張 闖， 隆 威， 李建中， 盧一飛

(1.有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083; 2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083; 3.深圳市建筑科學(xué)研究院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

目前我國石油天然氣能源、水資源需求急劇增長，石油、天然氣、水資源輸送管道工程項目日益增多，如西氣東輸、川氣東送、南水北調(diào)等，許多管道不可避免穿越沙漠地區(qū)[1]。作為非開挖技術(shù)[2-6]的主要方法之一的頂管法[7-11]應(yīng)用越來越普遍。在頂管施工中，為減小頂進時管外壁所受的摩擦阻力需進行注漿減阻。泥漿材料多采用合成材料和高效處理劑，有利于提高泥漿的護壁減阻性能[12]。Khazaei[13]通過FLAC3D進行了注漿減阻模擬，研究其減阻效果，將實測數(shù)據(jù)進行對比驗證。Shimada[14]通過建立2D有限元模型，分析了漿液在隧道中的填充及減摩作用。Kastner與Pellet[15]通過分析整理法國微型隧道工程現(xiàn)場記錄的各種數(shù)據(jù)，對頂管頂進中側(cè)摩阻力所受的影響進行了研究。K. Shou, J. Yen, M. Liu[16]研究了潤滑油對泥漿的影響。James C. Ni , Louis Ge , Wen-Chieh Cheng[17]通過分析影響頂管頂力的因素主要來自表面壓力的穿透阻力和管道與周圍土壤的摩擦阻力，研究了粗、細泥漿對頂管頂進中減小阻力的作用。Saeid Khazaei, Hideki Shimada, Kikuo Matsui[18]進行了泥漿對頂管推力影響的分析與預(yù)測。喻軍、李元海[19]等研究了泥漿套的物理性質(zhì)及減阻效果。魏剛、徐日慶[20]等研究了頂管施工中注漿減阻作用機理。但是鮮有人研究應(yīng)用于沙漠地區(qū)大直徑頂管施工注漿護壁減阻材料。

沙漠地區(qū)地層穩(wěn)定性差，砂土呈松散、流動態(tài)，無粘性，摩阻力大。長距離大直徑頂管施工時間長、難度大，護壁與減阻漿液性能要求高，漿液長距離輸送壓力損失大，作用效果不理想，頂管施工時極易造成地層垮塌埋管，頂管阻力急劇增加導(dǎo)致頂進失敗[21]。根據(jù)諸多頂管工程施工案例和技術(shù)資料[22-25]可知，沙漠地區(qū)大直徑頂管順利頂進的關(guān)鍵是漿液應(yīng)具有較好的潤滑減阻和成套護壁作用。本文正是基于這一關(guān)鍵問題，開展室內(nèi)試驗和現(xiàn)場應(yīng)用研究，研發(fā)出了適合沙漠地區(qū)頂管的新型護壁減阻漿液，采用高嶺土聚合物漿液作為機頭同步注漿漿液，無粘土高聚物漿液作為沿線跟進補漿漿液，注漿系統(tǒng)也將由同步注漿系統(tǒng)和跟進補漿系統(tǒng)組成，形成同步和跟進兩套注漿工藝。同步注漿漿液在潤滑減阻的基礎(chǔ)上主要突出成套護壁作用，而跟進補漿漿液主要突出潤滑減阻特性，從而使?jié)櫥瑴p阻漿液系統(tǒng)達到最佳的潤滑和護壁作用。研發(fā)的新型護壁減阻漿液應(yīng)用于內(nèi)蒙古烏蘭布和沙漠穿沙輸水項目7～9號頂段，是國內(nèi)外首例沙漠地區(qū)大直徑頂管工程。該研究提升了沙漠地區(qū)頂管工程關(guān)鍵技術(shù)、解決了護壁與減阻問題，而且將極大地推動頂管工程的快速發(fā)展，進而提升城市基建在地下空間的發(fā)展速度和石油天然氣能源、水資源的開發(fā)利用效率，具有極大的社會價值和經(jīng)濟效益。

