頂管施工中的泥漿技術(shù)

1、頂管施工中的泥漿技術(shù)摘要：對(duì)于管外壁摩阻力，在很大程度上可以通過(guò)各種手段來(lái)施加影響。首先要注意管子表面的光潔平滑，以保持很低的摩檫系數(shù)。此外極為重耍的是，管子耍盡可能避免圓度誤差，并保持直徑的一致。在這方面，如果管子是用許多管模制造的，問(wèn)題可能就出現(xiàn)在制管廠中，因?yàn)楣苣Ｄ緛?lái)就有尺寸公差，而且磨損程度也不相同。此外，如果管子澆注之后脫模過(guò)早，或者由于蒸養(yǎng)而發(fā)生收縮，也會(huì)引起這類的偏差。管子尺寸的不準(zhǔn)確在推頂時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生夾緊力，這種力有時(shí)可能達(dá)到很高的數(shù)值。關(guān)鍵詞：頂管施工泥漿若使刃腳比它相應(yīng)于管子外徑應(yīng)有的尺寸稍大一點(diǎn)，就有可能降低管外壁摩阻力。這樣能使上層不直接壓在管體上。只要土層足夠堅(jiān)硬，這

2、種方法就會(huì)取到預(yù)期的效果。而如果向管子和土層之間形成的空隙內(nèi)壓人支承介質(zhì)，這種方法的效力更可以大大提高，并能維持一定的吋間，從而足以頂進(jìn)一段相當(dāng)長(zhǎng)的管路，再則，支承介質(zhì)在起支承作用的同時(shí)，也可以作為潤(rùn)滑劑起到減少摩阻力的作用。對(duì)支承一潤(rùn)滑介質(zhì)的要求對(duì)支承一潤(rùn)滑介質(zhì)的要求，可以根據(jù)摩擦定律推算出來(lái)。摩擦定律概要除了不在這里討論的滾動(dòng)摩擦之外，可將摩擦區(qū)分為：a）粘附摩檫（與靜摩擦相同）； b）滑動(dòng)摩擦。在粘附摩擦和滑動(dòng)摩擦的情況下都存在如下的關(guān)系:t =n u式中n法向力；t-切問(wèn)乂hp摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)u是一個(gè)材料常數(shù)，與滑動(dòng)面和滑動(dòng)物體的表面性質(zhì)有關(guān)，而卻不以接觸面積f的大小為轉(zhuǎn)移。無(wú)量鋼系數(shù)

3、p在粘附摩擦的情況下，一般大于滑動(dòng)摩擦?xí)r的數(shù)值，因?yàn)樵谡掣侥Σ恋那闆r下，表面會(huì)由于經(jīng)常存在的不平度而被“楔緊”?；瑒?dòng)摩擦又可分為：bl ）干摩檫；b2 ）液體摩擦。在干摩擦吋，滑動(dòng)體和滑動(dòng)面直接接觸，在液體摩擦的情況下，滑動(dòng)體和滑動(dòng)面則被潤(rùn)滑介質(zhì)隔開(kāi)在滑動(dòng)摩擦的情況下。滑動(dòng)體和滑動(dòng)面之間存在相對(duì)速度。在干滑動(dòng)摩檫的情況下，摩擦系數(shù)u與相對(duì)速度u無(wú)關(guān)。在液體滑動(dòng)摩擦的情況下，視在摩擦系數(shù)m則相隨滑動(dòng)體和滑動(dòng)妞之間液體的流動(dòng)阻力而變化。流動(dòng)阻力則取決于液體的運(yùn)動(dòng)粘滯度和流動(dòng)速度。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)可知，流動(dòng)阻力與流動(dòng)速度的平方成正比。在兩個(gè)互相接觸的物體之間，起作用的是一個(gè)比壓：p=n/f在液體摩擦的

