CN108531151A - 一种沙性土质中顶管机用减阻泥浆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沙性土质中顶管机用减阻泥浆，由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100份，纯碱0.6‑0.9份，羧甲基纤维素0.2‑0.35份，腐殖酸钾0.2‑0.3份，石墨粉0.1‑0.15份，植物胶10‑15份，水280‑310份。本发明将钠基膨润土和植物胶混合使用，降低减阻泥浆中的固含量，泥浆中的细粒黏土多，水化效果好，形成的泥皮致密且薄，泥浆失水小；石墨粉增加减阻泥浆的润滑性，腐殖酸钾对减阻泥浆有较好的稀释作用，能有效降低泥浆的稠度而对黏度改变较小。
Description
技术领域
本发明属于建筑施工技术领域，具体涉及一种沙性土质中顶管机用减阻泥浆及其制备方法。
背景技术
顶管施工技术是近年来非开挖施工技术的一种管道施工形式，相对于开槽明挖施工来说，不会造成施工场地及周边的交通影响，施工效率高，污染小。在顶管施工中，由于管道四周受到土体的摩擦，从而产生摩擦阻力，进而影响了管道的前进，故在施工中需要采取减阻措施对管道作用巨大顶力来克服。大口径长距离顶管所需的巨大推力，不仅对管材的抗压强度、顶管工作井形式及顶管后背承受推力的能力提出了较高的要求。为了减少顶管时管外壁承受的巨大摩擦阻力，顶管施工工程主要采用向管壁外注入减阻泥浆的方式减小推力。
在顶进过程中，随着距离的增长，后背主顶千斤顶要克服各种阻力方能前进，如：顶管机和管节自重，顶进惯入阻力，摩擦阻力，管道和顶管机上垂直，水平的侧压力等。顶管在土质上下差异较大的土层中顶进时，所受到的上下阻力不均匀，因软土层排土较多，会引起地层下沉。为了提高顶进施工的效率，在施工过程中尽可能地降低周围土体顶管机及管节的摩擦力，就要在顶管机顶进过程中采用减阻泥浆。
顶管施工中注浆作用机理为：一是起润滑作用，将顶进管道与土体之间的干摩擦变为湿摩擦，减小顶进时的摩擦阻力；二是起填补和支撑作用，浆液填补施工时管道与土体之间产生的空隙，同时在注浆压力下，减小土体变形，使隧洞变的稳定。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的减阻泥浆性能不能满足各种工况下的应用需求，为解决上述问题，本发明提供一种沙性土质中顶管机用减阻泥浆及其制备方法。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种沙性土质中顶管机用减阻泥浆，由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100份，纯碱0.6-0.9份，羧甲基纤维素0.2-0.35份，腐殖酸钾0.2-0.3份，石墨粉0.1-0.15份，植物胶10-15份，水280-310份。
由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100份，纯碱0.7-0.8份，羧甲基纤维素0.25-0.3份，腐殖酸钾0.25-0.3份，石墨粉0.1-0.12份，植物胶10-12份，水290-300份。
由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100份，纯碱0.75份，羧甲基纤维素0.28份，腐殖酸钾0.28份，石墨粉0.12份，植物胶10份，水295份。
