膨润土触变泥浆辅助大口径顶管一次顶进施工的配比分析

引言由于地上筑有铁轨、道路、桥梁以及河流等既有建筑和地貌，顶管施工技术等非开挖施工技术要求越来越精细化和复杂化，顶管施工技术不用挖路断路便能下穿既有建构筑物，达到穿越贯通等工程目的。配合顶管技术发展而来的是膨润土掺合剂构成的触变泥浆液体的快速全面运用，通过触变泥浆液悬浮于顶管管周和顶进区域土体之间，改善土体和管节的摩擦阻力，使顶进顺利进行。对于大口径的顶进效果难以控制，需调配准确的触变泥浆，方能完成顶进动作。顶管施工工作原理是利用顶管机在地下竖井内进行液压机械推管前进，通过施加的液压顶进力克服前方土体压力，逐节顶进管段，最后贯通所需区域的土层。该方法关键是借助于设在地下的竖井中液压油缸的推力进行吃土顶进，是典型的非开挖敷设管道的施工技术。本文以广东江门蓬安区某工程为例，从顶管过程中触变泥浆材料的性质入手，对其组成成分进行分类研究，探讨整个润滑减阻效果的优劣，并通过设计正交试验来分析再顶管施工过程中相对最优的触变泥浆配比情况，以期为工程实践提供试验参考。1、工程概况

工程位于广东江门蓬安区，整个工程采用Φ3100mm钢筋混凝土管作为顶管管段的主材，管节直径较大，对于大口径顶管，会由于土体扰动后失稳和高度的敏感性，给顶管施工带来诸多难题。可能出现较大地面沉降、顶力过大等问题，严重的有可能造成顶管失败，甚至工程事故。大量工程实践表明，随着顶管口径的增加，其管壁与土体之间的接触面积会相应增加，从而产生较大的摩擦阻力。摩擦阻力过大，直接影响顶管工程的成败，为确保顶管的一次成功率，必须提炼出物理性能强大的触变泥浆削弱摩擦阻力，因此研究配比优良且适宜在大口径顶管工况下的膨润土触变泥浆是解决顶进施工障碍的重要技术措施。2、膨润土触变泥浆的影响因素分析

用于顶管的触变泥浆主要是由膨润土构成的膨润土触变泥浆液体组成。膨润土触变泥浆的主要成分由4种材料构成[1]：膨润土、羧甲基纤维素钠（CMC）、纯碱（Na2CO3）、聚丙烯酰胺（PHP）。这4种材料的性态变化会对最终形成的触变泥浆带来显著影响。对于大口径顶管施工，配置出符合顶进物理场景的浆液直接决定顶管施工是否顺利进行。其润滑减阻及控制地层变形沉降的工效将始终贯穿于顶管施工中。为了便于研究，将泥浆粘度和含水率作为评价指标进行分析，通过泥浆性能指标进行平均值处理，指标值的对比来反映不同成分材料的影响程度。指标值越大，说明该影响因素对触变泥浆的整体性能影响就越大。2.1膨润土触变泥浆的构成要素中，膨润土的用量直接影响最终泥浆使用效果。对现场所用触变泥浆进行全面试验，得出不同膨润土含量下触变泥浆的泥浆粘度及失水量变化情况。以膨润土含泥量，即触变泥浆中膨润土的含量百分比来表征膨润土的掺量。图1为7种不同膨润土含泥量时触变泥浆的半小时失水量和泥浆粘度（以下图2~图4皆为半小时失水量的性能指标，不再详述）。由图1可知，泥浆的失水量基本趋于稳定，在2%～14%含泥量变化过程中，触变泥浆的失水量始终维持在指标值18cm2/min左右，说明在实际工程中，触变泥浆的保水性较强，无论是稠度较大还是稠度较小的情况下，其失水量均处于很小的水平，这也可以说明在应用过程中，顶管顶推逐渐深入，所遇阻力也会逐步增大，但泥浆在巨大摩阻力的作用下仍能保持足够的含水量，能够确保顶管管节与土层的摩擦维持在一个较低热能的状态，不会对管节造成破坏，同时可以顺利完成顶进施工，对于一次顶管作业十分重要；粘度变化反映出触变泥浆的液相变化情况，图1中膨润土含量在加到10%以后，泥浆粘度开始大幅上升，虽然泥浆性能整体提高，但其液相已经转为流塑状态，其流动性极大削弱，已不适用于顶管顶进施工。通过分析发现，膨润土含量在6%～8%时取得良好的触变泥浆性能。图1