4、情況下，作用在潤(rùn)滑液體上的是一個(gè)流動(dòng)壓力:若p=p，物體和潤(rùn)滑介質(zhì)便處于平衡狀態(tài)。這時(shí)運(yùn)動(dòng)的物體就“漂 浮”在滑動(dòng)面上。如pp，潤(rùn)滑介質(zhì)便會(huì)從運(yùn)動(dòng)物體和滑動(dòng)面之間的縫隙屮逐漸被擠壓出去，直到液體摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)楦苫瑒?dòng)摩擦為止。液體摩擦的前提在于，無(wú)論物體和滑動(dòng)面都必須是不透水的。如果潤(rùn)滑介質(zhì)能夠滲人物體或滑動(dòng)面而又不以同樣的數(shù)量給予補(bǔ)充，那么液體摩擦就會(huì)變成干摩擦。從摩擦定律得出的結(jié)論.按照摩擦定律來(lái)考慮，對(duì)于頂管施工可以得出完全明確的結(jié)論如下：a）為了保持較小的推頂力，干摩擦須以盡可能小的摩擦系數(shù)p為前捉。管子表面的光滑，能使摩擦系數(shù)降低。管子表面的機(jī)械加工和涂抹減摩劑，同樣都能起到減小u值的作用

5、。b）在干摩擦的情況下，管子表面在推頂過(guò)程中會(huì)被周圍上層磨毛，因而使摩擦系數(shù)增大。所以在項(xiàng)管距離較大時(shí)，一般多采取液體摩擦的方式。c）液體摩擦須以管子和土層之間存在潤(rùn)滑介質(zhì)為前提，也就是說(shuō)，須將潤(rùn)滑介質(zhì)壓人其間。d）潤(rùn)滑介質(zhì)必須保持一定的厚度方能有效。e）管子和土層間必須存在一定的空隙，也就是說(shuō)，要留出一定的空隙，以便在壓人潤(rùn)滑介質(zhì)后能夠形成所需厚度的一個(gè)液體層。f）管子和土層之間充滿潤(rùn)滑介質(zhì)的空隙，在整個(gè)推頂過(guò)程屮必須保持不變。要作到這一點(diǎn)，潤(rùn)滑介質(zhì)必須能夠阻止土層落到管壁上，亦即潤(rùn)滑 介質(zhì)必須承受著各種具體條件下起作用的上壓力來(lái)托住土層。因此，在潤(rùn)滑介質(zhì)中必須經(jīng)常保持相當(dāng)于土應(yīng)力的液壓。這

6、樣，潤(rùn)滑介質(zhì)同時(shí)也起著支承介質(zhì)的作用。交承壓力的反作用力則由頂進(jìn)管來(lái)承受。g）為了形成管子和土層之間所需的空隙，刃腳直徑的取值最好稍大于頂進(jìn)管直徑。h）對(duì)粘性很小的土壤來(lái)說(shuō)，推頂時(shí)在刃腳周圍產(chǎn)生的松散地帶便能形成管子和土層之間所需的空隙，因而不需要刃腳直徑大于管徑。|）上層和管子之間既已形成空隙，就必須在土層落到管體一上以及土壓力上升達(dá)到全值之前將支承-潤(rùn)滑介質(zhì)充入其中。事后再來(lái)克服土壓力將土層從管壁上推開(kāi)是不可能的。一旦周圍土壤的某些顆粒接觸管壁并被土層壓附在管壁上，立即便會(huì)發(fā)生于摩擦，即使隨后壓人潤(rùn)滑介質(zhì)，情況仍然如此。k）可以把頂進(jìn)管看作是不透水的。管子接頭在整個(gè)推頂過(guò)程中應(yīng)保持密閉。l

7、）土層總是多少冇些透水的。因此，支承一潤(rùn)滑介質(zhì)必須起到的另一作用，即在于封閉管子周圍土層的空隙，以便在土層中造成一個(gè)不透水的環(huán)形地帶，從而阻止支承-潤(rùn)滑介質(zhì)滲入土層。m）為了能夠封閉土層的空隙而乂不致流失到土層中去，支承-潤(rùn)滑介質(zhì)必須具有足夠高的運(yùn)動(dòng)粘滯度。n）為了取得盡可能小的視在摩擦系數(shù)p，又需要支承-潤(rùn)滑介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘滯度較低一些。0）支承-潤(rùn)滑介質(zhì)不得對(duì)頂進(jìn)管材料（鋼、鋼筋混凝土、石棉水泥或塑料混凝土）和接頭材料（鋼和橡膠）造成侵蝕。p）支承-潤(rùn)滑介質(zhì)不得污染地下水。膨潤(rùn)土礦物懸浮液能夠最充分地滿足對(duì)支承-潤(rùn)滑介質(zhì)提出的一切要求。作為支撐-潤(rùn)滑介質(zhì)的膨潤(rùn)土1890年，美國(guó)的福特本頓首先發(fā)

