间，泥浆就会变成凝胶体，充满土体的孔隙，形成泥浆与土壤的混合土体；随着泥浆渗透越来越多，在注浆压力的挤压作用下，许多的渗透块之间粘结、巩固，形成一个相对密实、不透水的套状物，称为泥浆套，它能够阻止泥浆继续渗入土层。
由于掘进机的开挖会对管道周围土体产生扰动，使部分土体结构遭到破坏而变成松散土
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体，在注浆压力作用下，泥浆套能够把超过地下水压力的液体压力传递到土体颗粒之间，成为有效应力压实土体。同时泥浆的液压能够起到支撑隧洞的作用，使其保持稳定，不让土体坍塌到管道上。
如果注入的润滑泥浆能在管道的外围形成一个比较完整的泥浆套，则接下来注入的泥浆不能向外渗透，留在管道与泥浆套的空隙之间，在自重作用下，泥浆会先流到管道底部，随后向上涨起。当隧洞充满泥浆时，顶进管在整个圆周上被泥浆悬浮液所包围，受到浮力作用，管道将至少变成部分漂浮，它们的有效重量将变小，甚至可能变成负的。管道在泥浆的包围之中顶进，泥浆能够起到非常好的减摩效果。
因此优质顶管泥浆必须具有良好的形成致密泥浆套的能力，优异的触变性能和低的滤失量。
三．FHDF25泥浆在顶管工程中出现的问题
FHDF25是浙江丰虹粘土化工有限公司生产的一种高效低固相泥浆，其特点是具有优异的造浆性能、护壁性能，与传统的泥浆土相比，用量少、泥浆再循环利用率高，污泥排放量少。曾在上海隧道地下连续墙施工中取得良好的应用效果。
FHDF25在上海军工路3.5m直径顶管中使用，泥浆浓度35-40kg/m3，开始一周顶进过程未发现异常，后期出现泥浆大量流失，顶管推进困难现象。改用1#泥浆土配制的泥浆完成继续推进，顶管推进恢复正常。采用1#泥浆土配制的泥浆浓度为100kg/m3。
对现场地质条件进行分析，发现在该工段，顶管顶进了孔隙率、渗透率较高的流沙土层。 比较FHDF25泥浆土和1#泥浆土配制泥浆的固相组分和流变性能，分析FHDF25失效原因。两种泥浆的固相组分和流变性能如表所示。
表1.泥浆固相组分表
泥浆 1#泥浆 FHDF25
含固量% 湿筛+200目% 200-300目% Σ+300目% 10 3.5
18.5 2
4.3 1
22.8 3
从表1中可以看出，1#泥浆中+200目（＞75μ）的粗颗粒比FHDF25多8-9倍。
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表2. 两种泥浆流变性能表
泥浆 名称
含固量
测试 时间 即时
1#泥浆
10%
10min 24h 即时
FHDF25
3.5%
10min 24h
Φ600 Φ300 26.5 28.0 31.5 32.5 35.0 43.0
18.5 19.5 23.0 22.0 24.5 31.0
Φ3 7 10.5 13.5 3.5 6.0 9.0
AV 13.3 14.0 15.8 17.5 21.5
PV 8 8.5 8.5
YP 5.36 5.62 7.4
YP/PV 0.67 0.66 0.87 0.56 0.68 0.81
τ 3.58 5.36 6.9 1.79 3.06 4.60
13.0 11.0 滤失量
16.25 10.5 5.87
10.5 7.15 12.0
9.7
从表中可以看出，FHDF25泥浆含固量为1#泥浆的1/3的情况下，其表观粘度高于1#泥浆，静切力低于1#泥浆，动塑比相近。较高的静切力在停机后重启动时可能产生瞬时较大的阻力，因此希望泥浆的静切力越低越好。FHDF25泥浆的滤失量略高于1#泥浆，但仍属于滤失量相对较低的泥浆。
概括而言，FHDF25的流变性能要明显优于1#泥浆，其造浆率高，是1#泥浆的3倍，泥浆比重小，易于泵送。但在孔隙率、渗透率高的砂砾质土层中FHDF25极易流失，无法形成稳定泥浆套。而1#泥浆虽然造浆率低，但在孔隙率、渗透率高的砂砾质土层有较好的应用效果。
分析比较认为两种泥浆最大的区别在于1#泥浆中粗颗粒比FHDF25高8-9倍。由于1#泥浆中含有大量粗颗粒石英，固相含量高达10-12%，这些不分散的粗颗粒能有效填充砂层孔隙，降低泥浆向孔隙的渗透深度，从而形成低渗透率的泥浆套，阻止泥浆的进一步流失，在顶管周围形成泥浆悬浮液，将顶管悬浮起来，起到顶管推进的减摩作用，使顶管推进工作顺利进行。即：FHDF25泥浆失效的主要原因是，该泥浆土制备出泥浆为细分散泥浆，其无法有效阻塞沙孔，使得后继泵送进入的泥浆迅速渗透到底层深处，致使泥浆流失量大，无法形成稳定的泥浆套，无法将顶管悬浮，同时机头泥沙不能有效送出，导致推进阻力加大。
