一种地下工程用复合浓胶泥及其使用方法与流程

1.本发明涉及地下工程施工辅助材料技术领域，尤其涉及对大断面顶管施工过程中为控制地面沉降所采用的填充材料的改进。


背景技术：

2.机械法顶推暗挖技术在地下工程中的应用越来越广泛。随着应用越多，施工过程中遇到的问题也随之而来。目前在行业中存在以下多个共性技术问题：（1）填充材料粘度较低、体积稳定性差、易流失、承载力不足，填充材料固化后与土体的一致性差；随着浅层地下空间开发的增多，在大断面顶管施工时，顶进范围内时常存在有强-中风化岩或孤石。针对该工况，本案申请人前期曾向国家知识产权局提出“申请号：202211478651.2，名称：一种大断面矩形顶管的基岩及孤石预处理方法”的专利申请，在该案中利用微型顶管机对孤石进行破碎处理和压泥回退的措施，以实现基岩及孤石被处理后的填充地层能适应大断面矩形顶管机的切削与掘进的目的，其中压泥回退措施中，提出了采用“复合浓胶泥”的理念。在具体工程实施过程中，针对所需处理的基岩面积较大，基岩破碎后需填充处理的范围较大时，采用浓缩的传统泥浆效果不甚理想。主要原因是由于传统泥浆由膨润土加清水及添加剂按一定比例配制而成，即便进行了浓缩处理，也存在粘稠度低，有限空间内体积稳定性差、易水化和流失，且体积压缩量大承载力不足难以承载上部土体重量容易引起地层损失，最终造成地面沉降。
3.（2）背土效应导致地面沉降；背土效应是浅覆土、大断面顶管施工中必须应对的技术难题，尤其是矩形断面不利于上覆土体稳定，浅覆土顶进时上部土体会坍落并附着在顶管机及管节的顶部，使得顶管机顶进过程中其顶部背着大量的被扰动的土体，严重时会造成周围土体严重变形并危及路面安全。
4.现有技术是通过不间断的向顶管机顶部注入传统泥浆使顶管机与其顶部土体隔离，减小顶进施工对土体的扰动。但是传统泥浆粘度低、体积稳定性差、易流失，在地层中易消散（特别是在富含水的渗透系数较大的地层），承载力不足不能形成稳定的隔离层，在浅覆土顶进时会对周边土体造成扰动，使得顶部土体会跟随顶管机一起前进。当覆土厚度越浅，随着顶进距离增加，背土效应影响越剧烈，最终发生地面沉降。在施工过程中还需要不断地补浆，泥浆用量多成本高。上述情况不能适应城市地下工程施工的要求。
5.（3）渗水问题难以较好的解决；无论是矩形顶管还是圆形顶管，由于顶管始发与接收洞门尺寸比顶管机/管节的尺寸大，在地下水丰富或者富含水的地层中顶进施工都存在洞门发生渗漏水情况。严重时，危及顶进施工和路面安全。
6.现有技术中，第一，预先对洞门处土体止水加固处理；第二，洞门处安装止水装置；第三，在洞门与管节之间的空隙处注入传统泥浆，传统泥浆由于粘度低、易离析、水化，容易
扩散渗透到地层中，难以在洞门处形成良好的栓塞止水效果。在实际工程中，当第一道和第二道止水措施施工不当或失效时，且第三道止水措施效果也不良，工作井内洞口就会发生严重的渗水情况，如遇富水的砂砾土、卵石地层，还容易发生涌水涌砂，严重时造成地面沉降。
7.（4）长距离顶进减阻效果不佳；无论是矩形顶管还是圆形顶管，顶管机通常超挖至少2厘米作为减阻泥浆的充盈空间。随着顶管顶进距离增加，地层发生回弹及塌陷，该2厘米厚的间隙会不断地被周围土体挤压填充，使得管节外壁与土体之间的摩阻力增大，造成顶力相应增大。顶管施工顶力越大对后靠结构设计的要求就越高，且还需要设置中继间作为接力顶进，导致工程成本增加、效率降低。
8.现有技术中，采用传统泥浆无法解决地层发生回弹及塌陷的问题，不能很好使管节与土体的直接接触（即固-固摩擦）有效地转变为管节与泥浆的接触（固-液摩擦），从而不能达到很好的顶进润滑减阻效果。特别遇富含水的粉土、粉砂地层、卵砾石地层或混合地层时，由于传统泥浆浓度较低、易离析、水化，在这类松散且富含水的地层中更容易快速渗透扩散，体积稳定性差、保水性不佳和承压性不足，难以在管节外壁四周形成完整的稳定的泥浆套，不能使管节与土体有效隔离，无法有效将固-固摩擦变为固-液摩擦，从而不能达到较好的减阻效果，也不利于泥浆保压影响地面沉降的控制。
9.此外，还存在以下两个技术难题：a、当采用微型顶管机进行破碎处理后需回退微型顶管机，而传统泥浆难以在微型顶管机头前方形成一定的反压力，从而不利于微型顶管机的回退。
10.b、微型顶管机回退过程中产生的“空穴”，采用填充材料填充并逐渐固化后，与土体的强度指标差异极大，不利于后续大断面矩形顶管机的掘进。也就是强度过高，难以适应大断面矩形顶管机的切削与掘进；强度过低，又难以支撑外围土体。
11.综上所述，现有技术在进行机械法顶推暗挖施工过程中，为了达到较好的地层损失填充、抑制背土、止水堵漏、润滑减阻等效果需压注填充材料。但是传统泥浆黏稠度低，体积稳定性差，易离析和消散、保水性不佳和止水性差，无法定向填充，承压不足等缺陷，在辅助施工过程中不可避免会引起土体变形和地层损失导致发生地面沉降超限的问题。


技术实现要素：

12.本发明针对以上技术问题，提供了一种具备保水性和止水性的前提下，其强度与外围土体强度适配，粘度适中、体积稳定性好，能快速有效传递压力，且能稳定承载外围土体压力，进而有效控制地面沉降的地下工程用复合浓胶泥。