如上述的沙性土质中顶管机用减阻泥浆的制备方法，具体步骤如下：将水加入制浆装置中，边搅拌边将纯碱、羧甲基纤维素、腐殖酸钾、石墨粉和植物胶加入制浆装置中，最后再加入钠基膨润土，搅拌均匀后放入储浆罐中，储浆罐内设置有螺旋桨，可持续搅拌减阻泥浆，防止减阻泥浆沉淀。
减阻泥浆主要用料膨润土的主要矿物成分是蒙脱石，含量在85-90%，膨润土的一些性质也都是由蒙脱石所决定的。蒙脱石可以成致密块状，也可为松散的土状，用手指搓磨时有滑感，在水中呈悬浮状，水少时呈糊状，在水介质中能分散成胶凝状和悬浮状，这种介质溶液具有一定的黏滞性、触变性和润滑性。减阻泥浆用的膨润土分为钙基膨润土和钠基膨润土，吸收钙离子多的为钙基，吸收钠离子多的为钠基膨润土。根据不同地质条件下，对减阻泥浆性能有不同的要求。在沙性土质中，钠基膨润土比钙基膨润土多含一层极薄的硝酸盐，它与膨润土中的蒙脱石小粒子结合中易形成空隙构造，从而使泥浆膨润性增加，减阻泥浆以后流动性好，静止下来有胶凝性和固化性。
羧甲基纤维素又叫CMC，是一种大分子化学物质，能够吸水膨胀，在水中溶胀时，可以形成透明的粘稠胶液，在酸碱度方面表现为中性。固体CMC对光及室温均较稳定，在干燥的环境中，可以长期保存。CMC的优越性能如：增稠性、保水性、代谢惰性、成膜成形性、分散稳定性等，可用作增稠剂、保水剂、粘合剂。
纯碱又叫碳酸钠，纯碱能通过离子交换和沉淀作用使钙质粘土变为钠质粘土，从而有效地改善粘土的水化分散性能，因此加入适量纯碱可使新浆的失水下降，与膨润土发生水化作用，粘度、切力增大。
植物胶大分子物质是一类亲水性很强的物质，由于植物胶产品是被粉碎为60-80目细度的粉末，因此水分子容易进入植物胶物质中，使之溶胀，从溶胀到溶解的时间也比较短，在机械搅拌下一般需要20-30min。作为一种天然高分子有机化合物，植物胶中多糖和可溶纤维素的分子结构中含有大量的羟基等亲水基团，与水可通过氢键相联结，发生水合作用，形成亲水胶体，可以和水以任意比例相融合。
腐殖酸钾是一种高分子非均一的芳香族羟基羧酸盐，其外观为黑色粉末，易溶于水，水溶液呈碱性，用其配制的泥浆具有较强的防塌能力，腐殖酸钾的有效成分是-COOK、-OK以及游离的K+，腐殖酸钾溶于水后能电离形成负电荷的水化基团，且腐殖酸钾具有大的表面官能团，吸附了较多的自由水，提高了黏土颗粒的电动电位和静电斥，使泥浆获得较低的失水量从而形成薄而有弹性的泥皮。同时K+对基岩产生的封闭作用，可防止泥浆中的自由水的渗入，起到抑制水化和防塌作用。
石墨晶体有足够的润滑性和柔软性，石墨宏观硬度很低，莫氏硬度等级为0.5-1，属于软性物质。石墨能在基层面上作完全的解理，并沿着解理平面而滑动，在有水蒸气和空气的条件下石墨能更好的发挥其润滑性。
相对于现有技术，本发明将钠基膨润土和植物胶混合使用，降低减阻泥浆中的固含量，泥浆中的细粒黏土多，水化效果好，形成的泥皮致密且薄，泥浆失水小；石墨粉增加减阻泥浆的润滑性，腐殖酸钾对减阻泥浆有较好的稀释作用，能有效降低泥浆的稠度而对黏度改变较小；羧甲基纤维素和纯碱可以提高减阻泥浆的稳定性和浆液稠度，增加钠离子改变土粒子水化性能，植物胶分子经过适度的链接后，胶粒直径增大，在一定的压差作用下，浆液失水，同时，胶粒逐步充填堵塞井壁孔隙，增大渗失阻力，而链接反应生成的网状结构，在压差作用下迅速在孔壁表面形成一层结构网胶膜，不同粒度的胶粒紧密的充填于结构网孔隙中，使得胶膜更加致密，增强其隔水性，提高胶膜（泥皮）的渗水阻力，具有降失水的功能。本发明提供的减阻泥浆的黏度、失水量和泥皮厚度大大降低，更能满足不同工况的需要。
具体实施方式
