呂品
(上海公路橋梁(集團(tuán))有限公司,上海市200433)
高濃度膨潤土泥漿在大口徑越江頂管工程中的應(yīng)用
呂品
(上海公路橋梁(集團(tuán))有限公司,上海市200433)
傳統(tǒng)的膨潤土泥漿在大口徑、長距離、粉砂地質(zhì)條件頂管工程中具有一定的局限性,具體表現(xiàn)為:大口徑頂管頂部泥漿缺失,復(fù)頂后頂力激增以及下坡頂進(jìn)時泥漿積聚在機(jī)頭底部。介紹在傳統(tǒng)的膨潤土泥漿基礎(chǔ)上,增設(shè)一種高濃度膨潤土泥漿來解決上述問題,經(jīng)實際工程應(yīng)用取得了良好的效果。詳細(xì)介紹了高濃度膨潤土泥漿的配比以及特性。隨后,闡述了其在工程中的應(yīng)用價值,最后討論了該泥漿自身缺陷。
高濃度膨潤土泥漿;頂管工程;泥漿配比;應(yīng)用
對于長距離的越江頂管工程,經(jīng)常在管道外壁注射膨潤土泥漿,從而減小管道外壁承受的摩擦阻力。然而,隨著頂管工程的發(fā)展,頂管管道直徑逐漸增大,越江管道的地質(zhì)條件也更加復(fù)雜,因此傳統(tǒng)的注漿減摩技術(shù)往往會引發(fā)一些新的工程問題。針對傳統(tǒng)泥漿減摩技術(shù)的不足,本文介紹了一種高濃度膨潤土的新型泥漿,并將其應(yīng)用在了實際工程中,成功克服了原有技術(shù)的不足,取得了良好的使用效果。
本文依托白龍港南線輸送缸線SS T1.2標(biāo)過江管工程,針對過江頂管工程中傳統(tǒng)膨潤土漿液的一些缺陷進(jìn)行論述,詳細(xì)介紹了高濃度膨潤土泥漿及性能,并闡述其在過江頂管實際工程中諸多方面的應(yīng)用效果。
目前,頂管工程中最廣泛應(yīng)用的注漿減摩材料是膨潤土泥漿。傳統(tǒng)的膨潤土泥漿通常是由膨潤土、純堿、水以及聚合高分子添加劑按一定比例組成[1],而通常膨潤土的含量在5%左右。傳統(tǒng)的膨潤土泥漿加水?dāng)嚢韬髸纬蓱覞嵋海?dāng)懸濁液靜止時,會變成膠凝體。當(dāng)漿液被攪拌、振動或泵送時,會轉(zhuǎn)變成具有較強(qiáng)流動性的膠狀液體[2]。
由于傳統(tǒng)的膨潤土泥漿流動性好,因此可以利用較長的管道系統(tǒng)輸送,但也正由于其高流動性,將其注入管壁外地層后,消散速度快。因此,頂管工程中要注意后續(xù)補(bǔ)漿,同時推進(jìn)不易暫停過長,一旦停滯時間過長,管壁外形成的泥漿套易消散,導(dǎo)致重新啟動時頂力過大。
喻軍和李元海[3]通過實驗發(fā)現(xiàn),膨潤土含量的提高可以有效降低漿液流動時的摩擦系數(shù);王福芝等[4]通過調(diào)整潤滑泥漿中膨潤土的含量來研究其性能。實驗發(fā)現(xiàn):在一定范圍內(nèi),膨潤土含量越高,泥漿的流動性越差,但失水性越小。泥漿失水正是其失去潤滑減摩效用的主要原因之一。受此啟發(fā),作者通過提高膨潤土在泥漿中的比例,配制出一種高濃度膨潤土泥漿(俗稱“厚漿”),并成功運(yùn)用到實際工程之中。
高濃度膨潤土泥漿的具體配比見表1。
表1 高濃度膨潤土泥漿配比
該泥漿通過砂漿攪拌機(jī)充分拌和,坍落度控制在100~130 mm,拌和后的具體形態(tài)如圖1所示。