13.本发明的技术方案是：一种地下工程用复合浓胶泥，包括膨润土、清水、水泥和添加剂，所述膨润土、清水、水泥和添加剂的质量比为10:（3.5-4）:（0-1）：（0.03-0.1）；所述添加剂包括有机类添加剂和无机类添加剂，所述有机类添加剂包括威兰胶、聚丙烯酰胺（pam）、羧甲基纤维素、发泡剂和/或吸水树脂中的一种或任意二种以上复配；所述无机类添加剂包括纯碱和/或烧碱；将所述膨润土、清水、水泥和添加剂按设定比例混合后，持续均匀搅拌20-40分钟，得
压缩系数为0.30-0.35mpa-1
、塑限为23-25、黏聚力为5-15kpa、内摩擦角为14-25
°
、渗透系数＜1.0
×
10-6
cm/s的复合浓胶泥。
14.优选的，所述膨润土为钙基膨润土或高粘钠基膨润土；所述钙基膨润土测试指标为胶质价45，动塑比（pa/mpa.s）1.0，滤失量14.2ml，-74um湿筛余量1.4%；ph值7.3；所述高粘钠基膨润土测试指标为吸水率302%，每100g吸蓝量22.5g，膨胀容每克15.3 ml.，600r/min旋转黏度80~85mpa
·
s，75μm干筛过筛率96%，水分为9.3%。
15.优选的，所述复合浓胶泥包括以下组分，钙基膨润土、清水、水泥和添加剂，其质量比为10：4：1：0.03；所述添加剂为威兰胶、羧甲基纤维素和烧碱，配合比为0.01：0.01:0.01。
16.进一步优选的，将所述钙基膨润土、清水、水泥和添加剂持续均匀搅拌28-40分钟后，得压缩系数为0.31mpa-1
，塑限为24.37，黏聚力为13.1kpa，内摩擦角为24.2
°
，渗透系数7.8
×
10-8
cm/s，地基承载力特征值为171.62 kpa的用于地层损失填充、防背土、压泥纠偏及抬升起到控制地面沉降的复合浓胶泥。
17.优选的，所述复合浓胶泥包括以下组分，高粘钠基膨润土、清水、水泥、添加剂，其配合比为10: 3.5：0：0.05；添加剂为威兰胶、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、发泡剂和纯碱，其配合比为0.005：0.015：0.015：0.005：0.01。
18.进一步优选的，将所述高粘钠基膨润土、清水、水泥、添加剂持续均匀搅拌20-30分钟后，得压缩系数为0.33mpa-1
，塑限为22.59，黏聚力为5kpa，内摩擦角为14.6
°
，渗透系数为6.4
×
10-7
cm/s，地基承载力特征值为128.31 kpa的用于减阻的复合浓胶泥。
19.优选的，所述复合浓胶泥包括以下组分，钙基膨润土、清水、水泥和添加剂，其配合比为10: 3.5:0：0.1，添加剂为羧甲基纤维素、纯碱、吸水树脂，其配合比为0.03：0.04：0.03。
20.进一步优选的，将所述钙基膨润土、清水、水泥和添加剂持续均匀搅拌25-35分钟后，得压缩系数为0.32mpa-1
，塑限为24.11，黏聚力为10.8kpa，内摩擦角为16.5
°
，渗透系数为2.1
×
10-8
cm/s的用于止水堵漏的复合浓胶泥。
21.提供该地下工程用复合浓胶泥的使用方法，包含如下步骤：t0. 查明拟建工程场地地质条件、地下水情况，明确复合浓胶泥的用途，t1. 将搅拌机设于地面工作井旁或顶管施工通道内待压泥的管节位置，t2. 根据用途不同，并结合地质条件和地下水情况，向搅拌机内先加入添加剂和清水，待添加剂全部溶解后加入其他材料，t3. 根据用途不同搅拌时间有差异，按要求均匀拌制所添加的原材料，t4. 拌制完成的复合浓胶泥从搅拌机的出料口输出，通过粘土输送泵机械自动化输送至待压注管节位置处的压泥泵的进料口，t5. 采用压泥管将压泥孔/注浆孔与压泥泵相连形成完整的压泥管路，并安装阀门，
t6. 开启压泥泵，使复合浓胶泥经压泥管路/注浆孔压注至管节和或顶管机外壁四周或迎土侧，t7. 根据理论压泥量和现场监测数据，实时调整压泥时间、压泥压力和压泥量参数，或停止压泥。
22.优选的，当应用于顶管压泥纠偏时，在步骤t6中，控制压泥泵喷嘴压力达2-3kpa，压泥泵输出压力为5-8kpa。
23.本发明的有益效果：提供的地下工程用复合浓胶泥，可根据工程现场地质条件、地下水情况以及适用条件的不同，选择合理的膨润土、添加剂，并与水、水泥按照合理的配比均匀且强力搅拌后，可赋予复合浓胶泥具有粘度高、体积稳定性好、连续性和延展性好，不易水化，经试验在水中浸泡十多天也不会离析，且易于泵送和可控灌注性能好的特性。
24.如添加剂威兰胶为高分子聚合物，在低浓度的水溶液中可获得较高的粘度，与其他材料及添加剂（如聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、烧碱或纯碱等）一起复配后，可获得较好施工效果的复合浓胶泥。如添加剂吸水树脂具有强保水性、止水性的特性，但树脂本身的交联网状结构及氢键作用，又限制了复配后的复合浓胶泥发生无限膨胀，不会对既有结构造成破坏，与其他材料复配后起到较好的止水堵漏效果。
25.通过强力的、均匀地、一定时间的搅拌，使膨润土中的矿物成分子与水分子、高分子聚合物或无机矿物分子充分结合形成稳固的化学键，进一步提高复合浓胶泥材料的稳定性和强度。
26.综上，通过合理选择组成材料及调整配比后配置而成的复合浓胶泥，可满足不同的工程需求具有优良的工作性能，能形成稳定的带压泥囊，在有限空间内能有效传递压力和承载压力及抗剪切能力，应用于地层损失填充、防背土、压泥纠偏及抬升、止水堵漏、润滑减阻等各方面，所使用的原材料易于获得，无毒害绿色环保，成本低，配制及压注工艺简单，有利于大规模推广。