本发明中的钠基膨润土、纯碱、羧甲基纤维素、腐殖酸钾、石墨粉和植物胶均为市售产品。
一种沙性土质中顶管机用减阻泥浆，由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100份，纯碱0.6-0.9份，羧甲基纤维素0.2-0.35份，腐殖酸钾0.2-0.3份，石墨粉0.1-0.15份，植物胶10-15份，水280-310份。
由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100份，纯碱0.7-0.8份，羧甲基纤维素0.25-0.3份，腐殖酸钾0.25-0.3份，石墨粉0.1-0.12份，植物胶10-12份，水290-300份。
由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100份，纯碱0.75份，羧甲基纤维素0.28份，腐殖酸钾0.28份，石墨粉0.12份，植物胶10份，水295份。
如上述的沙性土质中顶管机用减阻泥浆的制备方法，具体步骤如下：将水加入制浆装置中，边搅拌边将纯碱、羧甲基纤维素、腐殖酸钾、石墨粉和植物胶加入制浆装置中，最后再加入钠基膨润土，搅拌均匀后放入储浆罐中，储浆罐内设置有螺旋桨，可持续搅拌减阻泥浆，防止减阻泥浆沉淀。
实施例1：
一种沙性土质中顶管机用减阻泥浆，由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100kg，纯碱0.6kg，羧甲基纤维素0.2kg，腐殖酸钾0.2kg，石墨粉0.1kg，植物胶10kg，水280kg。
如上述的沙性土质中顶管机用减阻泥浆的制备方法，具体步骤如下：将水加入制浆装置中，边搅拌边将纯碱、羧甲基纤维素、腐殖酸钾、石墨粉和植物胶加入制浆装置中，最后再加入钠基膨润土，搅拌均匀后放入储浆罐中，储浆罐内设置有螺旋桨，可持续搅拌减阻泥浆，防止减阻泥浆沉淀。
实施例2：
一种沙性土质中顶管机用减阻泥浆，由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100kg，纯碱0.65kg，羧甲基纤维素0.22kg，腐殖酸钾0.22kg，石墨粉0.11kg，植物胶11kg，水285kg。
如上述的沙性土质中顶管机用减阻泥浆的制备方法，具体步骤如下：将水加入制浆装置中，边搅拌边将纯碱、羧甲基纤维素、腐殖酸钾、石墨粉和植物胶加入制浆装置中，最后再加入钠基膨润土，搅拌均匀后放入储浆罐中，储浆罐内设置有螺旋桨，可持续搅拌减阻泥浆，防止减阻泥浆沉淀。
实施例3：
一种沙性土质中顶管机用减阻泥浆，由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100kg，纯碱0.7kg，羧甲基纤维素0.25kg，腐殖酸钾0.24kg，石墨粉0.12kg，植物胶12kg，水290kg。
如上述的沙性土质中顶管机用减阻泥浆的制备方法，具体步骤如下：将水加入制浆装置中，边搅拌边将纯碱、羧甲基纤维素、腐殖酸钾、石墨粉和植物胶加入制浆装置中，最后再加入钠基膨润土，搅拌均匀后放入储浆罐中，储浆罐内设置有螺旋桨，可持续搅拌减阻泥浆，防止减阻泥浆沉淀。
实施例4：
一种沙性土质中顶管机用减阻泥浆，由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100kg，纯碱0.75kg，羧甲基纤维素0.28kg，腐殖酸钾0.26kg，石墨粉0.13kg，植物胶13kg，水295kg。
