膨润土浆压力对顶管界面摩擦的影响

1 研究概况

顶管是一种通过将预制管道从启动井推到出口井穿过地面形成小直径隧道的技术。在盾内开挖的同时，使用强大的液压千斤顶推动特别设计的管道穿过盾后的地面。该方法在隧道开挖时提供了一种灵活、结构化、防水的成品管道。采用该方法不需要使用传统技术进行切割–覆盖开挖。在人口密集、基础设施密集、交通流量大的城市，通常使用泥浆式机械进行挖掘，以确保建筑作业的连续性。无论是建造还是生产管道，顶管方法都不需要很大的工地面积。

然而，分段衬砌隧道施工需要庞大的分段厂房和较大的作业场地面积调动隧道掘进机（TBM）及其备用系统。在工作面积小的情况下，顶管法是内径达3.5m的分段衬砌隧道应用的一个重要优势替代方案。顶管法的主要限制是顶管距离的限制，它直接取决于管道与土壤之间的摩擦。

顶升力是由表面压力和摩擦力两部分组成。表面压力由作用在机器表面的泥土压力和流体压力组成。一般情况下，面压力在整体顶升力中所占比例非常低，作用在机器表面的表面压力更接近主动土压力，而不是被动土压力。人们普遍认为，顶管机和管道上的摩擦力应遵循一般的摩擦公式，但人们对顶管机和管道上摩擦力的了解远远不如对表面压力的了解。

目前管道与土壤之间的摩擦系数已被许多研究者所研究。研究人员认为，砂–混凝土摩擦的特性类似于砂与粗糙钢表面之间的摩擦。管道和土壤之间的最大摩擦系数取决于混凝土粗糙度和砂粒平均直径，最大摩擦系数的上限是砂粒相对密度的最大剪应力比。结果表明，砂粒与混凝土摩擦的影响因素为混凝土粗糙度和砂粒平均直径。

顶管技术的可行性和成本效益主要取决于顶管力的大小，它决定了顶升钻机所需的能力和推力壁的设计，以应对顶升力和管道中的应力。当顶升力超过其中一个单元的承载能力时，必须缩短发射轴和接收轴之间的距离，或在管柱中定期插入中间顶升站，以克服过大的顶升力。挖掘额外的竖井可能不仅昂贵，而且会造成地表破坏。中间顶升站具有操作复杂性，这也导致了整体项目成本显著增加，以及施工时间显著增加。

有效的润滑可以大幅降低顶升力，从而实现更长的驱动时间。此外，通过注入膨润土可以降低管道周围的过割率，从而减少顶管对管道周围地面和结构沉降的影响。目前通常是在顶管施工中使用膨润土悬浮液作为润滑剂。只有在管道的滑动表面和挖出的土壤表面之间保持有一层离散的润滑剂，润滑才能有效工作。如果地面塌陷到管道上，将大幅降低润滑 效果。

因此，膨润土悬浮液最重要的功能是提供足够的内部压力，以稳定隧道钻孔。浆料必须设计成在周围土壤中形成滤饼，而不会有过多的物质渗出，并且必须加压到必要的水平，以克服地下水压力和稳定隧道钻孔，且必须完全填补过度挖掘的空白。

本研究的主要目的是找出摩擦系数下降的主要原因，提高对顶管过程中管土界面润滑机理和稳定性的认识，确保正确有效地使用膨润土，从而提高顶管距离。设计了一种新的测试装置，测量砂子和混凝土管之间的摩擦系数。本次研究采用的混凝土管是从砂子样本中取出，在混凝土管样品周围重复使用和不使用膨润土浆的测试，并模拟膨润土浆注入方法。为了验证实验结果，现场记录了3种实际情况下的顶力和界面摩擦值。结合实验室试验和现场顶升试验结果，对界面摩擦系数进行了综合评价。