1 護壁減阻漿液作用機理

頂管工程中，頂管機在地層中進行掘進作業(yè)，其掘進過程中會引起管壁周圍土體擾動，導(dǎo)致四周土體松散。嚴重的會產(chǎn)生頂進路線上方出現(xiàn)路面塌陷的情況，造成安全隱患。且頂管工程中管壁與周邊土體間摩阻力過大也會引起施工過程中效率降低，工期變長。注漿工藝在頂管工程中是必不可少的一環(huán)。在管道頂進中注入護壁堵漏漿液，漿液能在管壁與開挖面土層之間形成密閉良好的泥漿套，一方面起到護壁堵漏作用，漿液滲入到管壁四周土層后膠結(jié)，使頂進面穩(wěn)定性增加，降低周邊土體的變形量，減輕土體因擾動導(dǎo)致地面塌陷的可能性，達到改善周邊土層穩(wěn)定性的效果。另一方面則是達到潤滑減阻的作用，通過機頭同步注漿所注入的護壁堵漏漿液有效地改善不良地層漿液漏失嚴重的情況，使得后續(xù)的跟進補漿潤滑減阻漿液有效地作用于管壁與泥漿套之間，保證管壁與土體間的空隙能夠充滿漿液。由于漿液的存在使得原本管道頂進過程中管壁與土體之間直接存在的干摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)楣鼙谂c潤滑漿液之間的濕摩擦，顯著減小了管道頂進中的摩擦阻力。

2 漿液室內(nèi)試驗

2.1 實驗材料

材料：高嶺土、NaOH、羧甲基纖維素CMC、聚丙烯酰胺(PAM 2000萬分子量)。

儀器：漏斗粘度計、ZNN-D6型旋轉(zhuǎn)粘度計、ZNS型泥漿失水量測定儀。

2.2 漿液配比實驗

2.2.1 機頭同步注漿漿液：高嶺土聚合物漿液

由高嶺土、NaOH、羧甲基纖維素(CMC)按一定配比配制，對數(shù)據(jù)進行對比分析，根據(jù)施工現(xiàn)場要求，得出同步注漿膏狀漿液配方。

不同NaOH加量對漿液的性能影響見表1。

由圖1、圖2可知，漿液漏斗粘度及動切力隨著NaOH加量的增加而呈上升趨勢，加量越大上升的速率越快即上升幅度越大。根據(jù)圖表分析，數(shù)值在NaOH 加量為0.2%以后陡然增加，上升的幅度特別大，故NaOH加量取0.2%。

不同高嶺土及不同CMC加量對漿液的性能影響見表2。

通過表2中數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，17.5%高嶺土和20%高嶺土加量時漿液的性能較好，而17.5%高嶺土+0.04%CMC與20%高嶺土+0.01%CMC流變性能相近，區(qū)別在于所配的漿液中高嶺土含量的多少以及失水量的大小。由圖3、圖4可知，高濃度高嶺土漿液的漏斗粘度、動切力隨CMC加量增加而變大，從17.5%高嶺土曲線可以看出，漏斗粘度隨CMC加量的增加上升趨勢明顯，24 h預(yù)水化后0.04%CMC加量的漿液漏斗粘度已經(jīng)超過了300 s。CMC具有明顯的增粘效果。

表1 不同NaOH加量的漿液性能測試

圖1 漏斗粘度變化曲線

圖2 動切力變化曲線

試驗編號基 漿 配 方高嶺土/%NaOH/%漏斗粘度/s塑性粘度/(mPa·s)動切力/mPa表觀粘度/(mPa·s)流性指數(shù)稠度指數(shù)1(+0.05%CMC)12.00.220.066.338.510.150.5360.2471(24 h)12.00.223.568.841.012.900.6020.1992(+0.05%CMC)15.00.240.5310.572.517.750.5060.5332(24 h)15.00.264.1813.092.522.250.4980.7033(+0.05%CMC)17.50.2207.4315.5217.537.250.3373.6173(24 h)17.50.2>30017.0272.544.250.3085.2454(+0.04%CMC)17.50.2107.4116.0180.034.000.3872.3274(24 h)17.50.2>30017.0240.041.000.3354.0185(+0.03%CMC)17.50.284.5613.5185.032.000.3422.9965(24 h)17.50.2258.0018.5220.040.500.3743.0326(+0.025%CMC)17.50.268.1613.0165.029.500.3592.4506(24 h)17.50.2109.3518.0200.038.000.3902.5487(+0.015%CMC)20.00.2170.0015.5220.037.500.3343.7067(24 h)20.00.2>30019.5325.052.000.3006.5238(+0.01%CMC)20.00.2115.5018.0187.536.750.4052.2208(24 h)20.00.2164.8218.5227.541.250.3663.258