為了改善泥漿性能,泥漿中還摻入少量聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺是一種高分子聚合物,能夠減少液體之間的摩擦阻力,同時由于聚合物的高分子長鏈結(jié)構(gòu)能夠和膨潤土顆粒結(jié)合,形成一張網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)充填在膨潤土顆粒之間,使得漿液更具有絮凝性。當(dāng)漿液于先前開挖土體留在泥漿中的土顆粒結(jié)合起來時,能夠更好地堵塞大顆粒之間的空隙,使得膨潤土漿液具有良好的填補(bǔ)和支撐機(jī)頭超挖區(qū)域的作用[1]。
圖1 高濃度膨潤土泥漿
注漿減摩工藝由日本傳入中國。傳統(tǒng)的注漿孔布置如圖2所示,平均分散在管道內(nèi)壁的4個方向。對于早期的頂管管道而言,由于管道直徑比較小,所以這種注漿方式能夠有效地在管道外壁形成良好的泥漿套,達(dá)到減摩的效果。但現(xiàn)代工程中管道直徑不斷擴(kuò)大,如上海白龍港片區(qū)污水治理南線工程已經(jīng)達(dá)到D N4000[5]。對于大直徑的管道而言,通過這種注漿方式,泥漿很難達(dá)到管道頂部,即圖2中的A區(qū)域。同時,由于重力作用,在管道頂部和中上部的泥漿很難停留,會順著管道外壁往下流,最終大部分的漿液會聚積在管道底部B區(qū)域。這樣由于管道上部A區(qū)缺少泥漿,導(dǎo)致管道外壁于土層直接擠壓接觸,極易引發(fā)機(jī)頭上方“背土”現(xiàn)象發(fā)生,直接導(dǎo)致上方土層損失嚴(yán)重,引發(fā)地表沉降。同時,由于管道上方無法有效形成良好的泥漿套,導(dǎo)致頂力過大。
圖2 大直徑管道中傳統(tǒng)膨潤土泥漿的聚積效應(yīng)
針對傳統(tǒng)泥漿在大直徑管道中的缺陷,利用高濃度膨潤土泥漿可以有效解決。具體方法是在管道頂部增設(shè)高濃度膨潤土注漿孔。由于高濃度漿液流動性差,所以可以有效滯留在管道頂部,同時該漿液可以和傳統(tǒng)泥漿相結(jié)合,配合管道下方注射的傳統(tǒng)泥漿,能夠在大直徑管道外壁周圍形成良好的泥漿套,防止管道頂部“背土”、底部“積漿”的現(xiàn)象發(fā)生。
頂管工程在頂進(jìn)過程中很難做到連續(xù)頂進(jìn),中途可能因各種突發(fā)情況而暫停,如管道內(nèi)部滲水、洞口滲漏、管道測量、機(jī)頭故障等。管道暫停之后,重新啟動復(fù)頂時,往往會發(fā)現(xiàn)主頂油缸的頂力過大,而主頂力過大,往往會導(dǎo)致液壓缸溫度過高而出現(xiàn)故障,甚至高于設(shè)計頂力而超過管道設(shè)計強(qiáng)度。造成該問題的主要原因是由于傳統(tǒng)泥漿失水性大,在暫停頂進(jìn)后,失去運(yùn)動作用,泥漿消散到周圍地層中。
作者發(fā)現(xiàn),高濃度膨潤土泥漿失水性低,管道暫停頂進(jìn)后,仍能夠保持管道外圍泥漿套的潤滑性。復(fù)頂后,主頂力提升幅度小,能夠有效緩解復(fù)頂后頂力激增的現(xiàn)象。
結(jié)合白龍港南線輸送干線SS T1.2標(biāo)過江管W1-W2段實際工程,將工程前期未采用和工程后期采用高濃度泥漿的兩種工況的1號中繼間復(fù)頂后頂力變化進(jìn)行對比,如圖3所示。
圖3 復(fù)頂后頂力變化
圖3(a)中,管道于5月23日暫停頂進(jìn)一天,隨后恢復(fù)頂進(jìn),但未采用高濃度泥漿,頂力從487 t升至779 t,復(fù)頂后頂力提升60.40%;圖3(b)中管道于9月15日暫停頂進(jìn)一天,隔天恢復(fù)頂進(jìn)后,頂力從502 t提升至633 t,頂力僅提升26.09%。
