地下工程施工安全控制及案例分析：减摩技术及注浆原则

2023-10-09 理论教育版权反馈

【摘要】：膨润土泥浆的触变性有助于顶进管节在土体中运动时成为减摩剂，以黏性液体减少摩阻力；静止时，成为凝胶体支撑地层。合理的注浆可以减小这些土层运动，由于土体与管节之间被泥浆隔离，使得顶进施工对土体产生的剪切摩擦力大大减小，可以减小深层土体水平移动。为使顶进时形成的建筑空隙及时被触变泥浆填充，形成泥浆套，达到减少摩阻力及地面沉降的目的，压浆时必须坚持“随顶随压、逐孔压浆、全线补浆、浆量均匀”的原则。

在矩形顶管施工，为了减小顶进时顶管机和管节与土体之间的摩阻力，防止矩形顶管机顶进时产生背土现象，要向顶管机和管节外壁压注一定量的触变泥浆进行减摩。

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图7-5　止退措施

1）触变泥浆材料

目前，常用的触变泥浆材料主要是膨润土泥浆，通常由膨润土、纯碱、水和聚合物（常用CMC）等按一定配合比组成。

膨润土是以钾、钙、钠蒙脱石为主要成分的黏土矿物，具有膨胀性和触变性。膨润土微观分子主要结构是Si-Al-Si，是由非常薄的呈扁平状的晶片层堆叠而成的单体颗粒，颗粒间以钠离子或钙离子连接而成。由于晶片层的上下表面均带负电，相互排斥特别是钠膨润土的颗粒非常小、薄以及化学价较低，造成晶片层之间的结合能量相对较低，水分子极易渗入晶片层表面的内、外部，使得两个叠层之间的间距扩大到数倍以上，造成晶体内部膨胀。膨润土的膨胀性能取决于薄片蒙脱石微粒的大小和数量。由于钙离子提供的结合能强于钠离子，钙蒙脱石比钠蒙脱石不易膨胀，因此钠膨润土比钙膨润土更适用于顶管施工。

膨润土经加水搅拌后成为悬浮液，当悬浮液静止时，薄片状的蒙脱石微粒会由分散状态经过絮凝，彼此搭在一起形成纸牌房子式的结构，变成凝胶体。当浆液被搅拌、振动或泵送时，大多数微粒结构将被破坏、分散，转变成为具有黏性和流动性的胶状液体。当悬浮液再次处于静止状态时，又会形成凝胶体，这种胶状液体和凝胶体之间的结构交替可以发生无数次，这一特性称为触变性。膨润土泥浆的触变性有助于顶进管节在土体中运动时成为减摩剂，以黏性液体减少摩阻力；静止时，成为凝胶体支撑地层。

触变泥浆的拌制要严格按照操作规程进行，施工期间要求泥浆不失水、不沉淀、不固结，既要有一定的黏度，也要有良好的流动性。

触变泥浆配比见表7-1。触变泥浆指标见表7-2。

表7-1　1m3触变泥浆配比

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触变泥浆的用量主要取决于管节周围土体特性和土体空隙大小，由于泥浆的流失及地下水等作用，泥浆的实际用量要比理论大得多，实际压浆量一般可达理论值的2～3倍，在砂性较重的土层，浆液易损耗，注浆量常为理论值的2～5倍。但在施工中还要根据土质的情况、顶进状况、地面沉降的监测数据等做适当调整。

注入压力的控制以不劈裂土体为前提，实际施工中在压浆口装有压力表，便于观察、控制和调节压浆的压力，通常不超过0.5 MPa。

2）注浆的作用

顶管施工中注浆的作用：一是起到填充和支撑作用，填充管节与土体之间的空隙，减小土体变形；二是起到润滑减阻作用，在壳体外和管节外形成减摩泥浆套，变壳体和管节与土体间的固固摩擦为壳体和管节与泥浆套之间的固液摩擦，减小顶管顶进时的摩阻力。

由于顶管机施工会对周围土体产生扰动，使部分土体结构遭到破坏而变成松散土体，同时顶管机外径比管节外径大，管节与周围土体之间会产生空隙，扰动后的周围土体会填补这些空隙，进而产生地面沉降，在触变泥浆注入管节外壁后，泥浆会填充管节与土体之间的空隙，进而形成泥浆套，起到支撑土体的作用，让土体不坍塌到管节上，从而减小地面沉降。

另外，后续管节随顶管机一起向前顶进时，会对周围土体产生剪切摩擦力，产生拖带效应，使土体沿顶管顶进方向移动，而当更换管节停止顶进时，土体会产生部分弹性回缩，向顶进的反方向移动。合理的注浆可以减小这些土层运动，由于土体与管节之间被泥浆隔离，使得顶进施工对土体产生的剪切摩擦力大大减小，可以减小深层土体水平移动。

在触变泥浆注入管节外壁后，由于泥浆压力大于孔隙水压（即地下水压），泥浆中的矿物细颗粒和水通过地层孔隙渗透进入周围土体中。其中，矿物细颗粒填充土体孔隙，使土体的渗透性变小。而触变泥浆中的水通过孔隙流入土体中，使土体的孔隙水压上升。随着时间的增加，土体孔隙被矿物细颗粒填充得越来越充分，土体的渗水系数越来越小，渗水量越来越小，土体孔隙水压的增加速度越来越小，最后土体的孔隙水压稳定在某一数值上，即渗透平衡（图7-6）。由于触变泥浆中的黏土颗粒带负电荷，而土体中的土颗粒带正电荷，触变泥浆中的黏土颗粒会吸附聚集在土体表面，在土体表面形成泥膜，继续注入的泥浆不能向土体渗透，留在管壁与泥膜的空隙之间，在管节外周形成了泥浆套。管节在泥浆套中顶进，将减小顶管顶进时的摩阻力。

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图7-6　泥浆的渗透示意图

为了减小渗透，改善泥浆套的形成，可以添加聚合物。聚合物通常是由大量的小化学单体连接在一起而形成大的长链分子。应用在顶管工程中的人工聚合物主要有聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯乳液、部分水解的聚丙烯酞酰胺（PHPA）、羧甲基纤维素（CMC）、多阴离子纤维素（PAC）等。它们的长链分子就像增强纤维一样，形成一张网留住膨润土颗粒，堵塞土体孔隙。

3）注浆孔结构形式

通常，在顶管机壳体和管节上都设置有注浆孔（图7-7），触变泥浆经注浆孔注入到顶管机和管节外形成减摩泥浆套，但如果注入压力过大，浆液容易劈裂土体造成浆液的流失，使得减摩泥浆套不容易形成，减摩效果不佳，而且有时土也容易堵塞注浆孔，导致注浆孔不易发挥作用。

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图7-7　常用注浆孔示意图

为了充分发挥触变泥浆的减摩效果，可采用图7-8所示的注浆孔结构，当触变泥浆从注浆孔注入后，浆液先在管节顶面的钢板与管节混凝土外壁之间的空隙里形成一个泥浆套，继续注浆，浆液就从空隙中不断挤出，然后填充到管节与土体之间的空隙，从而将触变泥浆从压力注入空隙转变为填充空隙，减少了由于浆液注入压力过大劈裂土体而造成的浆液流失，泥浆套就比较容易形成，注浆效果也就容易保证。

为了防止浆液注出去后返回，外面的土体也不能流回堵塞管路，可以在注浆孔中设置一个单向阀，以确保注浆管路的畅通。

4）注浆控制

要加强触变泥浆的压注管理，一方面要保证一定的压注量，另一方面还应保证所注泥浆的质量。注浆管布置如图7-9所示。

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