复杂地质条件下微型顶管施工中泥浆配比优化研究

引言

在城市地下空间开发中，微型顶管技术因其施工灵活、扰动小、适应性强等特点被广泛应用。但复杂地质条件下施工风险较高，尤其泥浆配比不当，常引发顶进困难、塌方、冒浆等问题。当前工程实践中泥浆设计多依赖经验，缺乏地质差异下的科学调整机制。为提升施工效率与安全性，本文以实际工程为依托，系统探讨泥浆配比优化路径，构建适应复杂地质的技术模型，为后续同类工程提供参考依据。

一、微型顶管施工中的地质挑战与泥浆适应性需求

微型顶管技术广泛应用于卵石层、砂层、粘土夹砂层等复杂地质中。不同地层对泥浆的流变性、密度、胶体强度和滤失量提出多样要求。如砂层中需提升携渣力与黏结强度以防塌方，软粘土中则需控制比重避免隆起。现实中常见“一浆多用”现象，忽视地质差异，导致阻力波动、施工中断等问题频发。因此，泥浆配比需具备针对性与适应性，依赖地层精准分析与动态调整，以确保顶进顺利、安全。

香河县西市区雨污分流改造工程共计 5 条道路部分污水管道涉及顶管施工。施工总长度约为 4706 米，管道类型包含 DN500-DN800 之间各类管径的Ⅲ级钢承口混凝土管，最大管道顶进长度为 71，埋深约为 3.9 米 -6.5 米为中、小口径的微型顶管。在管道顶进过程中面临地下水埋深浅、穿越砂层和国道、沉降控制严等技术难题。由于该处地处当地小型商业经济圈，沿线含有较多的通行车辆和居民小区、超市、商铺等众多建筑物。施工期间应采用合适的施工工法及安全措施，确保该区域的正常通行及周边环境的安全环保，保障道路沉降量符合设计规范要求。因此，符合要求泥浆性能对本工程的施工进度和后期沉降控制至关重要。

项目在多次试验基础上确定了膨润土、CMC（羧甲基纤维素）和聚合物复配的泥浆方案，显著降低了顶进阻力与注浆成本。本工程还采用高压旋喷桩加强管道出入井区段，其配套施工作业同样受到泥浆稳定性的影响。经验证表明，顶管施工泥浆体系不能一味追求“通用性”，而应建立与地质条件、顶进距离、管径类型相匹配的定制化配比模型。

二、泥浆材料组成各项指标要求

科学的泥浆配比需在保障施工性能与成本控制之间取得平衡，其组成主要包括基础泥料（如膨润土）、功能性添加剂（如聚合物、润滑剂）、水体比例与助剂调控。不同施工目标下，其设计重点有所区别。以穿越流塑性粉质黏土层为例，需重点控制泥浆的滤失量与胶体稳定性，防止孔壁坍塌；而在高透水性卵石夹砂层中，需提升泥浆的封堵能力与保水性。配比策略应从工程起始就进行模拟试验，通过不同含量与比例的组合筛选最优参数，辅以现场动态调整机制，提升响应速度与材料适应性。在此过程中，浆液的密度、黏度、滤失量、含砂量、PH 值、胶体率、静切力等指标应作为连续监测参数，以保障现场施工效率、安全。

1. 密度

作用：提供足够的液柱压力来平衡地层土压力和地下水压力，防止开挖面坍塌和地表沉降。

要求：一般土层： 1.05～1.15g/cm³ ；松散、易坍塌土层（如砂层）：1.15～1.25g/cm³ 或更高，需通过计算确定。

控制要点：密度并非越高越好。过高的密度会增大泵送阻力，易堵塞注浆管路，且可能压裂地层，导致泥浆窜入土壤或冒顶。

2. 黏度

常用指标：漏斗粘度

作用：反映泥浆的流动性和携渣能力。黏度越高，悬浮和携带渣土的能力越强，形成的泥膜也越好。

要求：黏土层：35 ～ 45 s （ 使用马氏漏斗测量，流出 946mL 泥浆所需时间 ）；砂土层： 45～55s 或更高。

控制要点：黏度过低，携渣和护壁效果差；黏度过高，泵送困难，泥浆不易渗透到管外壁与土壤的间隙中，润滑效果反而下降。

3. 滤失量

作用：衡量泥浆在压力下向地层中失水的多少。滤失量小，意味

着能快速在孔壁形成一层薄而致密的“泥皮”，有效密封孔壁，防止水分散失，保持地层稳定。

要求： <25cm3/30 分钟内。对于松散敏感地层，要求应更高，最好 <15cm3/30 分钟内。。

控制要点：这是泥浆护壁性能的核心指标。滤失量过大会导致泥浆大量渗入地层，不仅浪费泥浆，更会造成土体吸水膨胀、软化，引发开挖面失稳或地面沉降。

4. 含砂量

作用：指泥浆中不能通过 200 目筛网（粒径 >74μm ）的颗粒体积百分比。

要求： <4%

控制要点：含砂量过高会大幅增加泥浆的磨蚀性，严重磨损泥浆泵、管路和刀盘；同时会增大泥浆密度和粘度，影响其流动性，易造成沉淀和堵塞。

5. pH 值

作用：维持膨润土颗粒的稳定性，使其充分水化分散，从而发挥其造浆性能。大多数添加剂也需要在碱性环境中才能生效。

要求：8 ～ 10 （ 弱碱性环境 ）

控制要点：通常使用纯碱 （Na ₂ CO ₃ ） 或烧碱 （NaOH） 来调节pH 值。pH 值过低，膨润土不易溶解，泥浆性能不稳定；过高则可能腐蚀设备，并影响某些添加剂的性能。