對于越江管道工程,由于要穿越江河橫斷面,因此頂管在出洞和進(jìn)洞時往往會有較大的坡度。在大坡度下坡頂進(jìn)時,由于重力作用傳統(tǒng)膨潤土漿液會順坡度流向前方機(jī)頭,造成機(jī)頭下方積聚大量漿液(見圖4),從而使機(jī)頭上浮,使機(jī)頭頂端與地層擠壓過大,從而引發(fā)“背土”現(xiàn)象。采用高濃度膨潤土漿液,可以有效緩解該現(xiàn)象。由于其流動性低,不會大量積聚在機(jī)頭下方,同時還具有一定的隔斷效用,可以組織密度低的漿液繼續(xù)流向前方機(jī)頭處。
圖4 下坡頂進(jìn)泥漿積聚在機(jī)頭下方
高密度膨潤土在大口徑越江管道中能夠發(fā)揮特殊功效,但相比于傳統(tǒng)漿液而言,也有其自身的缺陷。由于其摻入膨潤土的比例顯著增大,因此對膨潤土材料的消耗也隨之增大,因此在工程預(yù)算上需注意。高密度膨潤土并非完全取代傳統(tǒng)膨潤土的作用,往往是在特定情況下,二者聯(lián)合使用,相互彌補(bǔ)自身的不足,從而發(fā)揮更好的效用。由于高密度膨潤土的流動性差,因此無法像傳統(tǒng)膨潤土泥漿一樣采用長距離的管道系統(tǒng)進(jìn)行輸送。在工程實踐中發(fā)現(xiàn),高濃度膨潤土漿液在一般泥漿管道中的運(yùn)輸距離不會超過20 m,因此在泥漿運(yùn)輸和注射時很不方便。在白龍港南線輸送缸線SS T1.2標(biāo)過江管實際工程中,在管道內(nèi)部配置高濃度漿液,現(xiàn)場攪拌,并利用高壓土砂泵,連接高壓油管直接打入注漿孔,高壓油管長度不宜超過2 m,不然壓力損失過大,影響高濃度泥漿的注射效果。
高濃度膨潤土漿液在大直徑越江管道中可以發(fā)揮獨(dú)特的作用。由于其流動性低、失水性小的特點(diǎn),可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)漿液的不足。通過與傳統(tǒng)漿液的聯(lián)合使用,在大口徑管道中完整泥漿套的形成、減緩復(fù)頂頂力、降低下坡頂進(jìn)機(jī)頭泥漿積聚現(xiàn)象中,能夠發(fā)揮良好的效用,有效解決了頂管工程中的諸多難題。同時,其自身造價高、運(yùn)輸條件差的缺陷也值得關(guān)注。
[1]魏綱,徐日慶,邵劍明,等.頂管施工中注漿減摩作用機(jī)理的研究[J].巖土力學(xué),2004(6):930-934.
[2]余彬泉,陳傳燦.頂管施工技術(shù)(第一版)[M].北京:人民交通出版社,1998.
[3]喻軍,李元海.頂管泥漿套的物理性質(zhì)對頂推力的影響[J].土木工程學(xué)報,2015(S2):327-331.
[4]王福芝,曾聰,孔耀祖.大直徑長距離頂管潤滑泥漿方案研究[J].地質(zhì)科技情報,2016(2):49-52.
[5]朱煒.上海市白龍港片區(qū)污水治理南線工程簡介[J].科技信息, 2013(17):449-450.
T U990.3
B
1009-7716(2017)06-0205-03
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.061
2017-04-05
呂品(1982-),男,遼寧大連人,工程師,從事給排水管道施工管理工作。