书馆banner

您的位置:首页 > 书馆 > 技术资料 > 隧道技术

原材料含量对顶管施工触变泥浆性能的影响

作者:袁为岭,荣亮,杨红军  发布:2017/7/14  浏览:
单位:中铁隧道股份有限公司

摘 要:触变泥浆在顶管施工过程中起到润滑减阻、支撑地层等作用,是顶管施工中的关键之一。为解决长距离、大断面矩形顶管沉降控制困难及阻力过大的问题,通过对触变泥浆中各种原材料对其性能的影响进行类比试验,寻找各种原材料对泥浆性能的影响规律,分析每种材料对触变泥浆性能的影响,从而根据郑州市下穿中州大道隧道工程地层情况确定了适应本工程的触变泥浆配合比,顶管推进减阻30%左右,解决了大断面矩形顶管沉降控制困难和推进摩擦阻力大的问题。

0 引言

随着社会的进步和经济的发展,越来越多的长距离、大断面顶管隧道应用在城市地下工程的建设中,因此,如何减小顶管施工过程中的地层阻力和有效控制地层沉降成为工程的关键。

文献[1 - 4]研究的是触变泥浆浆液注入的时间、方式和压力等因素对顶管施工的影响; 文献[5 - 6]主要介绍了触变泥浆在顶管施工中的机制及触变泥浆的应用; 文献[7]介绍了砂性土中长距离顶管的触变泥浆试验研究; 文献[8 - 9]介绍了水泥浆触变性的分析及实验研究; 文献[10]研究的是新型的触变泥浆减阻材料; 文献[11]主要研究了膨润土对泥水平衡盾构泥浆漏斗黏度的影响; 文献[12 - 13]主要介绍了触变泥浆在桥涵顶进中的应用。以上文献很少有深入探讨和研究膨润土触变泥浆本身的性能以及各种原材料对泥浆性能的影响,本文以常用的膨润土泥浆作为顶管施工的触变减阻材料为例,采用类比试验法探索常规膨润土泥浆配合比中各种原材料对其性能的影响,从而根据不同地层对泥浆性能的要求,选择比较合适的配合比,并且可以根据现场施工情况的不同,增加一定的原材料,及时调整泥浆性能,使泥浆性能能够更好地适应地层要求。经过现场验证,经试验选择的泥浆配合比性能良好、稳定,在大断面矩形顶管施工中,起到了良好地控制地层沉降和减小顶进推力的作用。

1 触变泥浆性能及其在顶管中的作用

1. 1 泥浆的触变性

浆液配制完成后为悬浮液,当悬浮液静止时,会絮凝成凝胶体; 当浆液被搅拌、振动或泵送时,转变成黏性的液体; 再次处于静止状态时,又会形成凝胶体,这种液体和凝胶体之间的交替可以发生多次,这类特性称为触变性。触变泥浆的触变性有助于顶管隧道顶层在运动时成为黏性浆液减小阻力,静止时成为凝胶体支撑地层。

1. 2 触变泥浆在顶管中的作用

1) 减阻作用。将顶进管道与土体之间的干摩擦转换为液体摩擦,减小顶进的摩擦阻力。

2) 填补作用。浆液填补施工时管道与土体之间产生的空隙。

3) 支撑作用。在注浆压力下,减小土体变形,顶管隧道和土体之间的间隙被高浓度浆液填充,支撑地层。

当了解了触变泥浆的性能和在顶管施工中的作用后,就能根据施工地层的性质( 颗粒含量、级配、黏粒含量和含水量等) ,选择相应性能参数的触变泥浆。

2 触变泥浆性能试验介绍

1) 原材料: 膨润土、Na2CO3、CMC( 羧甲基纤维素纳) 、PHP( 聚丙烯酰胺) 和水等。

2) 试验仪器: 六速旋转黏度计、比重称、马氏漏斗黏度计、打气筒滤失仪、含砂量测定仪、秒表、泥浆搅拌机、电子称、pH 试纸、烧杯、玻璃板、玻璃棒和量筒等。

3) 试验方法: 在基本符合顶管施工触变泥浆性能配合比的情况下,调整配合比中某一种原材料的含量,检测其含量的变化对泥浆各种性能的影响; 然后再调整其他几种原材料的含量,检测其对泥浆性能的影响,通过这样的类比试验,分析各种原材料对泥浆性能的影响。

触变泥浆主要有以下7 个参数: 密度、黏度、含砂量、pH 值、稳定性、失水量和静切力。主要测试的是对顶管施工非常重要的黏度、稳定性( 析水率) 和失水量3 个指标。