圖3 漏斗粘度變化曲線

圖4 動切力變化曲線

由圖5和圖6可知，漿液流性指數(shù)隨高嶺土、CMC加量增加而下降，稠度指數(shù)則隨之上升。護壁漿液在堵漏性能上的要求較高，漿液擁有一定的稠度利于形成致密的泥漿套，但考慮到漿液從地表注入至地層中的輸送過程，對漿液的流性指數(shù)也有一定的要求。若是漿液過稠，護壁漿液容易在輸送至遠端時漿液流動緩慢，泵入困難，導(dǎo)致泵壓增大。

圖5 流性指數(shù)變化曲線

圖6 稠度指數(shù)變化曲線

不同高嶺土及不同CMC加量對漿液失水量和漿液狀態(tài)的影響見表3。

由表3可知，失水量隨著CMC加量增加而減小，因此在高濃度高嶺土漿液中CMC具有良好的降失水作用。在進行漿液配比試驗過程中對高嶺土加量和CMC加量進行調(diào)節(jié)以達到讓漿液在靜止后趨向于凍膠狀態(tài)，使?jié){液粘度不會過高而影響漿液的可泵性。泥皮厚度隨高嶺土加量增加而增加，CMC加量對泥皮厚無影響。

表3 不同高嶺土及不同CMC加量的漿液失水性測試

通過以上試驗得出最優(yōu)機頭同步注漿漿液配方：17.5%高嶺土+ 0.025%CMC+0.2%NaOH+100%水。

此配方漿液性能參數(shù)：漏斗粘度68.16 s、塑性粘度13 mPa·s、動切力165 mPa、表觀粘度29.5 mPa·s、流性指數(shù)0.359、稠度指數(shù)2.45、失水量9.3 mL、漿液狀態(tài)為凍膠狀。

配制方法：加水60%～80%攪拌下加入高嶺土及NaOH攪拌20 min，加入余量水繼續(xù)攪拌10 min，慢慢撒粉方式加入羧甲基纖維素(CMC)，攪拌20 min。

2.2.2 沿線跟進補漿漿液：無粘土聚合物漿液

由純聚丙烯酰胺(PAM 2000萬分子量)配制，對數(shù)據(jù)進行對比分析，根據(jù)施工現(xiàn)場要求，得出同步注漿膏狀漿液配方。

PAM 2000萬分子量純漿液流變性見表4。

從圖7～10可知，PAM(2000萬分子量)純?nèi)芤郝┒氛扯?、動切力、稠度指?shù)隨PAM加量增加而上升，流性指數(shù)隨之下降。其中流性指數(shù)在0.25%的PAM配比下達到試驗最高值，沿線跟進補漿漿液主要突出潤滑減阻特性，因此選此PAM配比為無固相聚合物漿液優(yōu)化配方。由表4可知，漿液失水量隨PAM加量的增加而減小，可以得出PAM具有降失水的作用。

通過以上試驗得出最優(yōu)沿線跟進補漿漿液配方：0.25%PAM(2000萬分子量)+100%水。

此配方漿液性能參數(shù)：漏斗粘度124.5 s、塑性粘度25 mPa·s、動切力25 mPa、表觀粘度27.5 mPa·s、流性指數(shù)0.874、稠度指數(shù)0.064、失水量14.4 mL。