如上述的沙性土质中顶管机用减阻泥浆的制备方法，具体步骤如下：将水加入制浆装置中，边搅拌边将纯碱、羧甲基纤维素、腐殖酸钾、石墨粉和植物胶加入制浆装置中，最后再加入钠基膨润土，搅拌均匀后放入储浆罐中，储浆罐内设置有螺旋桨，可持续搅拌减阻泥浆，防止减阻泥浆沉淀。
实施例5：
一种沙性土质中顶管机用减阻泥浆，由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100kg，纯碱0.8kg，羧甲基纤维素0.3kg，腐殖酸钾0.27kg，石墨粉0.14kg，植物胶14kg，水300kg。
如上述的沙性土质中顶管机用减阻泥浆的制备方法，具体步骤如下：将水加入制浆装置中，边搅拌边将纯碱、羧甲基纤维素、腐殖酸钾、石墨粉和植物胶加入制浆装置中，最后再加入钠基膨润土，搅拌均匀后放入储浆罐中，储浆罐内设置有螺旋桨，可持续搅拌减阻泥浆，防止减阻泥浆沉淀。
实施例6：
一种沙性土质中顶管机用减阻泥浆，由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100kg，纯碱0.85kg，羧甲基纤维素0.32kg，腐殖酸钾0.28kg，石墨粉0.15kg，植物胶15kg，水305kg。
如上述的沙性土质中顶管机用减阻泥浆的制备方法，具体步骤如下：将水加入制浆装置中，边搅拌边将纯碱、羧甲基纤维素、腐殖酸钾、石墨粉和植物胶加入制浆装置中，最后再加入钠基膨润土，搅拌均匀后放入储浆罐中，储浆罐内设置有螺旋桨，可持续搅拌减阻泥浆，防止减阻泥浆沉淀。
实施例7：
一种沙性土质中顶管机用减阻泥浆，由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100kg，纯碱0.9kg，羧甲基纤维素0.35kg，腐殖酸钾0.5kg，石墨粉0.15kg，植物胶15kg，水310kg。
如上述的沙性土质中顶管机用减阻泥浆的制备方法，具体步骤如下：将水加入制浆装置中，边搅拌边将纯碱、羧甲基纤维素、腐殖酸钾、石墨粉和植物胶加入制浆装置中，最后再加入钠基膨润土，搅拌均匀后放入储浆罐中，储浆罐内设置有螺旋桨，可持续搅拌减阻泥浆，防止减阻泥浆沉淀。
实施例8：
一种沙性土质中顶管机用减阻泥浆，由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100kg，纯碱0.7kg，羧甲基纤维素0.2kg，腐殖酸钾0.28kg，石墨粉0.13kg，植物胶15kg，水300kg。
如上述的沙性土质中顶管机用减阻泥浆的制备方法，具体步骤如下：将水加入制浆装置中，边搅拌边将纯碱、羧甲基纤维素、腐殖酸钾、石墨粉和植物胶加入制浆装置中，最后再加入钠基膨润土，搅拌均匀后放入储浆罐中，储浆罐内设置有螺旋桨，可持续搅拌减阻泥浆，防止减阻泥浆沉淀。
实施例9：
一种沙性土质中顶管机用减阻泥浆，由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100kg，纯碱0.9kg，羧甲基纤维素0.25kg，腐殖酸钾0.26kg，石墨粉0.1kg，植物胶11kg，水290kg。
如上述的沙性土质中顶管机用减阻泥浆的制备方法，具体步骤如下：将水加入制浆装置中，边搅拌边将纯碱、羧甲基纤维素、腐殖酸钾、石墨粉和植物胶加入制浆装置中，最后再加入钠基膨润土，搅拌均匀后放入储浆罐中，储浆罐内设置有螺旋桨，可持续搅拌减阻泥浆，防止减阻泥浆沉淀。