附图说明
27.图1是顶管管节的横截面示意图，图2是顶管管节的侧视图的剖面图。
28.图中1是打泥纠偏用注浆孔，2是顶进减摩注浆孔。
具体实施方式
29.下面结合实例对本发明作进一步说明。
30.一种地下工程用复合浓胶泥，包括膨润土、清水、水泥和添加剂，膨润土、清水、水泥和添加剂的质量比为10:（3.5-4）:（0-1）：（0.03-0.10）；添加剂包括有机类添加剂和无机类添加剂，有机类添加剂包括威兰胶、聚丙烯酰胺（pam）、羧甲基纤维素（cmc）、发泡剂和/或吸水树脂（sap）中的一种或任意二种以上复配；无机类添加剂包括纯碱和/或烧碱；将膨润土、清水、水泥和添加剂按设定比例混合后，持续均匀搅拌20-40分钟，得压缩系数为0.30-0.35mpa-1
，该压缩系数范围的复合浓胶泥中孔隙极小，浓胶泥中
固体颗粒之间的孔隙体积极小，能被压缩的空间小，胶泥中的固体颗粒作为骨架赋予浓胶泥具有一定的强度，在有限体积内能保持充盈度，不易被压缩、不易水化。
31.塑限为23%-25%，塑限是指土从半固体状态转变为塑性状态时的含水率。该塑限范围的复合浓胶泥具有一定的含水率，即保水性，但含水量不能像固体太少流动性差，也不能含水量太多无法抗剪切。浓胶泥处于可塑与硬塑之间的状态，利于体积稳定，压注到地层中不易离析和大范围扩散，能快速填充地层损失，在防背土或顶进压泥纠偏及抬升时能快速有效传递压力。
32.黏聚力为5-15kpa，黏聚力反应了复合浓胶泥内部相邻各分子之间存在相互吸引力，如静电引力、范德华力、颗粒间的胶结作用力、颗粒间接触点的化合价键力等。即赋予浓胶泥具有一定的粘结力和一定的抗剪强度，不易被剪切破坏，连续性好、延展性好，还不易水化。粘聚力不宜太高，易导致流动性差从而影响泵送效果和填充效果，且浓胶泥固化后强度与土体一致性相差较大，也不利于达到施工效果。如强度太高还会对基岩预处理需大面积填充后影响大断面矩形顶管机的切削与掘进。
33.内摩擦角为14-25
°
，该内摩擦角反应了复合浓胶泥的摩擦特性，包括浓胶泥颗粒之间产生相互滑动时需要克服由于胶泥颗粒表面粗糙不平而引起的滑动摩擦，以及在不同的使用用途中由于颗粒物的嵌入和脱离咬合状态而移动所产生的咬合摩擦。该范围值的浓胶泥具有一定的抗剪强度，使得顶管在浓胶泥层中顶进引起的滑动摩擦和咬合摩擦有助于减阻。
34.渗透系数＜1.0
×
10-6
cm/s，由于浓胶泥结构致密性好，可以被压缩的空间极小，因此该渗透系数范围的复合浓胶泥具有一定的止水性和保水性，与外部水土具有一定的隔离效果。
35.的复合浓胶泥。
36.膨润土为钙基膨润土或高粘钠基膨润土；钙基膨润土测试指标为胶质价45，动塑比（pa/mpa.s）1.0，滤失量14.2ml，-74um湿筛余量1.4%；ph值7.3；高粘钠基膨润土测试指标为吸水率302%，每100g吸蓝量22.5g，膨胀容每克15.3 ml.，600r/min旋转黏度80~85mpa
·
s，75μm干筛过筛率96%，水分为9.3%。
37.膨润土是以蒙脱石为主的粘土矿物，粘土颗粒比表面积大，颗粒薄、重量轻，重力不起重要的作用。在结构形成中，由其它的粒间力起主导作用，如范德华力、库仑力、胶结作用力、毛细压力等。
38.其中，（1）粘土颗粒容易与添加剂中游离的氧化物、碳酸盐、有机质等胶体连结在一起，这种胶结作用力属于化合键，因而具有较高的强度。（2）粘土颗粒表面带电荷，上下平面带负电荷而边角处带正电荷。粘土颗粒中的带负电或带正电的离子（如铁离子fe2+、铝离子al3+）容易吸附添加剂中的阳离子或阴离子基团（如脂基-coo-、so3-、-ch3o-），这种靠静电引力也叫库仑力形成的化学键，也具有较高的强度和稳定性；（3）还有氢键作用力引起的吸附。如有机添加剂分子中的某些基团，如羧基-cooh、羟基-oh、酞胺基-conh2等，与粘土矿物晶体表面的氧或氢氧形成氢键吸附在粘土颗粒的表面上。氢键的作用力属于分子间力，作用力较强。
39.由于高分子聚合物大多分子链较长，特别是威兰胶、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素等高分子聚合物，当原材料中添加了这类高分子聚合物经充分混合搅拌后，容易在介质表面
形成一定厚度而致密度的高分子膜，高分子吸附膜达到吸附平衡时的厚度较厚且坚韧，保存时间长。使得复合浓胶泥在胶泥层和管节外壁之间形成致密的且不易被剪切破坏的泥膜/带压泥囊，对阻岩屑、防水化、防坍塌十分有利，体积稳定性好，承压性好，不会离析和轻易消散，能在有限范围内快速挤密填充地层并有效传递压力；而且润滑减阻效果好。该浓胶泥不同于传统泥浆会在地层内发生随机流动或者像劈裂注浆一样向地层中扩散，特别是砂砾土、卵石地层等松散且渗透性较大的地层中不发生离析和扩散，浓胶泥中的固体颗粒会粘附于卵砾石土的表面，使得该类松散土层中的孔隙被浓胶泥颗粒填充堵塞，阻止胶泥扩散渗透。
40.下面实施例根据不同的用途，不同地质条件和地下水情况，使用不同配比。
41.实施例1本实施例中复合浓胶泥用于基岩预处理后压泥回退的地层损失填充、防背土、顶管压泥纠偏及抬升等控制地面沉降。
42.复合浓胶泥包括以下组分，钙基膨润土、清水、水泥和添加剂，其质量比为10：4：1：0.03；添加剂为威兰胶、cmc（羧甲基纤维素）和烧碱（naoh），配合比为0.01：0.01:0.01。