8、現(xiàn)了膨潤(rùn)上。它的主要成分和對(duì)于它作為支承一潤(rùn)滑介質(zhì)的性能起著決定作用的，乃是其屮叫作蒙脫土的一種粘土礦物，這種礦物以其位于法國(guó)南方的蒙脫英里翁礦床而得名。在德意志聯(lián)邦共和國(guó)的巴伐利亞，則有著大約一千萬(wàn)年前作為風(fēng)化產(chǎn)物形成的一些酸性火山質(zhì)玻璃凝灰?guī)r礦可供這方妞的應(yīng)用。蒙脫土是一種層狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶氫化硅酸鋁。硅酸鹽多層體是一種三層結(jié)構(gòu)，其屮包括一層s i o4四面體、一層氫氧化鋁八面體和一層s i 04四面體。蒙脫土晶體即由許多這樣的硅酸鹽疊層組成。蒙脫土晶體遇水膨脹，與此同時(shí)水分子便滲入各個(gè)疊層之間。于是兩個(gè)蒙脫土疊層之間的距離就加大了一倍。晶體內(nèi)部膨脹現(xiàn)象的原因，則在于疊層內(nèi)部電荷分布的不均勻。

9、我們可以設(shè)想，在靜止下來(lái)的膨潤(rùn)上懸浮液中，薄片狀的蒙脫上微粒形成一種紙牌房子式的結(jié)構(gòu)，其中這些微粒以它們的角隅和棱緣彼此接觸或互相支撐。一旦靜止?fàn)顟B(tài)被擾亂，例如由于攪拌、振動(dòng)或泵送等等，于是大多數(shù)的“紙牌房子”坍塌下來(lái)，因而在靜止?fàn)顟B(tài)下凝結(jié)起來(lái)的懸浮液就會(huì)變成溶膠。當(dāng)這種溶膠再次靜止下來(lái)，薄片狀的蒙脫上微粒又會(huì)彼此搭在一起形成紙牌房子式的結(jié)構(gòu)，于是溶膠重新凝固。忌浮液每當(dāng)靜止便結(jié)成凝膠，一旦運(yùn)動(dòng)起來(lái)又變成溶膠，這種從靜止?fàn)顟B(tài)到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又回到靜止?fàn)顟B(tài)的結(jié)構(gòu)交替，可以永無(wú)止境地 重復(fù)下去，這樣的特性便叫作觸變性。作為頂管施工中的支撐-潤(rùn)滑介質(zhì)，膨潤(rùn)土的重要特點(diǎn)即在于它的膨脹性能。這一

10、點(diǎn)須取決子薄片狀蒙脫俄土微粒的大小和數(shù)量。膨潤(rùn)土主要有兩類，即鈣膨潤(rùn)土和鈉膨潤(rùn)土上。它們的區(qū)別在于起決定作用的蒙脫土是鈣蒙脫上還是鈉蒙脫土。在膨潤(rùn)土含量相同情況下，鈉膨潤(rùn)土懸浮液屮所含極薄的硅酸鹽疊層片的數(shù)量，約為鈣膨潤(rùn)上懸浮液中所含數(shù)量的15到20倍。由于這種極薄的硅酸鹽疊層片的數(shù)量大得多，便有利于蒙脫土微粒形成紙牌房子式的結(jié)構(gòu)，因而亦有利于提高懸浮液的膨脹性能，這樣既可改善懸浮液在溶膠狀態(tài)下的流動(dòng)性，也能改善懸浮液在凝膠狀態(tài)下的固結(jié)性。所以鈉膨潤(rùn)土比鈣膨潤(rùn)土更適用于頂管施工。而巴伐利亞礦層卻只含有膨脹性能較差的鈣膨潤(rùn)土。但鈣蒙脫土有一個(gè)特性，亦即其中化合的鈣離子可以用鈉離子來(lái)置換通過(guò)這樣的