减阻泥浆的原理：在顶进过程中，随着距离的增长，后背主顶千斤顶要克服各种阻力方能前进，如：顶管机和管节自重，顶进惯入阻力，摩擦阻力，管道和顶管机上垂直，水平的侧压力等。顶管在土质上下差异较大的土层中顶进时，所受到的上下阻力不均匀，因软土层排土较多，会引起地层下沉。为了提高顶进施工的效率，在施工过程中尽可能地降低周围土体顶管机及管节的摩擦力，就要在顶管机顶进过程中采用减阻泥浆，减阻泥浆主要材料是膨润土和水，当膨润土和水混合后，由于水掺膨润土，膨润土膨胀重量可以达到膨润前重量的4-6倍重，经搅拌储存呈凝状，在有外力作用下呈流动状，这种材料填充在顶管机管节外壳与土壤的间隙中，减阻泥浆在土体周围形成完整泥浆套，会大大降低管节推进的摩阻力，从而也起到减小对周围土体扰动的作用。
本发明的应用实施实例：
利用实施例3制备的减阻泥浆进行注浆减阻，减阻泥浆的黏度为58s，失水量为7.1ml，泥皮厚度为0.78mm。
减阻泥浆管路分为主管路和支管路，主管路Φ50高压软管是从储浆罐内通过减阻泥浆增压泵接入到隧道内部Φ50每1.5米带有三通接头的主管路，放到隧道一侧，支管路采用带球阀软管，注浆遇有机械故障，管路堵塞，接头渗漏等情况时，关闭注浆孔球阀处理。混凝土管片预制时有预留减阻注浆孔洞，顶部三个，底部三个，每个注浆孔都有球阀开关控制，靠近盾尾连续布设三环注浆管，主管路的另一端连接到顶管机注浆管路，顶管机前盾顶部帽檐四个，左右侧各3个，底部四个，顶管机前盾尾盾连接处位置上面四个，左右个四个，底部四个。管节减摩泥浆管连接保持之前每隔一环连接一环，根据现场L型接头数量（44个），底板每隔一环连接一环，顶部增加2环，位置为第2环及4环。
具体注浆减阻过程如下：
装配式地下停车场项目为矩形顶管机掘进，管节尺寸为5.0m×5.7m×1.5m，单次顶进61.5m，埋深3m，其中已完成第一跨顶进管节42环63m，主顶油缸8根，每根设计最大350T推力，第一跨在没有洞门密封而注浆效果不佳的情况下完成顶进最后一环时总推力2500T，顶进第二跨时增设了洞门密封，顶至40环时推力已高达到极限值2800T，为了防止损坏主顶油缸及管节我们采取了停机，先关闭所有主管路上分支到整环管节的球阀，对顶管机机器和尾盾3环分别单独增加减阻注浆泵转速注浆3-5分钟，然后从内至外采用了分段注浆每次只打开2环增加减阻注浆泵转速，持续注浆3-5分钟，分段注浆期间发现有的部分管节注浆管压力最大达到瞬时12Bar，有些注浆管压力只有0.2Bar，压力大的管节已经与土层之间没有间隙，采取这项措施后使顶管机及管节被减阻泥浆与土体分离，从而重新形成减阻注浆套，继续顶进40环环推力从2800T逐渐下降至2350T， 直至顶进42环时推力2580T第二跨全部完成。事后分析原因主要是顶进第二跨隧道时，由于停机时间过长，期间并未进行定时注浆，造成管节与土体之间的减阻泥浆流失，摩擦力增大。
在顶进第二跨隧道半仓土速度8mm/分顶进23环时进过程中压力达到1550T推力相比较顶进第三，顶推四跨时半仓土速度8mm/分推力1280T，明显增加，注浆过程发现减阻注浆泵出口压力长时间处于0.1-0.2bar时，进入隧道内打开靠近盾尾三环管节有预留注浆孔并没有泥浆流出，浆液因为密封不好漏浆而造成压力泄露，观察隧道内靠近钢侧壁的补浆管节有多环漏浆位置，现场关闭漏浆管节与主管道连接位置球阀关闭，发现注浆压力达到0.8-1.5bar，打开盾尾有预留注浆孔有浆液流出，持续3-5分钟，顶推压力逐渐降至1300T，保证浆液有一定的压力注入到前方顶管机形成泥浆套，关闭漏浆注浆孔后，推进5-10cm距离再打开，靠近侧壁一侧的注浆孔球阀都是处于“半开”状态，从而减少了泥浆从侧壁缝隙流失且有压力往机头供浆。