6. 胶体率

作用：反映泥浆中膨润土水化分散程度和悬浮稳定性。胶体率越高，说明泥浆稳定性越好，不易沉淀。

要求： ⩾97%

控制要点：将泥浆静置 24 小时，测量下部沉淀的体积占总体积的百分比。胶体率低意味着泥浆易分层，润滑和护壁效果会随时间衰减。

7. 静切力

作用：泥浆静止时形成网状结构的强度，决定了其悬浮渣土的能力，防止停机时渣土沉降堵塞管道。

三、不同地层的泥浆调配策略

1. 粘土层

重点在于润滑减阻。泥浆粘度不宜过高（35-45s），主要作用是填充管节与孔壁的间隙，形成润滑膜。

可适当添加减阻剂（如聚合物）。

2. 砂层、粉砂层：

重点在于护壁防坍和携渣。

需提高粘度（45-55s 以上）和降低滤失量（ <10mL ）。

必须添加降滤失剂（如CMC、PAC）和增粘剂，并可掺入堵漏剂（如云母片、锯末）来封堵砂层孔隙。

3. 复合地层：

以最不稳定地层的要求为基础进行配制，通常以防坍、降滤失为首要目标，再兼顾润滑性。

四、泥浆管理与检测

1. 循环利用：出土的泥浆渣土混合物需经过泥水分离系统（通常为振动筛、旋流器、压滤机等）处理，分离出的泥浆可调整性能后循环使用。

2. 实时监测：在注浆泵出口应每班次（或每顶进一段）检测主要指标（粘度、密度、pH 值），每日至少全面检测一次所有指标。

3. 动态调整：根据顶力变化、出土情况和地层反馈，及时调整泥浆配比。如果顶力持续增大，可能是泥浆润滑效果不佳，需检查粘度和滤失量。

4. 泥浆回收与循环利用是现代微型顶管施工中的关键环节，其性能变化直接影响顶进效率与施工稳定性。为此，应配备完善的泥浆处理系统，实现脱水、除砂、浓缩与再混合的闭环运行。特别是在沿江、近水等生态敏感区，泥浆成分应环保，避免使用有毒或易挥发添加剂。

在本项目中，微型钢管灌注嵌岩桩需穿越高强度岩层，对泥浆润滑性和冷却能力提出更高要求。经多轮试验，最终选用钠基膨润土 +CMC+ 矿物粉体的配比，有效兼顾了施工效率与环保性能，具备较强的推广价值。

五、工程实例分析与泥浆优化成效评估

本项目污水顶管施工中，地质主要由素填土、粉土、粉质黏土与细砂组成，设计管径为 DN400，单条道路顶进距离约 320 米。施工初期采用通用型膨润土浆液，顶进过程中频繁出现渣土沉积、管道偏移及推进压力剧增等问题。经现场勘察与试验后，施工团队调整为低黏度、高封堵型泥浆体系，明显改善了顶进稳定性与推进效率，说明在复杂地质条件下，需动态调整泥浆参数，建立“地层—工艺—配比”联动机制。

另一段施工区域地层中含大量回填建筑垃圾与淤泥，推进过程中存在偏斜与前方塌陷风险。项目采用泥浆盾构法并辅以地层加固，同时优化胶体强度与流变性能，适当添加无机矿粉和降黏稳定剂，以提升封堵能力与悬浮效果。实施后，顶管推进速度提高 22% ，设备卡阻率降低 70% ，且管线中心偏差控制在 ±3cm 以内，充分体现出定制化泥浆体系在复杂地质环境下的技术优势与实践价值。

六、面向推广的优化建议与发展趋势展望

微型顶管技术与泥浆工艺的融合，正成为复杂城市地下工程的重要解决方案。为实现广泛推广，应从三方面进行优化：一是建立标准化配比数据库，归纳不同地质条件下的典型参数与适用范围，提高泥浆选择的精准性与效率；二是推广智能控制装备应用，如在线监测、自动调配与数据采集系统，打造“数据—决策—执行”一体化泥浆管理模式；三是加强跨领域协作，融合材料科学、环境工程等学科，提升泥浆体系的适应力与环保性能。

未来泥浆优化不仅关注施工性能，还应注重成本控制、绿色环保与全生命周期协调发展。可采用再生资源材料、轻质无机替代物降低资源消耗，并引入施工数字孪生技术，实现泥浆状态的可视化监控与预测。在制度层面，建议通过政策引导推广绿色施工与定制化配比方案，推动行业整体向高效、安全、可持续方向发展。这将为复杂地质下微型顶管技术的广泛应用奠定坚实基础。

结论

微型顶管技术在城市复杂地质环境中具备广泛应用前景，而泥浆配比优化是其施工安全与效率的关键保障。本文依据项目通过分析不同地质条件对泥浆性能的多样化需求，提出科学的配比控制方法，并结合典型工程案例验证了定制化泥浆体系的实用性。研究表明，顶管泥浆是一个动态、与地层互动的过程。没有一成不变的“万能配方”，必须根据实际地质条件、顶进速度和顶力情况，以滤失量、粘度、密度为核心指标进行精细化调配和管理，才能确保顶管施工安全、高效、经济。未来应进一步推动标准化、信息化与环保型泥浆体系建设，为地下工程非开挖技术的高质量发展提供有力支撑。

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