43.将钙基膨润土、清水、水泥和添加剂持续均匀搅拌34分钟后，得压缩系数为0.31mpa-1
，塑限为24.37，黏聚力为13.1kpa，内摩擦角为24.2
°
，渗透系数7.8
×
10-8
cm/s，地基承载力特征值为171.62 kpa的用于控制地面沉降的复合浓胶泥。
44.①
控制沉降用的复合浓胶泥所需的量大。由于大面积基岩处理后压泥回退所需要填充的空间较大，所需复合浓胶泥的填充量就越大，因此需选用成本较低的原材料。经市场调查，钙基膨润土较高粘钠基膨润土成本低4-5倍。
45.②
控制沉降用的复合浓胶泥需硬化且压注到地层中后具有一定的后期强度，能足以支撑上部土体重量。钙基膨润土中含有大量的ca
2+
离子，与水泥中的硅酸离子结合后生成不溶于水的硅酸钙，即可理解为水泥中的矿物分子与钙基膨润土中的矿物分子经水解后聚结在一起从而使矿物凝结并硬化成大量的胶体物质（水化硅酸钙）。该胶体物质呈纤维状晶体，晶体非常细小，容易与水泥水化时生成的氢氧化钙（ca2oh）晶体发生物理引力使彼此在接触点处粘结而连成网状结构，也叫凝聚结构。随着水化的继续进行，颗粒表面就析出新的更稳定的水化物晶体，晶体不断长大，依靠多种引力使彼此粘结在一起形成致密的结构，从而使得复配后的胶泥获得强度且不断增加。
46.③
通过加入威兰胶，可以增加水泥的可塑性，悬浮量，抗下陷能力以及流动特性和抗失水性。使配置后的复合浓胶泥不易水化，在水中浸泡十多天也不会离析，保水性能好。由于它吸水后会导致浆体粘度增加，粘度的增加补充了水泥固化前的粘度不足，水泥凝结过程中流动性较差，水泥颗粒表面会形成一层胶体薄膜，而混合浆液过饱和导致析出的结晶和凝胶都会夺去一部分水泥固化所必须的水分，使水泥固化不充分。威兰胶的加入和其中所含的水分正好补充水泥凝结和硬化所需要的水，使水泥硬化更充分、更快，从而提高了复合浓胶泥的强度。
47.④
威兰胶还可以在低浓度的水溶液中可获得较高的粘度。这是因为威兰胶中的多糖分子上的氢基与膨润土中的氧原子形成氢键连接，使多糖分子吸附在粘土颗粒表面，适中的黏度对于复配后的胶泥携带岩屑是有利的，还可传递压力和承载压力，起到填充和支撑作用。威兰胶在25℃时1%的水溶液粘度可达3300cp，可赋予浓胶泥假塑流体的特征而易
于泵送和灌注，且延展性好，易展开摊平、连续性好，类似于牙膏（粘度3000cp），可泵送和可灌性能好的特性，在被压入有限空间内时体积稳定性好，利于胶泥填充后有效传递压力和承载压力。较低浓度的威兰胶可以取得很好的效果，所以虽然威兰胶成本高，但加入量不需太多，对整体造价不会产生明显的影响。
48.⑤
通过加入cmc羧甲基纤维素，可进一步提高胶泥的粘度和降失水作用，是很好的增稠剂和保水剂。由于cmc中的纤维素也属于多糖类分子，提黏作用同威兰胶，但效果不如威兰胶。另，cmc中纤维素细粒在复配后的浓胶泥中可以起到骨架的作用，增强浓胶泥的结构强度。纤维素的强度与高分子吸附成膜的速度和膜的致密程度有关。而影响高分子吸附成膜的速度和膜的致密程度的主要因素一是高分子聚合物的分子链长度，二是高分子聚合物分子链上的官能团。纤维素属于分子链长适当的高分子聚合物，经过溶解后在浓胶泥表面易形成致密的类似于网状的膜。这种高分子聚合物对岩土体的吸附表现为平卧式吸附，该吸附形态对成膜作用的增强是积极的，会加快成膜速度，提高膜的致密程度，进一步提高浓胶泥的稳定性，对包裹岩屑、阻止水化和防坍塌十分有利，特别在砂类土、卵砾石地层中使胶泥不容易滤失、渗透。
49.⑥
通过加入添加剂-烧碱naoh，可提高浓胶泥的韧性和保水性，最主要是可增加润滑作用和流动性使压注时不易堵管，更利于泵送和可控灌注。由于烧碱naoh在水溶液中可电离出钠离子na+和氢氧根离子oh-。其中oh-在威兰胶和羧甲基纤维素的多糖分子内与氢基（-oh）形成氢键链结，在碱性条件下有利于水分子进入聚糖分子之间，水分子和聚糖分子的氢键链结使大量的水分子束缚在聚糖分子之间。这样使得聚糖分子透水性差，且具有韧性。另一方面，na+等阳离子可使胶粒适度凝聚并适度水化，使得胶粒粒子尺寸变大。由于胶体增大，水分子从过滤空隙中通过的数目就会减少，胶泥失水量就较小。此外，烧碱易溶于水形成碱性溶液，在湿态环境下能够将膨润土中的钙离子转化为钠离子，减少钙化，提高膨润土的活性，增加润滑作用，使浓胶泥泵送时不易堵管，流动性好，易于泵送可压注，也不易在管道上粘结及沉积，不易形成泥垢。）本实施例中，通过选用合理的膨润土和添加剂，并控制各原材料的配比，经混合均匀拌制而成的复合浓胶泥呈现膏状，具有粘度高、体积稳定性好，不易被剪切破坏，连续性好、延展性好，不易离析、水化，低滤失性，较好的保水性，挤压填充后能快速有效传递压力和承载压力，参见图1和图2，在顶管工程中，通过管节上预留的压泥纠偏用注浆孔1注入复合浓胶泥，在管节外壁形成稳定的带压泥囊，可实现对大面积基岩处理后压泥回退的地层损失起到较好的填充和有效传递压力及承载上部土体压力的作用，有效控制沉降；对浅覆土顶进时作为“压力囊”隔离层，有效将顶管机与其顶管顶部的土体隔离，减小顶进施工对地层的扰动，抑制背土和控制沉降；还可对顶管机上、下、左、右四向进行压泥纠偏及抬升，有效传递压力和承载压力，起到填充和支撑作用，将顶管机姿态控制在设计轴线范围和控制管节及地面沉降；还可针对松散地层顶进引起的超挖超排空隙进行挤压填充，减小地层损失，控制地面沉降。
