CN108395172A - 一种穿越湖底采空区超长距离大直径钢顶管成套护壁浆液 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿越湖底采空区超长距离大直径钢顶管成套护壁浆液。该穿越湖底采空区超长距离大直径钢顶管成套护壁浆液包括下列各组分，下列各组分是按质量百分比计：钠基膨润土15%、碳酸钠(纯碱)5%、羧甲基纤维素CMC 0.4%、硅酸盐水泥3%、木质素磺酸钙3%，余量为水。该成套护壁浆液解决了超长距离大直径钢顶管在水下采空区顶进时易出现采空区涌水、砂层垮塌埋管、管道起伏、顶进阻力急剧增大等可能造成顶进失败的问题，有效避免了因地层稳定性差、高水压、浅覆土、高渗透性引发的失稳事故。

Description

一种穿越湖底采空区超长距离大直径钢顶管成套护壁浆液

技术领域

本发明涉及长距离大直径地下管线非开挖施工技术领域用的一种护壁减阻浆液体系，尤其是一种适用于水下复杂地层采空区超长距离大直径钢顶管顶进成套护壁浆液。

背景技术

随着城市建设环保意识增强，城市地下综合管廊建设加快，非开挖顶管技术越来越多出现在长距离大直径地下管线施工中。超长距离大直径顶管能否顺利顶进的关键在于护壁减阻技术，护壁减阻技术的核心科技是成套护壁浆液的性能及效果，要求成套护壁浆液在顶进中能够形成高致密性、低粘附性、止水性、一定强度的护壁套，支撑土体稳定，降低顶进阻力，防止顶管机变向，形成良好稳定的土体环境。

目前顶管护壁减阻技术无统一标准，具有不确定性，国内各顶管公司自行探索，主要注重注浆工艺，而对成套护壁浆液的研发与配制具有随意性。一些长距离大直径顶管的成套护壁浆液大部分选择了触变泥浆，如膨润土泥浆、膨润土聚合物泥浆等，也有使用水玻璃基质溶液作为顶管注浆浆液的，用水溶性纤维素衍生物（Na+-CMC）和钠基聚丙烯酸脂配制而得。而在湖底砂层采空区超长距离大直径钢顶管顶进中，传统的触变泥浆难以形成一定强度的止水型护壁套，无法防止管涌并支撑土体稳定，从而导致采空区塌陷埋管顶进失败。

骆马湖顶管工程右线穿越湖底顶管全长1296m，需单次顶进，骆马湖湖底标高高程0.50-18.43m，管道坡度为0%，管道管底埋深0～20.4m，钢管外径φ2620mm，管线主要穿越含砂姜黏土及流砂地层，附近湖底采空区较多，直接穿过两个采空区，地层稳定性差、高水压、浅覆土、高渗透性，顶管施工困难。为保证湖底采空区顶管快速顺利的顶进，必须使顶管顶进时护壁浆液能形成具有一定强度并具备止水性的护壁套，支撑土体稳定，堵漏管涌，防止管线起伏，因此必须研发出适用于该工程的成套护壁浆液配方体系，以期满足实际施工需要。

发明内容

本发明是要解决湖底采空区因地层复杂、稳定性差、含水丰富、高水压、浅覆土、高渗透性引起的大直径顶管顶进时出现的土体易垮塌、泥浆失水严重、出现管涌、地层下陷埋管等施工难题，现有配方泥浆难以形成具备高致密性、低黏附性、强止水性、一定强度的护壁套，提供一种穿越湖底采空区超长距离大直径钢顶管成套护壁减阻浆液体系及配制工艺。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：钠基膨润土10-15%、碳酸钠(纯碱)Na₂CO₃5%、羧甲基纤维素CMC 0.3-0.5%、硅酸盐水泥2-4%、木质素磺酸钙2-4%，余量为水。

本发明具有如下有益效果：

本发明是为泥水平衡顶管掘进机设计的浆液体系，也适用于土压平衡顶管掘进机、盾构机填充浆液和矩形顶管机顶进护壁、填充用浆液，同时具备一般触变性浆液和硬化泥浆的两个特性。

本发明配制的浆液在湖底采空区顶管工程中使用时止水性能及支撑能力明显，能形成高致密性强止水性低黏附性的护壁套，有效隔绝浆液与地下水的联系，防止浆液被水稀释以及大量流失，大大降低了顶管顶进中采空区塌陷、涌水、埋管事故发生的风险，保证了超长距离大直径钢顶管在湖底的顺利快速顶进。

上述技术方案中选择运用了硅酸盐水泥，目前国内、国外顶管泥浆、浆液体系中属首次采用，有效提高浆液自身稳定性，增强浆液失水后的凝固能力，提升护壁套的支撑强度，有效解决湖底砂层漏失严重、土体不稳定等复杂问题。上述技术方案中加入高分子聚合物羧甲基纤维素，提高了浆液的漏斗粘度、动切力，降低了失水量，增强了润滑性，有效提升浆液失水后的胶结能力。

本发明为湖底采空区开展超长距离大直径钢顶管工程提供了核心技术保证，浆液成套护壁效果明显，有效解决了在采空区段顶管顶进方向失控、管道失稳、难以形成有效护壁套与润滑层等严重问题，浆液润滑效果突出，有效降低了管道顶进的侧摩阻力，同时该浆液体系能够大大降低工程施工成本，提高经济效益，减小了施工浆液污染湖水的风险，形成了巨大社会效益。