11、離子交換，鈣膨潤(rùn)土的性能會(huì)有很大的變化，從而被賦予鈉膨潤(rùn)上的優(yōu)良特性。由于銷膨潤(rùn)土和通過(guò)鈉離子置換而活化的鈣膨潤(rùn)土一一也叫作活性膨潤(rùn)土一一能夠最大程度地滿足頂管施工中提出的要求，因而不面的討論便以這兩種膨潤(rùn)土為基礎(chǔ)?；瘜W(xué)分析表明，膨潤(rùn)土中大約有56 %的二氧化硅和20%的氧化鋁，二者共同構(gòu)成了蒙脫土上晶體的基本物質(zhì)。與此相對(duì)應(yīng)，礦物組成中也有75%的蒙脫土。篩分析也很值得注意，根裾篩分析，膨潤(rùn)土屮粒徑小于0.025毫米的占55%膨潤(rùn)土加水?dāng)嚢杓闯蓱腋∫?，這里對(duì)水質(zhì)的要求和拌制混凝土?xí)r一樣。判斷膨潤(rùn)土懸浮液是否適于用作支承一潤(rùn)滑介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)在于它的物理特性。而對(duì)后者起決定作用的，主耍是忌浮液屮的膨

12、潤(rùn)土含量。表2屮按照每立方米制成懸浮液中含有30、40、60和80公斤膨潤(rùn)上的四種情況，分別列出了各種懸浮液的主要參數(shù)。首先從容重的數(shù)據(jù)屮可以看出，膨潤(rùn)土含量對(duì)容重的影響不大。在我們所考察的試樣上，容重大致變化于1020到1050公斤/米3之間，因此只是稍高于純水的容重。所以膨潤(rùn)土懸浮液也可以在水下頂管施工中用作支承潤(rùn)滑介質(zhì)，無(wú)需顧慮懸浮液因容重不同而流失，故而對(duì)膨潤(rùn)土懸浮液來(lái)說(shuō)，容重并不是一個(gè)重要的判斷標(biāo)準(zhǔn)。反之，流變極限測(cè)量結(jié)果都表明，無(wú)論在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或是靜置狀態(tài)下，懸浮液中的膨潤(rùn)土含量都對(duì)流變極限有很大的影響。正如事先的考慮所預(yù)見(jiàn)到的，流限在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下達(dá)到了下限值。觀察表2可以看出，膨潤(rùn)上

13、含量從每立方米30公斤增加到60公斤時(shí)，亦即在膨潤(rùn)上含量增大一倍的情況下，運(yùn)動(dòng)流限從22.4克（力）/厘米2上升到204克（力）/厘米2,因此也就是提高到大約9倍，當(dāng)膨潤(rùn)土含量從40公斤/米3增加到80公斤/米3時(shí)，同樣也是在增大一倍的情況下，可以看到大致相同的比率。 這時(shí)運(yùn)動(dòng)流限從44.6克（力）/厘米2上升到439克（力）/厘米2,亦即 增大到10倍左右。靜置一分鐘后的比率也類似于流動(dòng)狀態(tài)下的情況。在這種條件下，當(dāng)膨潤(rùn)土含量從30公斤/米3增加到60公斤/米3時(shí)，流限從42.8克（力）/厘米2提高到320克（力）/厘米2,即增大到7.5倍。當(dāng)膨潤(rùn)土含量 從40公斤/米3增加到80公斤/米3

14、時(shí)，流限則以100: 6961: 7的比例提高。最后，在靜置24小時(shí)的情況下，當(dāng)膨潤(rùn)上含量從30公斤/米3增加到6 0公斤/米3時(shí)，流限比率為198： 1265 1： 6, 80公斤/米3含量的相應(yīng)數(shù)值則限于現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)條件而無(wú)法測(cè)出。因此得出的結(jié)論是，膨潤(rùn)土含量增加一倍，可使膨潤(rùn)上懸浮液的支承作用提高到7至10倍。但是這也意味著，若膨潤(rùn)土含量減少1 / 2,支承作用就可能降低到1/10。所以，確定懸浮液中的膨潤(rùn)上含量，便有著如此重大的意義。得到的另一個(gè)結(jié)論是，在從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)過(guò)渡到靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，流限的增大須取決于忌浮液屮的膨潤(rùn)土含量。在每立方米懸浮液中含30公斤膨潤(rùn)土的情況下。靜置1分鐘后的流限