配制方法：加水60%～80%攪拌下慢慢撒粉方式加入PAM(2000萬分子量)攪拌40 min，加入余量水攪拌5 min。

表4 PAM 2000萬分子量純漿液流變性測試

圖7 漏斗粘度變化曲線

圖8 動切力變化曲線

圖9 流性指數(shù)變化曲線

圖10 稠度指數(shù)變化曲線

高濃度高嶺土聚合物漿液在流沙地層中主要起到改善砂層的不穩(wěn)定性，以高濃度高嶺土填充不良地層中的孔隙，提高漿液護壁堵漏的性能，形成完整的護壁泥漿套。這是降低后續(xù)跟進補漿漿液漏失，充分發(fā)揮潤滑減阻性能作用的關(guān)鍵。無粘土聚合物漿液跟進補漿通過在管道外壁設(shè)置的注漿孔注入到地層與管道之中，主要起到潤滑管道，降低管道與地層之間的側(cè)摩阻力，控制頂力增長的作用。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

本工程為烏蘭布和生態(tài)沙產(chǎn)業(yè)示范區(qū)巴音湖輸水穿沙管道工程，工程地點位于烏蘭布和巴音湖南側(cè)。巴音湖輸水穿沙管線是烏蘭布和生態(tài)沙產(chǎn)業(yè)示范區(qū)輸水工程的關(guān)鍵管線，管線采用DN3000單管供水，由烏蘭湖接出，從南向北穿越烏蘭布和沙漠帶，終點接至巴音湖。線路全長1.52 km，共設(shè)臨時頂管井5座，其中工作井2座、接收井3座，將全長分為1個250 m長的試驗段和3個423.3 m長的頂段(參見圖11)。本文所研究的漿液用于7～9號頂段。頂管工程管材采用特種F型鋼承口鋼筋混凝土管，頂管全長1520 m。每段頂管工程量見表5。

表5 頂管工程數(shù)量

施工區(qū)主要以第四系中更新統(tǒng)沖基層(Q2el)為主，自上而下土層主要為：松散粉砂層、稍密粉砂層、中密粉砂層，中密粉砂層中存在部分粉土層和圓礫層，其中圓礫層巖性為級配不良礫，中密，一般粒徑1.00～2.00 cm，最大可見粒徑約4.00 cm。管道所處標高為1071～1072m，地層變化不大，為稍密-中密粉砂土。根據(jù)地勘報告所示，本次頂管施工范圍內(nèi)未見地下水，且井底四周有鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁加固土體，可不考慮地下水的影響。根據(jù)附近地下水資料參考，地下水為大概位于管道底部2 m位置。

圖11施工總平面布置圖

3.2 注漿方法

該工程應(yīng)用了同步注漿和跟進補漿的方法。

同步注漿就是在管道頂進過程中將護壁漿液通過機頭處設(shè)置的注漿孔注入到開挖地層中，頂進前即開始注入，并且在頂進中持續(xù)注入，達到護壁漿液能在管道頂進過程中提前滲入周邊地層對其性質(zhì)進行改良形成穩(wěn)定泥漿套。

跟進補漿則是通過在管道外壁設(shè)置的注漿孔注入到地層與管道之中，主要起到潤滑管道，降低管道與地層之間的側(cè)摩阻力，控制頂力增長的效果。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.3.1 頂力變化分析

通過現(xiàn)場工程應(yīng)用中對頂力數(shù)據(jù)的反饋統(tǒng)計，對7～4號頂段、7～9號頂段進行頂力變化趨勢圖的繪制(見圖12、圖13)。7～4號頂段機頭同步注漿采用13%膨潤土+0.15%CMC + 0.2%NaOH+100%水，跟進補漿采用0.45%PHP+100%水。7～9號頂段采用了本文漿液方案，對兩個頂段進行對比分析。

7～9號頂段前25 m未進行注漿作業(yè)，25 m后開始注漿，機頭同步注漿配比為17.5%高嶺土+0.025%CMC+0.2%NaOH+100%水。根據(jù)頂力變化數(shù)據(jù)及注漿情況，結(jié)合現(xiàn)場記錄確定泥沙層廣泛分布在64～110 m段以及185～253 m段，粘土層分布于110～185 m段，其余為干流沙地層。由圖13可知，頂力在粘土段明顯高于附近頂段中的泥沙層，分析得出粘土段中頂管頂進過程中的正面阻力遠大于泥沙層。頂力在整個頂進過程中比較平穩(wěn)。