顶进过程中，减阻泥浆的合理运用是减小阻力的主要措施，顶管机顶进时，需对顶管机上的减阻注浆孔及盾尾三环的减阻注浆孔频繁注浆，使注浆套在顶管机和管节周围形成泥浆套，后面管节的减阻注浆是起到前面前面泥浆套不完整时补浆，已保证浆液的完整性和连续性，不至于断断续续。由于本工程的施工特点，管节两侧采取的是便于拆卸的钢侧壁结构而密封性不好，造成浆液渗漏的情况，由于顶管机实际开挖面外径比管节外径大3cm，浆液需要填充管节与土体的间隙，由于本工程特点泥浆的流失使泥浆的实际用量要比理论用量大很多，顶进每环管节的注浆实际用量是设计注浆量的2-4倍用量,主要是控制注浆量为主，控制0.6-0.8m3/米，以填充管节与土体之间的间隙。
始发掘进时，当顶管机上第一排注浆孔进入土体时，开始注入减摩泥浆，减阻泥浆施工采用“先注后顶，随顶随注，及时补浆”。掘进过程中拟采用间断性、频繁点注方式，具体注入方法如下：
掘进第1-10环时，每进尺5cm，注入减摩泥浆时间为1min。
掘进第10-30环时，每进尺5cm，注入减摩泥浆时间为1.5min。
掘进第30-40环时，每进尺5cm，注入减摩泥浆时间为2min。
掘进完毕，因管节拼装时间大概需要1h或长时间停机过程，减摩泥浆注入间隔时间为1次/30min，停机过程单次注入时间控制在2min；
在顶进过程中，压浆压力应以浆液能压出管壁外而压力最小为宜，压力太大，由于本工程顶管机埋深浅，对管壁外土体扰动大，会对地面沉降影响较大。压力太小，则浆液不能正常压出管壁外，不能及时形成泥浆套和补充浆液。结合现场施工经验，在不影响地面沉降又能将浆液压到管壁外的压力施工中应持续控制在0.6-0.8bar之间为宜。
根据记录的顶力数据计算出该工程顶管顶进时的平均阻力为0.4-0.65KN/m2，远小于规范规程规定的施加减阻泥浆后的平均阻力，减阻效果良好。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种沙性土质中顶管机用减阻泥浆，其特征在于：由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100份，纯碱0.6-0.9份，羧甲基纤维素0.2-0.35份，腐殖酸钾0.2-0.3份，石墨粉0.1-0.15份，植物胶10-15份，水280-310份。
2.根据权利要求1所述的沙性土质中顶管机用减阻泥浆，其特征在于：由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100份，纯碱0.7-0.8份，羧甲基纤维素0.25-0.3份，腐殖酸钾0.25-0.3份，石墨粉0.1-0.12份，植物胶10-12份，水290-300份。
3.根据权利要求1所述的沙性土质中顶管机用减阻泥浆，其特征在于：由以下重量份的原料制成：钠基膨润土100份，纯碱0.75份，羧甲基纤维素0.28份，腐殖酸钾0.28份，石墨粉0.12份，植物胶10份，水295份。
4.如权利要求1-3任一所述的沙性土质中顶管机用减阻泥浆的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：将水加入制浆装置中，边搅拌边将纯碱、羧甲基纤维素、腐殖酸钾、石墨粉和植物胶加入制浆装置中，最后再加入钠基膨润土，搅拌均匀后放入储浆罐中，储浆罐内设置有螺旋桨，可持续搅拌减阻泥浆，防止减阻泥浆沉淀。
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