50.实施例2本实施例中复合浓胶泥用于顶进减阻。
51.本实施例中复合浓胶泥包括以下组分，高粘钠基膨润土、清水、水泥、添加剂，其配合比为10: 3.5：0：0.05；添加剂为威兰胶、pam、cmc、十二烷基硫酸钠（sds）和纯碱，其配合
比为0.005：0.015：0.015：0.005：0.01。
52.将高粘钠基膨润土、清水、水泥、添加剂持续均匀搅拌25分钟后，得压缩系数为0.33mpa-1
，塑限为22.59，黏聚力为5kpa，内摩擦角为14.6
°
，渗透系数为6.4
×
10-7
cm/s，地基承载力特征值为128.31 kpa的用于减阻的复合浓胶泥。
53.①
减阻用复合浓胶泥的使用量相对较少，且避免有后期硬化强度，搅拌时间也不宜太长避免失水，需要更高的粘性、延展性、连续性、保水性，所以对膨润土的选择要求更高，需选用优质膨润土。
54.高粘钠基膨润土中蒙脱石含量高达60-88%。其物理化学性质和工艺技术性能较钙基膨润土优越。主要表现在：吸水速度慢，但吸水率和膨胀倍数大；蒙脱石含量高其层间阳离子交换量高；在水介质中分散性好，胶质价高；它的胶体悬浮液触变性、粘度、润滑性好，ph 值高；热稳定性好；有较高的可塑性和较强的粘结性。另外，单位面积里减阻所用胶泥的量小于大范围基岩处理所需地层损失填充的体积，且不能有后期硬化强度，即膨润土中不能有钙离子以避免胶泥配置后形成碳酸钙或硅酸钙获得硬化强度从而影响顶进润滑减阻，因此选用高粘钠基膨润土更合理。
55.②
通过加入威兰胶，可以在低浓度的水溶液中可获得较高的粘度。因为威兰胶中的多糖分子上的氢基与膨润土中的氧原子形成氢键连接，使多糖分子吸附在粘土颗粒表面，适中的黏度对于复配后的浓胶泥携带岩屑是有利的，还可传递压力起到支撑和护壁作用。威兰胶在25℃时1%的水溶液粘度可达3300cp，可赋予浓胶泥假塑流体的特征而易于泵送和灌注，且延展性好，易展开摊平、连续性好，类似于牙膏（粘度3000cp），可泵送和可灌性能好的特性，在被压入有限空间内时体积稳定性好，利于浓胶泥填充后有效传递压力。较低浓度的威兰胶可以取得很好的效果，所以虽然威兰胶成本高，但加入量不需太多，对整体造价不会产生明显的影响。
56.③
通过加入pam聚丙烯酰胺，可增强胶泥的润滑性，减小摩阻力，增加流动性，提高泵送效率，还可降失水性和增加粘稠度。该添加剂为一种高分子聚合物，长链大分子，分子量从几十万到1000万不等，分子式中的coona基团可以很好的水化，conh2基团则能吸附于岩土体和钢材等固体。其依托长链分子的特殊作用，呈现出以下优越性：a.有较强的润滑性，能有效地降低流体的摩擦阻力，水中加入微量pam就能降阻50-80%；b.固相含量低，加之流动性、润滑性、冷却性较好，提高泵送效率；c.具有较宽范围的可调粘度和降失水性，可在井壁或者岩土体界面上形成网膜多点吸附，悬排渣和承压能力较强；d. pam在中性和酸条件下均有增稠作用，当ph值在10以上pam易水解，呈半网状结构时，增稠将更明显。高粘钠基膨润土中的钠离子与氢氧根离子结合形成强碱溶液，当ph大于10时，加入的pam使得配置后的胶泥黏稠度增加，进一步提高浓胶泥的体积稳定性。由于pam分子量范围较广，减阻用的浓胶泥应以降失水和增粘为主，因此应采用分子量较低、水解度较高、加量适中的pam。
57.④
通过加入cmc羧甲基纤维素，可进一步提高胶泥的粘度和降失水作用，是很好的增稠剂和保水剂。由于cmc中的纤维素属于多糖类分子，提黏作用同威兰胶，但效果不如威兰胶。另，cmc中纤维素细粒在复配后的胶泥中可以起到骨架的作用，增强胶泥的结构强度。纤维素的强度与高分子吸附成膜的速度和膜的致密程度有关。而影响高分子吸附成膜的速度和膜的致密程度的主要因素一是高分子聚合物的分子链长度，二是高分子聚合物分子链上的官能团。纤维素属于分子链长适当的高分子聚合物，经过溶解后在胶泥表面易形成致
密的类似于网状的膜。这种高分子聚合物对岩土体的吸附表现为平卧式吸附，该吸附形态对成膜作用的增强是积极的，会加快成膜速度，提高膜的致密程度，进一步提高浓胶泥的稳定性，对包裹岩屑、阻止水化和防坍塌十分有利。特别在砂类土、卵砾石地层中使胶泥不容易滤失、渗透。
58.⑤
通过加入发泡剂-十二烷基硫酸钠（sds），其具有良好的乳化性、起泡性、水溶性、可耐碱、耐硬水，并且在较宽范围的ph值的溶液中稳定性好，易于合成、价格低廉等特点。作用如下：a.密集的泡沫膜网发挥出对孔隙的淤塞群堵作用，进一步提高了防漏效果，使复配后的浓胶泥不易渗漏到地层中；b.泡沫具有特殊的结构力和粘度，悬渣和粘结支撑能力较强，能提高浓胶泥的强度和有效传递压力；c.重量轻，流动惯性小，有利于填充空隙的稳定，即增强浓胶泥的体积稳定性；d.有一定的润滑性和较好的弹性，使复配后的胶泥在使用中减少顶进阻力和泵送压力以及提高泵送效率；e.能节约大量用水，少量的水中加入少量的发泡剂，经搅拌与空气混合后能形成大量的泡沫，因此减阻用复合浓胶泥原材料中水的用量少于地层损失填充类。
59.另外，有机大分子pam、cmc是良好的有机稳泡剂，其作用机理是显著增加了液膜强度，如cmc长链分子在液膜上具有搭结效应，可延长泡沫持久性，进一步增强液膜强度，使得泡沫稳定性明显提高。且pam、cmc中的纤维素和特殊胶体结构的复合作用，使泡沫液的粘度与切力明显增加。