15、以42.8: 22.4=1.9： 1的比率增大。在膨潤(rùn)土含量為40公斤/米3的情況下，靜置1分鐘后的增大比率已達(dá)100: 44.6=2.2： lo然而在膨潤(rùn)土含量為60公斤/米3情況下，這一比值卻降低到320: 204 = 1. 6： 1,以及在膨潤(rùn)土含量為80公斤/米3的情況下，比率仍為696: 439=1.6： 10靜置24小時(shí)后的流限與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的比率，在懸浮液中的膨潤(rùn)上含量為30公斤/米3時(shí)是22.4: 198=1: 8.8，在40公斤/米3的情況下是44.6： 584=1： 13.3,在60公斤/米3的情況下是204:1265=1:6.2,而對(duì)于80公斤/米3的含量，則己無(wú)法取得測(cè)量

16、值。在將膨潤(rùn)上忌浮液用作支承-潤(rùn)滑介質(zhì)的情況下，靜止?fàn)顟B(tài)的流限值與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的流限同樣具有重要意義：靜止?fàn)顟B(tài)下的流限值決定著懸浮液是否適于用作支承介質(zhì)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的流限值則決定著懸浮液是否適于用作潤(rùn)滑介質(zhì)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)流限與靜止流限之比為1: 6到1: 10 （最大1: 15）時(shí)。膨潤(rùn)上懸浮液便完全能滿足這兩個(gè)方的要求。流限值適用于膨脹過(guò)程業(yè)己最后完結(jié)的懸浮液。這種膨脹過(guò)程的性質(zhì)，在于水已滲入了構(gòu)成蒙脫土晶體的硅酸鹽疊片的晶層屮。致使層間距離增大起來(lái)。水對(duì)微小蒙脫土晶體的滲透過(guò)程以及水滲入更小得多的晶層之中都需要時(shí)間。這就是膨脹時(shí)間，攪拌越充分.膨脹時(shí)間就越短，否則在水和膨潤(rùn)土的混合料未獲充分?jǐn)嚢璧那?/p>

17、況下，膨脹時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)許多倍。攪拌取得良好效果的前提，是要有足夠長(zhǎng)的攪拌時(shí)間，至少要有半個(gè)小時(shí)，有時(shí)甚至可能需耍若干小時(shí)。另一個(gè)前提是耍求膨潤(rùn)土不留余渣地充分溶解在水中，盡可能使每一個(gè)膨潤(rùn)土顆粒都被水包圍著。最后，在攪拌時(shí)不要讓空氣進(jìn)入水和膨潤(rùn)土的混合料中，因?yàn)榭諝鈺?huì)妨礙水滲入蒙脫土晶體。再則，膨脹時(shí)間也會(huì)受到混合料溫度的影響。高溫（夏季溫度）可使膨脹時(shí)間縮短，低溫（冬季溫度）則使膨脹吋間延長(zhǎng)。當(dāng)溫度低于零度時(shí)，膨脹過(guò)程即告中止，但混合料并不會(huì)遭到破壞。解凍后膨脹過(guò)程又會(huì)重新繼續(xù)下去，在這種情況下，須將凍結(jié)的時(shí)間計(jì)入膨脹時(shí)間之內(nèi)。在攪拌效果良好的情況下，攪拌過(guò)程結(jié)束后即己能夠達(dá)到80%左心的最終流限，而在攪拌效果不良的情況下，這一比值則降低到大約35%。由此可見(jiàn)，在攪拌效果良好和高溫條件下，經(jīng)過(guò)5個(gè)小時(shí)的膨脹時(shí)間后即已達(dá)到最終流限。反之，在攪拌效果不良和低溫條件下，則需要24小時(shí)方能達(dá)到最終流限。對(duì)于膨脹過(guò)程是否己經(jīng)結(jié)束，需要仔細(xì)地進(jìn)行觀