3 触变泥浆成分与泥浆性能的关系

触变泥浆主要由膨润土和水按一定比例配制而成,加入CMC、纯碱和PHP 以改善其性能指标。其中,CMC 作用为增稠、降低失水量; 纯碱作用为促进膨润土水化; PHP 作用为抗分散。通过类比试验来检测各种原材料对触变泥浆性能的影响。

3. 1 膨润土对泥浆性能的影响

前期根据经验先试配几种触变泥浆,然后配制标准密度约为1. 1 g /cm3 的触变泥浆,在CMC、纯碱和PHP 含量不变的情况下,改变膨润土的含量,见表1,测出膨润土含量对触变泥浆漏斗黏度、析水率和API失水量的影响曲线,如图1 所示。

由图1 可知,在一定配合比下,随着膨润土含量的增加触变泥浆的漏斗黏度变大,膨润土的含量对触变泥浆的漏斗黏度影响非常明显,尤其当膨润土含量较大时,影响更大; 但当膨润土含量过大时,触变泥浆成流塑状态,不再适用本试验。

表1 泥浆配合比试验1( 膨润土含量变化)

图1 膨润土含量对漏斗黏度、析水率和失水量影响曲线

随着膨润土含量的增加触变泥浆的析水率降低,当膨润土含量达到一定量后,析水率变为0,不再变化。

随着膨润土含量的增加触变泥浆API 失水量减小,在膨润土含量较小时,影响非常明显; 当膨润土含量较大时,影响较小。这主要是因为随着膨润土含量的增加,泥浆中固相含量增加,泥浆黏度增大,使泥浆失水量减小。

3. 2 CMC 含量对触变泥浆性能的影响

配制密度1. 1 g /cm3 的触变泥浆,在膨润土、纯碱和PHP 含量不变的情况下,改变CMC 的含量,见表2,可以得出CMC 含量对泥浆漏斗黏度、析水率和API 失水量的影响曲线,如图2 所示。

由图2 可知,在一定配合比下,随着CMC 含量的增加触变泥浆的漏斗黏度变大,当CMC 含量较小时,影响较大; 当CMC 含量较大时,影响变小。CMC 在泥浆中起到增稠的作用,随着含量的增加,泥浆黏度增大,当超过一定量时,其增稠效果降低,使得泥浆黏度增加较小。

表2 泥浆配合比试验2( CMC 含量变化)

图2 CMC 含量对漏斗黏度、析水率和失水量影响曲线

触变泥浆析水率随着CMC 含量的增加而降低,当CMC 含量达到一定量后,析水率变为0,不再变化。

CMC 含量对触变泥浆API 失水量影响几乎可以不考虑。

3. 3 纯碱含量对触变泥浆性能的影响

配制密度1. 1 g /cm3 的触变泥浆,在膨润土、CMC和PHP 含量不变的情况下,改变纯碱的含量,见表3,可以得出纯碱含量对触变泥浆漏斗黏度、析水率和API 失水量的影响曲线,如图3 所示。

表3 泥浆配合比试验3( 纯碱含量变化)

图3 纯碱含量对漏斗黏度、析水率和失水量影响曲线

由图3 可知,在一定配合比下,当纯碱含量较小时,随着纯碱含量的增加触变泥浆的漏斗黏度变大,当超过一定含量后,随着纯碱含量的增加而黏度逐渐减小,其中,在含量0. 3%附近漏斗黏度最大。

触变泥浆析水率随着纯碱含量的增加而降低,当纯碱含量达到一定量后,析水率变为0,不再变化。

当纯碱含量较小时,触变泥浆API 失水量随着纯碱含量增加而减小,当超过一定含量后,随着纯碱含量的增加而逐渐变大,其中,在含量0. 3% 附近API 失水量最小。加入纯碱后,可以去除泥浆中的部分钙离子,从而提高泥浆的水化分散能力,使得失水量减小,当加入量过多时,泥浆的水化分散能力下降,使得失水量增大。

3. 4 PHP 含量对触变泥浆性能的影响

配制密度1. 1 g /cm3 的触变泥浆,在膨润土、CMC和纯碱含量不变的情况下,改变PHP 的含量,见表4,可以得出PHP 含量对触变泥浆漏斗黏度、析水率和API 失水量的影响曲线,如图4 所示。

表4 泥浆配合比试验4( PHP 含量变化)