60.⑥
通过加入添加剂-纯碱na2co3，增强膨润土的分散效应，提高悬浮性，防止浓胶泥结团后强度太高不利润滑减阻，还可以改善溶液的ph值。由于膨润土水化时颗粒带负电，必须在碱性条件下才能维持稳定，且多数有机处理剂必须在一定的ph值下才能发挥好的效果。还可增加润滑作用，使浓胶泥压注和泵送时不易堵管，也不易在管道上粘结及沉积，不易形成泥垢。
61.本实施例中，通过选用合理的膨润土和添加剂，并控制各原材料的配比，经混合均匀拌制而成的复合浓胶泥呈现膏状，具有粘度较高、体积稳定性好，有一定的抗剪切能力、降失水性，易于泵送和压注，使浓胶泥在顶进减阻过程中不易离析、不易漏失到松散地层，连续性好，还能快速的形成稳定的带压泥囊，使顶管机和管节在泥囊中前进，有效将顶管与土体隔离，将固固摩擦变为固泥摩擦，大幅降低管节周边的摩阻系数，减小顶进摩阻力，润滑减阻效果好。
62.进一步的，经多次工程实际证明，在顶管过程中，通过研发特制的复合浓胶泥与传统触变泥浆相组合的减摩方式，参见图1和图2，通过顶进减摩注浆孔2，先压注复合浓胶泥在管节外壁四周快速的形成压力泥囊或胶泥隔离层将管节与外部水土隔离，后压注传统触变泥浆使管节在泥浆中顶进的组合减摩。由于触变泥浆在复合浓胶泥形成的稳定的压力泥囊中不易向外部地层渗透流失，使管节在稳定泥浆套中滑移前进从而达到更好的减阻效果。经实践，通过组合减摩方式实际顶管施工顶力值为理论值的50%-55%，大幅减小顶进摩阻力，特别在长距离顶管施工中可减少设置或启用中继间，提高顶进速度和施工效率，也节省工程造价。
63.综上，减阻用复合浓胶泥可以单独使用，也可以与触变泥浆组合使用。在长距离顶管施工和摩阻系数大的地层中，采用复合浓胶泥与触变泥浆组合使用方式，减阻效果更加显著，为项目施工降本增效作用明显。
64.本实施例提供的带有减阻作用的复合浓胶泥，也可用于解决长距离岩石顶管发生顶管机机头底部岩屑堆积和卡机头及管节姿态失控的问题。其原理：在机头前方和侧壁压注体积稳定较好的浓胶泥，在机头壳体前方形成稳定的带压泥囊，可阻止岩屑往顶管机机头底部沉积和壳体后方漂移，同时通过控制泥水循环的排浆压力大于进浆压力，使得大量岩屑被快速吸走从而消除了机头底部岩屑堆积、顶管机壳体被卡以及管节姿态失控的影响。
65.实施例3本实施例中复合浓胶泥用于止水堵漏。
66.复合浓胶泥包括以下组分，钙基膨润土、清水、水泥和添加剂，其配合比为10: 3.5:0：0.1，添加剂为cmc、纯碱、吸水树脂（sap），其配合比为0.03：0.04：0.03。
67.钙基膨润土、清水、水泥和添加剂持续均匀搅拌30分钟后，得压缩系数为0.32mpa-1，塑限为24.11，黏聚力为10.8kpa，内摩擦角为16.5
°
，渗透系数为2.1
×
10-7cm/s的用于止水堵漏的复合浓胶泥。
68.①
在渗透性较大的地层中，顶管工作井洞门处止水以及地下工程中止水堵漏等所需压注填充的浓胶泥量大，需选用成本较低的原材料。
69.②
复合浓胶泥用于地下工程堵漏也需要有一定的后期强度，产生长期稳定的止水效果。钙基膨润土中大量的ca
2+
离子与纯碱中的碳酸根离子结合后生成碳酸钙，可以达到较好的后期强度。
70.③
通过加入cmc羧甲基纤维素，可提高胶泥的粘度和降失水作用，是很好的增稠剂和保水剂。由于cmc中的纤维素属于多糖类分子，多糖分子上的氢基与膨润土中的氧原子形成氢键连接，使多糖分子吸附在粘土颗粒表面，适中的黏度利于复配后的浓胶泥稳定和传递压力，使浓胶泥不易离析和水化。另，cmc中纤维素细粒在复配后的浓胶泥中可以起到骨架的作用，增强浓胶泥的结构强度。纤维素的强度与高分子吸附成膜的速度和膜的致密程度有关。而影响高分子吸附成膜的速度和膜的致密程度的主要因素一是高分子聚合物的分子链长度，二是高分子聚合物分子链上的官能团。纤维素属于分子链长适当的高分子聚合物，经过溶解后在浓胶泥表面易形成致密的类似于网状的膜。这种高分子聚合物对岩土体的吸附表现为平卧式吸附，该吸附形态对成膜作用的增强是积极的，会加快成膜速度，提高膜的致密程度，进一步提高浓胶泥的稳定性，对阻止水化和防坍塌十分有利。特别在砂类土、卵砾石地层中使胶泥不容易滤失、渗透。
71.④
通过加入添加剂-纯碱na2co3，增强膨润土的分散效应和改善溶液的ph值，为产生浓胶泥形成后期强度的caco3碳酸钙提供碳酸根离子。由于膨润土水化时颗粒带负电，必须在碱性条件下才能维持稳定，且有机处理剂必须在一定的ph值下才能发挥好的效果。还可增加浓胶泥的流动性，利于浓胶泥压注和泵送时不堵管，不易在管道上粘结及沉积，不易形成泥垢。
72.⑤
通过加入吸水树脂sap，增强浓胶泥的止水性和保水性。它是一种高分子聚合物，具有吸收自身重量几百到几千倍水的高吸水功能。吸水能力和保水能力极高，所吸水分不能被简单的物理方法挤出，并且可以反复释水、吸水。它的分子中含有亲水基团和交联结构的高分子电解质。在地下工程应用中，吸水前，高分子链相互靠拢缠在一起，彼此交联成网状结构，从而达到整体上的紧固。与水接触时，水分子通过毛细作用及扩散作用渗透到树