由于1#泥浆存在造浆率低，泥浆土用量大的缺点，因此希望对FHDF25泥浆土进行改良，制备出适合于该高孔隙、高渗透沙质土层的高效低固相泥浆土。
四．改良型FHDF25泥浆土的制备
FHDF25泥浆土含沙量低，属细分散泥浆，对于孔隙率高渗透性好的砂砾土层，由于填充孔隙的粗粒少，难于有效堵塞砂质孔隙，泥浆流失大，造壁性能降低，造成顶管推进润滑性差，阻力增大。因此，对于这类渗透性高的砂质土层，FHDF25不适用。针对这类土层，泥浆中应含有一定量的粗颗粒填充料，以便于封闭孔隙，以利于造壁，阻止泥浆无效流失。
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基于上述分析，对FHDF25泥浆土进行了改良，向泥浆土中添加适量的粗粒物质，如纸渣、竹屑、木屑等纤维粒状固体。并对改良后泥浆流变性能进行测试。
表3.改良型FHDF25泥浆配方及流变性能表
FHDF25用量g 14
填充物g —
H2Oml 350
含固量% 3.5
测试时间 即时 10’ 即时
350
3.85
10’ 16h 即时
350
4.2
10’ 16h 即时
400
4.2
10’ 16h
Φ600 35 37 34.5 36 41.5 35 36 40.5 32.5 33.5 36
Φ300 24.5 25.5 23.5 25 30 24.5 25 29 22.0 24.0 27.0
Φ3 5 4.5 4 6 8 3.5 6 7.5 3.5 4.5 7.5
AV 17.5 18.5 17.2 18.0 21.2 17.5 18.2 21.0 16.2 16.7 18.7
PV 10.5 11.5 11.0 11 11.5 16.5 11.5 10.5 10.5 9.5 9.0
YP 7.15 7.15 6.38 7.15 9.96 7.15 6.90 10.73 5.87 7.41 9.96
YP/PV 0.681 0.622 0.580 0.650 0.866 0.680 0.600 1.00 0.560 0.780 1.10
τ 2.55 3.32 2.04 3.06 4.09 1.79 3.06 3.96 1.79 3.06 3.83
14
纸渣1.4g
14
纸渣2.8g
14
竹屑2.8g
从表中可以看出，3.5%FHDF25泥浆液的即时表观粘度约17.0mPa.s，YP/PV为0.6-0.7，τ为2.5Pa，静置10min后表观粘度为18.0mPa.s，YP/PV为0.6-0.65，τ为3-3.5Pa，滤失量约14ml。
加入土量10-20%纸渣，表观粘度、YP/PV、τ均无明显变化，即纸浆的加入未改变泥浆的流变粘度和流变参数，只增加了泥浆含固量。加入土量20%的竹屑使得泥浆的流变粘度略微降低，对泥浆流变参数的影响不明显。
在FHDF25泥浆土中添加10-20%的纸渣（-30-+80目）或竹屑（+30目5%，-80目90-95%），经过特殊混合工艺，制备出改良型FHDF25泥浆土，将该改良型泥浆土配制成4%浓度的泥浆，该泥浆的流变参数保持FHDF25泥浆原有特性，滤失量＜15ml/30min。加入的纸渣或竹屑能有效封堵砂层孔隙，形成稳定泥浆套，减少泥浆进一步流失，起到很好的护壁、润滑、减摩作用。在顶管推进工程中取得良好的实用效果。 五．结语
通过FHDF25泥浆土在上海军工路顶管施工工程中应用遇到的问题，经实验分析，对FHDF25泥浆土进行改良处理，制备出了适合于砂质、高渗透性土层的新型高效低固相泥浆土产品。该产品具有较高的造浆性能，且能在砂质、高渗透性土层中形成稳定的泥浆套。 参考文献：
[1]黄宏伟，胡听.顶管施工力学效应的数值模拟分析[Jl.岩石力学与工程学报，2003，22(3):400
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一406.
作者简介：李静静，浙江丰虹新材料股份有限公司 工程师 林鸿福，浙江丰虹新材料股份有限公司 教授级高工 宋海明，浙江丰虹新材料股份有限公司 工程师 叶秋杉，浙江丰虹新材料股份有限公司 助理工程师
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