2 砂–混凝土界面摩擦试验实验室装置

为了测量砂子和混凝土界面的摩擦力，在1个高32cm、直径23cm的有机玻璃中填满10cm（约7.5kg）的砂子。然后将1个高20cm、直径2cm的顶管垂直放置在1个内直径2.1cm、外径2.2cm的塑料管中，再在塑料管周围的空隙中填入15kg同样的砂，通过实验测得砂粒的相对密度为80%。

将混凝土样品（管）通过人工振动和拔出塑料管后固定在原位。为了防止拔管时土质塌陷、均匀地填充混凝土试样与钻孔之间的膨润土浆，拔管时保持膨润土面高于砂面，实验室测试用的砂子是干砂。

第1次实验是测量不含膨润土的砂和混凝土截面的摩擦力，在测试1的抽拔试验之前，将塑料管抽出，以确保塑料管与砂粒接触。振动1min拔下塑料管后， 以50mm/min的速度将混凝土样品从砂土中拉出，以代表现场实际的平均进度速度。为了促进膨润土润滑剂的作用，试验2和试验3中，用膨润土填充直径2.1cm的塑料管和代表顶管的圆柱形混凝土样品之间的空间。

试验3模拟自动润滑过程，样品制备方法相同。膨润土的水平保持在比砂土表面高5cm的水平。拉管过程中不断注入膨润土，确保膨润土保持在砂土表面至少5cm的高度，以代表完全加压注入。此外，为了表示实际应用中的广泛性，重复测试3，调整膨润土高度为10cm和20cm，而不是样品表面的5cm。为了确保测试的可重复性，每个测试至少重复3次。试验中所用膨润土的流变学参数见表1。砂的技术性质见表2，粒度图如图1所示。

表1 膨润土流变参数

图1 砂粒度

3 试验结果与讨论

试验结果以力与位移图的形式显示。重复3次的试验1、2、3中得到的结果如图2~图4中试验1.1、 1.2、1.3；2.1、2.2、2.3；3.1、3.2、3.3所示。同时，为了进行比较，将试验1~3选定结果一起显示在 图5中。

图2 无膨润土的密砂与混凝土界面摩擦力（试验1）

图3 拉拔试验前将混凝土浸入膨润土中（试验2）

图4 全加压注入应用（测试3）

图5 实验室试验的比较（试验1~3）

根据测量的荷载值，可以计算出混凝土管与砂土之间的界面摩擦。 从图2~图5可以看出，测得的最大力分别为7N、5N和3.5N，试验1、2、3的摩擦系数值分别为0.46（δ=24.7°）、0.24（δ=13.5°）和0.06 （δ=3.4°）。每项测试重复3次，观察它们的可重复性。测试1的单独测量结果给出了0.5、0.44和0.46的摩擦系数值。对于测试2，单个值为0.28、0.22和0.24。对于测试3，值为0.07、0.08和0.06。

为了模拟大量应用，试验3重复，膨润土高度为10cm和20cm，而不是样品表面的5cm膨润土高度。然而，这些变化没有显著影响结果，因为测得的最大力为3.4N和3.38N，摩擦系数值为0.056和0.054。

从拉拔试验后混凝土试样表面的光学显微镜照片中可以看到，试验2后，表面部分被膨润土覆盖，部分被砂覆盖；而试验3后，可以观察到整个表面被膨润土覆盖，甚至部分砂粒被膨润土包围。

4 现场测量验证

将试验结果与顺和园环湖中路配套下穿铁路顶管施工工程和咸阳路污水处理厂配套管网工程获得的现场测量结果进行比较，以验证试验的有效性。

在顺和园环湖中路项目（案例1和案例2）和咸阳路污水处理厂（案例3）的两个不同推进过程中，测量了膨润土的注入效果。

顺和园环湖中路项目5、6井顶升力（案例1），在5~6井之间，平均覆盖深度为3m。不使用膨润土进行润滑，在顶升总力约4000kN的情况下完成63m长的驱动（图6），界面摩擦系数为0.50。