附图说明

图1 顶管顶力随顶进里程变化曲线

图2 顶管管道外壁单位面积平均摩阻力随顶进里程变化曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施实例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

依据本发明技术方案，开展浆液流变性实验、失水和造壁性实验、润滑性实验，评价浆液性能。开展正交设计试验，得出成套护壁浆液的优化配比。正交设计试验采用三因素三水平正交表安排试验，根据已开展的实验研究护壁浆液中的膨润土加量取15%，纯碱（Na₂Co₃）加量取5%，而硅酸盐水泥（A）、羧甲基纤维素（CMC）（B）、减水剂（C）的优化掺量通过正交试验获得。设定A的水平值为：2%，3%，4%；B的水平值为：0.3%，0.4%，0.5%；C的水平值为：2，3，4（如表1所示）。选用L₉(3⁴)正交表进行试验，试验结果如表2所示。

表1 掺加剂因素与水平值（%）

序号	膨润土（%）	纯碱（%）	A 硅酸盐水泥（%）	BCMC（%）	C减水剂（%）
						1	15	5	2	0.3	2
2	15	5	3	0.4	3
						3	15	5	4	0.5	4

表2 护壁浆液性能参数结果和因素分析

根据表2极差分析，本发明成套护壁浆液最优化配比值为：硅酸盐水泥为A2（3%）、羧甲基纤维素（CMC）B2（0.4%）、减水剂C2（3%），其配方如下表3所示。

表3 护壁浆液最优化配方

序号	膨润土	纯碱	硅酸盐水泥	羧甲基纤维素（CMC）	木质素磺酸钙
						1	15%	5%	3%	0.4%	3%

本发明应用实施实例：

骆马湖顶管工程右线穿越湖底顶管全长1296m，需单次顶进，骆马湖湖底标高高程0.50-18.43m，管道坡度为0%，管道管底埋深0～20.4m，钢管外径φ2620mm，管线全程穿越湖底，主要穿过含砂姜黏土及流砂地层，附近湖底采空区较多，直接穿过两个采空区，顶管施工困难。

本发明应用于该顶管工程，顶进顺利，十分成功，对顶管顶进进行全程监测，得出相关监测数据，绘制出顶管顶进顶力曲线图和管道外壁单位面积平均摩阻力变化图，如图1、图2所示。

由图1可以看出，顶力在刚开始顶进时迅速增大，达到了初始阶段的最高值，随着继续顶进，顶管顶力基本保持稳定，这也是顶管顶进初始阶段顶力的合理值，然后顶力开始缓慢增加，直至顶进结束，顶力一直控制在合理范围之内，其中在顶程600m处，顶力迅速增大后急剧下降，属于顶进中土体不稳定造成的，其后顶力缓慢增加。顶进全程，顶力增长速度缓慢，始终保持在合理范围内。

由图2可以看出，管道外壁单位面积平均摩阻力f随顶进里程的增大迅速降低至2.0KN/m²以下，在顶进里程达200m以上时，管道外壁单位面积平均摩阻力f低于1.0 KN/m²，顶进过程中平均摩阻力f最低时达0.6 KN/m²，管道顶穿后的平均摩阻力f为0.7 KN/m²。顶进速度快，管道如期贯通。在如此复杂的水下环境中能够顺利完成超长距离大直径顶管顶进属国内首次，本发明取得了巨大的效益。

应用本发明的成套护壁浆液，有效解决了管道顶进突水的问题，避免了采空区垮塌埋管的事故，节省了制浆材料用量，降低了顶管顶进摩阻力，大大提升了顶进速度，提高了施工效率，节省了工期节约了施工成本创造了巨大的社会效益。

Claims (4)

1.一种穿越湖底采空区超长距离大直径钢顶管成套护壁浆液，其特征在于：包括下列各组分，下列各组分是按质量百分比计：钠基膨润土15%、碳酸钠(纯碱) 5%、羧甲基纤维素CMC 0.4%、硅酸盐水泥3%、木质素磺酸钙3%，余量为水。

2.根据权利要求1所述的超长距离大直径钢顶管成套护壁浆液，其特征在于：所述的钠基膨润土产自河南信阳，钠基膨润土10%、碳酸钠(纯碱) 5%、余量为水配制的浆液24h预水化性能参数为：漏斗粘度16.78S，失水量15.6ml，泥皮厚1.4mm，析水率32%，动切力0.77mPa，稠度指数0.02。

3.根据权利要求1所述的超长距离大直径钢顶管成套护壁浆液，其特征在于：所述的羧甲基纤维素0.4%纯浆液性能参数为：漏斗粘度20s， 动切力4.6 mPa，流性指数0.44，稠度指数0.46。

4.根据权利要求1所述的超长距离大直径钢顶管成套护壁浆液，其特征在于：漏斗粘度为52.13s，表观粘度为24.17mPa·s，动切力为10.067mPa，流性指数为0.497，稠度指数为0.77，润滑系数为0.35，失水量为10.8ml，泥皮厚度为0.9mm，析水率为0。