不同膨润土含泥量的触变泥浆性能情况变化2.2羧甲基纤维素钠羧甲基纤维素钠（CMC）为一种有机高分子化合物，无味，易溶于水。该化合物置于触变泥浆中，也会对触变泥浆的流动性和胶凝状态产生影响。CMC的掺入改变泥浆的流动性，体现在其快速触变，能够对任一液相体系带来所规定的流变能力，这种流变性能在顶管顶进过程中尤其适用。顶进施工不断与地层交互摩擦会产生巨大摩擦阻力；此时由于CMC的这种流变能力，可使顶管与土层之间形成一道泥膜，起到悬浮和乳化的物理效果。由于这种流变性能的持续作用，会让顶进过程变得相对容易，所形成的泥膜将顶管管壁与土层天然隔开，从而减少了摩擦阻力产生的条件，保证整个顶管工程的一次成功率。不同羧甲基纤维素钠含量时泥浆的失水量和泥浆粘度如图2所示。由图2可知，CMC含量在0.1%～0.4%之间，对应的失水量基本稳定在20cm2/30min左右，而粘度指标则呈现明显上升趋势，整体指标值在55～65Pa·s，建议实际配置中把CMC含量定在0.2%，能兼顾泥浆性能，达到最佳效果。图2

不同CMC含量的触变泥浆性能情况变化2.3纯碱纯碱（Na2CO3）的含量对膨润土触变泥浆的性能也有直接影响。维持在一个相对稳定的含量范围，有助于泥浆发挥物理性能，使泥浆不会粘结发团，始终保持均匀散状，并可以维持泥浆的稳定性，不出现泥浆性能显著下降的情况，这对于大口径顶管作业至关重要，因为无论是否置换泥浆，在整个顶管顶进施工过程中需保证顶进阻力在一个可控区间范围，顶进设备能够按照预先设计力值进行顶推；如若泥浆性能不稳，将改变整个作业进程，使顶进系统发生改变，带来诸多施工不便。图3为不同Na2CO3含量下触变泥浆的失水量和粘度。由图3可知，当纯碱含量在0.3%时，泥浆整体失水量达到最小值，约15cm2/30min左右，而粘度值达到最大值，约45Pa·s左右。通过对纯碱的分析可得出判断：纯碱的作用能够稳定泥浆的充分水合，但是同时其粘度值会加大，二者只能保有一项。在具体工程运用中，大口径顶管其摩阻力大于一般性顶管工程，首要考虑纯碱对失水量的控制，因此可将纯碱配置在0.3%，有利于工程开展，而对于一般性顶管工程，选择较低的纯碱含量，使粘度值较小，更有利于顶管施工。图3

不同Na2CO3含量的触变泥浆性能情况变化2.4聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺（PHP）是一种添加剂，其作用是促进泥浆持续液化，不产生固结。在顶进施工中，触变泥浆一直在摩擦振动中工作，不断与周边土层的土质发生接触，会吸附部分泥土进入泥浆，因此，聚丙烯酰胺的存在能使新进入泥浆的部分达到水解，并溶于泥浆之中。聚丙烯酰胺中大量水解阴离子型能够完成泥土和浆液的溶合，对该成分进行控制，找出针对大口径顶管施工的配比意义重大。图4为不同聚丙烯酰胺含量下触变泥浆的失水量和粘度。由图4可知，失水量和粘度值的变动均为同向正向变化，PHP含量在0.2%～0.4%时，粘度值有一个轻微稳定的流动，使泥浆性能稳定在32～35Pa·s之间。因此，建议工程中对聚丙烯酰胺（PHP）的使用值调至0.3%，此时能够取得较好的泥浆使用性能。图4

不同PHP含量的触变泥浆性能情况变化3、触变泥浆配比的讨论

3.1触变泥浆减阻效果模型研究触变泥浆的配置基于4种基本材料的选择，由上述内容分析可知，在大口径的顶管施工中，要维持顶进系统正常运转，保证顶进工艺不发生质量问题或工程问题，就必须配合适宜的触变泥浆液。为研究其工作性以确定最优配比，建立大口径顶管下的等效简化模型[2]，分析触变泥浆在工作中的减阻效果。简化模型将实际工程的顶推力F简化为在干砂表面施加的一个拉力F拉，为保持等效简化，引入等效系数μ，试件为顶管简化试件，材料为混凝土材质，假设为10cm×10cm×1.5cm。质量0.345kg，重力加速度g取10N/kg，如图5所示。通过图5的简化等效模型，分析4种不同触变泥浆配比下的顶管模型顶进时的减阻效果[3]，来推断适宜的最优配比。图5