图6 顺和园环湖中路项目5、6井顶管

顺和园环湖中路项目6、8井顶升力（案例2），在顺和园环湖中路项目6~8井的第二次掘进中，前22m顶进，不注入膨润土，此后开始注入膨润土，直至掘进结束。注入膨润土前后所测得 摩擦系数 分别为0.5和0.25。结果注入膨润土后，55m长的驱动以约2000kN的顶升力完成（图7）。

图7 顺和园环湖中路项目6、8井顶管

咸阳路污水处理厂7~8井之间采用即时膨润土注入（如自动注入）的效果，膨润土平均覆盖深度为5m，土壤为非常密的砂土。平均每天前进20m。在122m的距离上总共使用了4t膨润土。界面摩擦系数 被测为0.05（图8）。

图8 咸阳路污水处理厂7、8井顶管数据

5 现场测量与实验室测试比较

将从实验室试验和实际情况下的现场测量得到的摩擦系数结果比较。第一个实验中不使用膨润土润滑，测得 摩擦系数 为0.46。未使用膨润土润滑的现场案例1，测量的 摩擦系数 为0.50，现场测量结果与实验室测量结果吻合良好。

试验2模拟膨润土无恒压注入时， 摩擦系数 为0.24。这一结果与膨润土应用的现场测量结果非常吻合，即案例2。在案例2中，最终的 摩擦系数 测量为0.25。在案例2的测量过程中，最初不使用膨润土润滑，测量的界面 摩擦系数 为0.5。这个值也与测试1的结果高度一致。在案例2的现场测量中，膨润土注入后界面摩擦系数 摩擦系数 从0.5下降到0.25。

在案例2中，膨润土注入不是在恒定压力下进行的，即使用了可控的膨润土注入程序。与未注入膨润土相比，注入膨润土后的摩擦力和顶升力系数下降了一半。如前所述，这个值与从测试2获得的结果非常一致。

实验3中模拟恒压注入膨润土，测得的 摩擦系数 为 0.06，而案例3中的现场 摩擦系数 0.05。这表明，当试验3 在恒压下连续注入膨润土时，砂土与混凝土截面由于膨润土的润滑作用不产生接触，摩擦系数持续下降。因此，界面摩擦完全由膨润土和管道控制。从测试3中可以得出，压力对膨润土的润滑作用影响不大，即使在低压力下，膨润土也可充分减小混凝土与砂截面的摩擦。在 摩擦系数 从0.5下降到0.05的现场测量中也可得出此结论。因此，通过稳定注入膨润土，砂–混凝土截面的摩擦系数大幅降低，仅为无添加膨润土界面摩擦系数的1/10。 

根据过去对润滑的研究以及对现场应用顶升力的观察和测量，大量膨润土浆注入后，摩擦系数降低了90%，意味着在顶管施工过程中使用大量膨润土浆。然而，根据实验室测试和现场测量数据的评估结果，可以得出结论：在有效润滑的情况下，界面摩擦系数可降低约90%，使用注入压力最小的膨润土就足 够了。

6 结论

采用简单的实验室测试装置确定顶管与土壤之间的界面摩擦。首先对模拟顶管的混凝土管与砂土的界面摩擦进行了试验。为了模拟工业中最常见的两种膨润土注入方法，即控制注入和自动润滑，在实验室试验中采用了两种不同的程序。

为了验证该简易装置能够较好地模拟现场的摩擦情况，将结果与实际工程中类似类型土壤的测量结果进行了比较。试验结果如下。

（1）实验室实验装置与实际案例中的实验数据对比表明，实验室模型试验能够成功地模拟实际情况下顶管与土壤间的摩擦。

（2）在不恒定注入压力的情况下注入对照膨润土，界面摩擦系数比不注入膨润土的情况下降了一半；当膨润土在恒压作用下，界面摩擦系数降低90%左右，大幅降低了顶管施工的长度限制。

（3）由于并不是压力将摩擦降低到管道–土壤摩擦的10%，而是压力的存在确保了界面是由膨润土构成的，因此为了膨润土恒压施用的效益，注水压力不需要很高，要尽可能小。