脂中，高分子链上的电离基团在水中电离。由于链上同离子之间的静电斥力而使高分子链伸展溶胀。且由于电中性要求，反离子不能迁移到树脂外部，树脂内外部间的离子浓度差形成反渗透压。水在反渗透压的作用下进一步进入树脂中，形成水凝胶。 同时，树脂本身的交联网状结构及氢键作用，又限制了凝胶的无限膨胀。因此，在复合浓胶泥中加入sap，浓胶泥中的树脂吸水后不会无限膨胀，不会对既有结构造成变形破坏，可以起到较好的止水堵漏的效果。
73.复合浓胶泥中加入上述材料后，顶管通道内或地下工程隧道中发生渗水时，进行定向压注填充，能起到很好的止水堵漏效果。进一步的，将添加剂中的纯碱换为烧碱后，参见图2，在顶管施工中，通过打泥纠偏用注浆孔1或顶进减摩注浆孔2可向管节外壁四周压注复合浓胶泥，与洞门处的橡胶帘布协同作用，形成封闭的稳定的压力泥囊，既能较好的防止地下水渗入工作井，又能防止减阻浓胶泥从洞门处流失影响减阻效果，提高施工质量，节省工程造价。
74.还提供该种地下工程用复合浓胶泥的使用方法，包含如下步骤：t0. 查明拟建工程场地地质条件、地下水情况，明确复合浓胶泥的用途，t1. 将搅拌机设于地面工作井旁或顶管施工通道内待压泥的管节位置，t2. 根据用途不同，并结合地质条件和地下水情况，向搅拌机内先加入添加剂和清水，待添加剂全部溶解后加入其他材料，t3. 根据用途不同搅拌时间有差异，按要求均匀拌制复合浓胶泥，t4. 拌制完成的复合浓胶泥从搅拌机的出料口输出，通过粘土输送泵机械自动化输送至待压注管节位置处的压泥泵的进料口，t5. 采用压泥管将压泥孔/注浆孔与压泥泵相连形成完整的压泥管路，并安装阀门，t6. 开启压泥泵，使复合浓胶泥经压泥管路/注浆孔压注至管节和或顶管机外壁四周或迎土侧，t7. 根据理论压泥量和现场监测数据，实时调整压泥时间、压泥压力和压泥量参数，或停止压泥。
75.应用于大面积基岩预处理及压泥回退后地层损失填充时的使用方法：在微型顶管机顶进破碎当前基岩预处理孔至预设长度后，制备复合浓胶泥，并往当前预处理孔中的微型顶管机胸板前方通过刀盘上预留的注浆孔压注复合浓胶泥，以挤压填充地层空隙；在压注复合浓胶泥的过程中，通过压注复合浓胶泥产生的反压力在孔内的机头前方形成超压密闭环境后，利用回拉装置即可较容易地将钢管节连同微型顶管机回拉，以使压泥反力和回拉力共同抵抗钢管连同微型顶管机回退时产生的摩阻力，其中，压泥与回拉的步骤同步；压泥与回拉的步骤循环往复执行，最后使得当前基岩预处理孔全部空间均被复合浓胶泥挤压填满。
76.压注复合浓胶泥产生的反力和回拉装置产生的拉力之和需大于等于回退时产生的摩阻力，如计算某个预处理孔内钢管节及微型顶管机回退的摩阻力为5000千牛，回拉装置所能提供的拉力为2500千牛，则压注复合浓胶泥时产生的反力需大于等于2500千牛。
77.压泥回退时实时监测地表沉降变形，从而实时调整压泥压力和回退拉力及回退速度。压注浓泥和回拉顶管机必须边注边拉，注入量和回拉产生的空腔体积必须保持一致甚
至超压超量注入，超压注入浓泥产生的反力有利于微型顶管机及钢管节在回拉装置作用下回退，严禁先拉后注。
78.应用于顶管压泥纠偏及抬升时，应控制压泥泵喷嘴压力达2-3kpa，压泥泵输出压力为5-8kpa。相当于在管口处施加200-300吨的压力，可对顶管机上、下、左、右四向进行压浓胶泥纠偏及抬升，复合浓胶泥的定向压注与填充，能快速有效传递压力和承载压力，即形成“压力囊”的作用，有效实现对土体的支撑，实现将顶管机姿态控制在设计轴线范围和控制管节及地面沉降。进一步地，还可针对松散地层顶进引起的超挖超排空隙进行挤压填充，减小地层损失，控制地面沉降。
79.该地下工程用的复合浓胶泥，可根据工程现场地质条件、地下水情况以及适用条件的不同，选择合理的膨润土、添加剂，并与水、水泥按照合理的配比均匀且强力搅拌后，可赋予复合浓胶泥具有粘度高、体积稳定性好、连续性和延展性好，不易水化，经试验在水中浸泡十多天也不会离析，且易于泵送和可控灌注性能好的特性。
80.如添加剂威兰胶为高分子聚合物，在低浓度的水溶液中可获得较高的粘度，与其他材料及添加剂（如聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、烧碱或纯碱等）一起复配后，可获得较好施工效果的复合浓胶泥。
81.如添加剂吸水树脂具有强保水性、止水性的特性，但树脂本身的交联网状结构及氢键作用，又限制了复配后的复合浓胶泥发生无限膨胀，不会对既有结构造成破坏，与其他材料复配后起到较好的止水堵漏效果。
82.通过强力的、均匀地、一定时间的搅拌，使膨润土中的矿物成分子与水分子、高分子聚合物或无机矿物分子充分结合形成稳固的化学键，进一步提高浓胶泥材料的稳定性和强度。
83.通过合理选择组成材料及配比的调整，可满足不同的工程需求具有优良的工作性能，能形成稳定的带压泥囊，在有限空间内能有效传递压力和承载压力，应用于地层损失填充、防背土、压泥纠偏及抬升、止水堵漏、润滑减阻等各方面，所使用的原材料易于获得，无毒害绿色环保，成本低，配制及压注工艺简单，有利于大规模推广。
84.本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种地下工程用复合浓胶泥，包括膨润土、清水、水泥和添加剂，其特征在于，所述膨润土、清水、水泥和添加剂的质量比为10:（3.5-4）:（0-1）：（0.03-0.1）；所述添加剂包括有机类添加剂和无机类添加剂，所述有机类添加剂包括威兰胶、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、发泡剂和/或吸水树脂中的一种或任意二种以上复配；所述无机类添加剂包括纯碱和/或烧碱；将所述膨润土、清水、水泥和添加剂按设定比例混合后，持续均匀搅拌20-40分钟，得压缩系数为0.30-0.35mpa-1