图4 PHP 含量对泥浆漏斗、析水率和失水量影响曲线

由图4 可知,在一定配合比下,PHP 含量对漏斗黏度影响不大。

触变泥浆析水率随着PHP 含量的增加而升高,在0. 5%左右达到顶峰,当含量较大时,析水率再次降低。随着PHP 含量的增加,泥浆的絮凝效果提高,使得泥浆中细颗粒形成比较大的絮团,析水率逐渐升高,当超过一定含量,其絮凝效果而下降,造成析水率降低。

API 失水量随着PHP 含量的增加而逐渐变大,但影响较小。

4 工程实例

郑州市下穿中州大道工程,采用2 台矩形顶管( 10. 1 m × 7. 25 m,7 . 5 m × 5. 4 m) 施工4 条平行的隧道,隧道埋深在3 m 左右,地层以粉土和粉质黏土为主,地下水位在5 ~ 7 m,随着季节变化而变换2 m 左右,隧道上部为繁忙的交通主干道,地下管线较多,由于首次采用如此大断面施工,切覆土超浅,平行隧道间距只有1 m,且100 m 长隧道未采用中继间,因此对施工的沉降控制和摩擦阻力的降低提出了更高的要求。

依据触变泥浆在顶管施工过程中的作用,要求触变泥浆性能必须满足以下指标,见表5。

表5 触变泥浆性能要求

采用正交试验对试验数据进行分析,在满足顶管触变泥浆性能指标要求的情况下,确定触变泥浆最佳配合比见表6。

同时根据试验取得的原材料对泥浆性能的影响规律,在不同时段( 始发、推进和到达) 、不同位置( 洞门、隧道内补充注浆和顶管机机头) 注入性能差异不大的触变泥浆,最终确保了项目成功实施。

表6 触变泥浆配合及性能指标

通过计算得出顶管隧道贯通的推力为64 670 kN,而实际推力只有理论推力的70% 左右,沉降在交通主干道保证在25 mm 以内,触变泥浆对该项目的成功施工起到了非常关键的作用。

5 结论与建议

5. 1 结论

1) 在一定配比下,随着膨润土含量的增加,漏斗黏度增大( 超过一定量后就无法在进行试验) ,析水率降低( 含量少时降低量大,变化接近0 后不变) ,失水量减小;

2) 在一定配合比下,随着CMC 含量的增加,漏斗黏度增大,析水率降低( 含量少时降低量大,变化接近0 后不变) ,失水量保持基本不变;

3) 在一定配合比下,随着纯碱含量的增大,漏斗黏度发生驼峰式先增后减,析水率降低( 含量少时降低量大,变化接近0 后不变) ,失水量保持基本不变;

4) 在一定配合比下,随着PHP 含量的增加,漏斗黏度保持不变,析水率出现驼峰式先升后降,失水量缓慢增大。

5. 2 存在的不足

1) 由于本试验采用了几种固定膨润土进行试验,试验的数据受到限制,因此可能对部分性能还无法测试出来,趋势有可能不够准确。

2) 由于本试验受到试验时间等限制,试验数据分析的不够精细,可能出现部分趋势在本次试验中未表现出来。

3) 试验原材料的选择,尤其是膨润土的选择对泥浆性能影响非常大,因此选择的膨润土不同,泥浆的性能趋势可能会发生变化。

5. 3 建议

1) 针对不同地层对触变泥浆性能的要求有较大差异,要根据地层参数选择与之相适应的性能指标。

2) 在施工现场应用时,应根据膨润土的性能、地层参数等进行大量试验,找到最适合本工程的触变泥浆配合比。

3) 在施工过程中,根据不同的位置和时间,利用本文泥浆性能随原材料变化的规律,适当地调整泥浆性能,以取得更好的效果,但是要特别注意驼峰变化点。

摘自:隧道建设

隧道网版权及免责声明:

凡本网注明“来源:隧道网”的所有作品,版权均属于隧道网,未经本网授权,不得转载、摘编或以其它方式使用上述作品。已经本网授权使用作品的,须在授权范围内使用,并注明“来源:隧道网”。违反上述声明者,本网将保留追究其相关法律责任的权利。凡本网来源注明为非隧道网的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,该文章仅代表作者观点,并不代表本网赞同其观点或对其真实性负责,请读者自行核实相关内容,仅作参考。如因作品内容、版权和其它问题请与本网联系。

标签

相关文章

网友评论

发表评论

发表评论 (回复限1000字以内!)

加载更多...


隧道网手机版
隧道网微信公众号
╳ 关闭