圖12 7～4號頂段頂力變化趨勢圖

圖13 7～9號頂段頂力變化趨勢圖

對比圖12、圖13頂力變化趨勢可知，7～4號頂段后程中出現(xiàn)了頂力波動、不穩(wěn)定現(xiàn)象，而7～9號頂段中采用了高濃度高嶺土護壁漿液配合跟進潤滑漿液，頂力得到明顯控制。在泥沙層中頂力維持在6000 kN左右，粘土層中維持在8000 kN左右，干流沙地層中頂力曲線平穩(wěn)上漲。

3.3.2 注漿量監(jiān)測分析

通過現(xiàn)場工程應(yīng)用中對注漿量的監(jiān)測，對7～4號頂段、7～9號頂段進行注漿量變化趨勢圖的繪制(見圖14、圖15)。對兩個頂段進行對比分析。

圖14 7～4號頂段頂管注漿量變化圖

圖15 7～9號頂段頂管注漿量變化圖

由圖15可知，7～9號頂段中同步注漿量在頂進過程中趨于平穩(wěn)狀態(tài)，變化不大。而跟進補漿量則隨著頂距的增長而上升，由于潤滑漿液需要及時補充管道與地層間的空隙，達到減小管壁與砂層間摩擦力的效果，隨著頂距增長而上升的跟進補漿量屬于合理情況。

對比圖14、圖15注漿量變化趨勢可知，7～4號頂段中跟進補漿在后程出現(xiàn)注漿量異常增大的情況，同時該頂段頂力也在后程出現(xiàn)波動不穩(wěn)定現(xiàn)象。根據(jù)分析，跟進潤滑漿液注漿量異常是由于同步護壁漿液護壁效果不佳導(dǎo)致潤滑漿液出現(xiàn)漏失而造成的。跟進補漿日注漿量在10 m3以上波動，峰值達到了18 m3。而7～9號頂段采用了本文針對流沙地層而研制的高濃度高嶺土護壁堵漏漿液有很好的護壁效果，跟進漿液注漿量隨頂距增長而穩(wěn)定上升，前期日注漿量保持在4 m3左右，后期保持在8 m3。

通過頂段7～4號與頂段7～9號頂力變化和注漿量監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析可知，本文針對流沙地層所研制的護壁減阻漿液在實際工程應(yīng)用中得到了顯著的效果，有效地控制了頂進過程中頂力的穩(wěn)定，降低了漿液在不良砂層中漏失嚴重的情況，研制的漿液具有很好的實用價值。

4 結(jié)論

(1)研發(fā)了適合沙漠地層頂管的新型護壁減阻漿液。根據(jù)室內(nèi)漿液性能測試數(shù)據(jù)以及該工程地質(zhì)條件，得到護壁減阻漿液的最優(yōu)配方為，機頭同步注漿漿液配方17.5%高嶺土+0.025%CMC+0.2%NaOH+100%水；沿線跟進注漿漿液配方0.25%PAM(200萬分子量)+100%水。

(2)整個注漿系統(tǒng)由同步注漿和跟進補漿兩部分組成。同步注漿采用高濃度高嶺土聚合物漿液為注漿材料，以成套護壁為主要目的；跟進補漿采用無粘土高聚物漿液為注漿材料，以潤滑減阻為主要目的。兩套注漿系統(tǒng)相輔相成，使得流沙地層頂管工程注漿技術(shù)發(fā)揮出護壁減阻雙重效果，保障管道頂進的順利完工。

(3)高嶺土聚合物漿液和無粘土聚合物漿液都屬于假塑性流體，具有很好的紊流減阻特性，解決了長距離頂管漿液輸送難題。高濃度高嶺土聚合物漿液具有良好的護壁堵漏、保護孔壁穩(wěn)定、失水量低特性，無粘土聚合物漿液具有良好潤滑減阻性能，這些特性為流沙這一類高漏失性地層頂管工作的順利進行提供了有力的保障。

(4)研發(fā)的頂管施工注漿護壁減阻材料在工程應(yīng)用中取得了顯著的成果，改善了流沙地層頂管項目中漿液漏失嚴重、頂力變化不穩(wěn)定的狀況，有極大的推廣應(yīng)用價值及經(jīng)濟社會效益。