、塑限为23-25、黏聚力为5-15kpa、内摩擦角为14-25
°
、渗透系数＜1.0
×
10-6
cm/s的复合浓胶泥。2.根据权利要求1所述的一种地下工程用复合浓胶泥，其特征在于，所述膨润土为钙基膨润土或高粘钠基膨润土；所述钙基膨润土测试指标为胶质价45，动塑比（pa/mpa.s）1.0，滤失量14.2ml，-74um湿筛余量1.4%；ph值7.3；所述高粘钠基膨润土测试指标为吸水率302%，每100g吸蓝量22.5g，膨胀容每克15.3 ml.，600r/min旋转黏度80~85mpa
·
s，75μm干筛过筛率96%，水分为9.3%。3.根据权利要求2所述的一种地下工程用复合浓胶泥，其特征在于，所述复合浓胶泥包括以下组分，钙基膨润土、清水、水泥和添加剂，其质量比为10：4：1：0.03；所述添加剂为威兰胶、羧甲基纤维素和烧碱，配合比为0.01：0.01:0.01。4.根据权利要求3所述的一种地下工程用复合浓胶泥，其特征在于，将所述钙基膨润土、清水、水泥和添加剂持续均匀搅拌28-40分钟后，得压缩系数为0.31mpa-1
，塑限为24.37，黏聚力为13.1kpa，内摩擦角为24.2
°
，渗透系数7.8
×
10-8
cm/s，地基承载力特征值为171.62 kpa的用于地层损失填充、防背土、压泥纠偏及抬升起到控制地面沉降的复合浓胶泥。5.根据权利要求2所述的一种地下工程用复合浓胶泥，其特征在于，所述复合浓胶泥包括以下组分，高粘钠基膨润土、清水、水泥、添加剂，其配合比为10: 3.5：0：0.05；添加剂为威兰胶、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、发泡剂和纯碱，所述发泡剂为十二烷基硫酸钠，其配合比为0.005：0.015：0.015：0.005：0.01。6.根据权利要求5所述的一种地下工程用复合浓胶泥，其特征在于，将所述高粘钠基膨润土、清水、水泥、添加剂持续均匀搅拌20-30分钟后，得压缩系数为0.33mpa-1
，塑限为22.59，黏聚力为5kpa，内摩擦角为14.6
°
，渗透系数为6.4
×
10-7
cm/s，地基承载力特征值为128.31 kpa的用于减阻的复合浓胶泥。7.根据权利要求2所述的一种地下工程用复合浓胶泥，其特征在于，所述复合浓胶泥包括以下组分，钙基膨润土、清水、水泥和添加剂，其配合比为10: 3.5:0：0.1，添加剂为羧甲基纤维素、纯碱、吸水树脂，其配合比为0.03：0.04：0.03。8.根据权利要求7所述的一种地下工程用复合浓胶泥，其特征在于，将所述钙基膨润土、清水、水泥和添加剂持续均匀搅拌25-35分钟后，得压缩系数为0.32mpa-1
，塑限为24.11，黏聚力为10.8kpa，内摩擦角为16.5
°
，渗透系数为2.1
×
10-8
cm/s的用于止水堵漏的复合浓胶泥。
9.权利要求1所述一种地下工程用复合浓胶泥的使用方法，其特征在于：包含如下步骤：t0. 查明拟建工程场地地质条件、地下水情况，明确复合浓胶泥的用途，t1. 将搅拌机设于地面工作井旁或顶管施工通道内待压泥的管节位置，t2. 根据用途不同，并结合地质条件和地下水情况，向搅拌机内先加入添加剂和清水，待添加剂全部溶解后加入其他材料，t3. 根据用途不同搅拌时间有差异，按要求均匀拌制所添加的原材料，t4. 拌制完成的复合浓胶泥从搅拌机的出料口输出，通过粘土输送泵机械自动化输送至待压注管节位置处的压泥泵的进料口，t5. 采用压泥管将压泥孔/注浆孔与压泥泵相连形成完整的压泥管路，并安装阀门，t6. 开启压泥泵，使复合浓胶泥经压泥管路/注浆孔压注至管节和或顶管机外壁四周或迎土侧，t7. 根据理论压泥量和现场监测数据，实时调整压泥时间、压泥压力和压泥量参数，或停止压泥。10.权利要求9所述一种地下工程用复合浓胶泥的使用方法，其特征在于：当应用于顶管压泥纠偏及抬升时，在步骤t6中，控制压泥泵喷嘴压力达2-3kpa，压泥泵输出压力为5-8kpa。

技术总结
一种地下工程用复合浓胶泥及其使用方法。涉及对大断面顶管施工过程中为控制地面沉降所采用的填充材料的改进。包括膨润土、水、水泥和添加剂；针对不同的用途和地质条件，对组分进行不同的限定，添加剂包括有机类添加剂和无机类添加剂，有机类添加剂包括威兰胶、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、发泡剂和/或吸水树脂中的一种或任意二种以上复配；无机类添加剂包括纯碱和/或烧碱；通过组成材料及配比的调整，可满足不同的需求，具有优良的工作性能，应用于地层损失填充、防背土、压泥纠偏及抬升、止水堵漏、润滑减阻等各方面，所使用的原材料易于获得，无毒害绿色环保，成本低，配制及压注工艺简单，有利于大规模推广。有利于大规模推广。有利于大规模推广。


技术研发人员：陈雪华 周丽红
受保护的技术使用者：广州金土岩土工程技术有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/23