触变泥浆减阻效果模型根据正交试验法设计膨润土、羧甲基纤维素钠（CMC）、纯碱（Na2CO3）、聚丙烯酰胺（PHP）四因素和配比1～配比12共12种不同水平的配比情况进行正交试验。考虑4种影响因素的共同作用，分别取定工况1：膨润土变化，其他3项因素不变；工况2：CMC变化，其他3项不变；工况3：Na2CO3变化，其他3项不变；工况4：PHP变化，其他3项不变的4种工况进行分析，具体正交表及触变泥浆详细配比情况见表1～表4。表1

膨润土6%～8%触变泥浆%表2

CMC0.1%～0.4%触变泥浆%表3

Na2CO3

0.1%～0.4%触变泥浆%表4PHP0.1%～0.4%触变泥浆%在实际试验模拟中，考虑到了变量和不变量的相互制约，对4种工况进行模型简化计算研究，通过4组工况，结合模型进行计算，通过计算给定拉力作用下，不同配比下触变泥浆带来的减阻效果，得出不同阻力大小。对比未掺入触变泥浆阻力值N1和掺入不同配比的触变泥浆后的阻力值N2的大小，并计算减阻效果∆/N1，∆=N1-N2，可以得出：掺入触变泥浆后的阻力明显小于未掺入触变泥浆的滑动效果。模型测试计算阻力值结果见表5。表5

各种触变泥浆配比下阻力值由表5可知，注入触变泥浆后的顶管顶进模型的阻力值显著下降，即减阻效果明显提升。相比而言，膨润土含量的变化能够显著带动顶管施工的阻力值变化[4]，是4类主要成分中最为主要的一个影响因素；同时可以看出，减阻效果最明显的是CMC含量的变化，当配比为膨润土8%、CMC0.4%、纯碱0.3%、PHP0.3%时，其减阻效果高达46%，说明增加CMC的配比可以大幅度提高触变泥浆的减阻性能，对于大口径顶管施工，使用高含量的CMC触变泥浆液能大大提升一次顶进的成功率。而对于PHP和纯碱含量的变化也都有一定效果，但由于二者在使用中离散性较大[5]，且纯碱对于触变泥浆性能的改变具有两面性，增大粘度就会放弃失水性，其物理性能不具有一致性，因此在实际工程运用中不易控制，建议按照标准值进行取值即可。一般而言，纯碱和PHP均取0.3%就能满足各类型顶管工程的需要。

3.2有效配比根据以上分析研究，触变泥浆配比的应用对于改善大口径顶管施工效果是明显的。在深长距离条件下进行大口径顶管，必须辅助工效强劲的触变泥浆液来支撑整个顶进过程[6]。所谓有效配比，是要在实际工程中能够真实的起到润滑减阻效果的泥浆配比情况，在模拟的12种配比情况下，配比3、配比6、配比9和配比12为有效配比。现场施工中，运用膨润土含量为8%、CMC在0.2%～0.4%、纯碱和PHP为0.3%时的触变泥浆能给顶进带来有效减阻，实际情况表明：该种配比能够保证98%以上的一次顶进成功率。结论

本文依托大口径顶管工程应用场景，分析市政公用工程中顶管施工中触变泥浆的影响因素；为保证大口径顶管一次顶进成功，结合减阻效果模型试验与正交试验法进行分析，得到了泥浆配比的优化配比方案并得出以下结论：（1）通过分析膨润土、CMC、纯碱以及PHP对触变泥浆的影响，得到膨润土含量在6%～8%、CMC含量在0.2%、纯碱配置在0.3%以下以及PHP含量在0.2%～0.4%时能够最大化发挥触变泥浆的润滑剂减阻性能，使大口径顶管作业达到最佳工程效果。（2）为模拟大口径顶管的实际摩擦阻力，采用模型试验进行假设分析，选取了4种模型泥浆配比，得到推断结论：增加CMC的配比，能够大幅度提升整体顶进的一次成功率。而使用纯碱和PHP则在一定程度上会限制泥浆性能的发挥。模型试验中，粘度和失水性的物理性能不具有一致性，因此配置泥