王春河, 許滿吉

(1.北京交通大學(xué),北京 100044； 2.中鐵六局集團有限公司盾構(gòu)分公司,北京 100036)

1 概述

南京長江隧道位于南京長江大橋與三橋之間,連接南京河西新區(qū)-江心洲-浦口區(qū)。盾構(gòu)部分起止里程為K3+600～K6+620,整條線路位于長江水位以下,最大水位深60 m,地層極具透水性,隧道底部的最大工作壓力達(dá)750 kPa,江底條件復(fù)雜,有穩(wěn)定性差的淤泥和淤泥質(zhì)砂層,有地下水豐富的中粗砂層及礫石層,而且不同地層相互混合,條件非常復(fù)雜,該工程采用2臺由德國海瑞克公司生產(chǎn)的泥水平衡式盾構(gòu)機施工,盾構(gòu)直徑達(dá)14.93 m。隨著南京長江隧道東線施工的開展,掘進已經(jīng)進入混合地層。在該地層,粉細(xì)砂和礫石的粒徑較大,結(jié)構(gòu)相對疏松,透水性強,易造成泥漿與地下水的置換；另外,上層粉細(xì)砂不夠穩(wěn)定,在掘進間歇開挖面容易發(fā)生垮塌事故。尤其是在江中沖槽段覆土淺、水壓高,存在開挖面失穩(wěn)、地層隆陷、透水冒漿和局部擾動液化等風(fēng)險。

為保證盾構(gòu)機安全順利過江,其中一個重要的保證因素是確保泥漿質(zhì)量優(yōu)良,同時降低成本。為達(dá)到這一目標(biāo),使用傳統(tǒng)的高分子材料或膨潤土需要消耗巨大成本；而且,如果泥水體系不適合混合地層,亦會造成開挖面的不穩(wěn)定?，F(xiàn)場擬通過探索高分子制漿材料、膨潤土和黏土層的廢棄泥漿的復(fù)合使用效果,找出能滿足掘進需要且相對較為經(jīng)濟的泥漿調(diào)配配方。本文簡要介紹南京過江隧道泥漿復(fù)合調(diào)制在復(fù)雜地層的應(yīng)用。

2 泥漿的研究

2.1 泥漿作用原理

泥漿第一作用是形成泥膜。泥水平衡盾構(gòu)的理論中,開挖面的穩(wěn)定是靠泥膜,泥膜是在泥水平衡盾構(gòu)的密封艙中,注入適當(dāng)壓力泥漿使其在開挖面形成的。當(dāng)泥水壓力大于地下水壓力時,泥水滲入土體中,形成與土體間隙成一定比例的懸浮顆粒,被土體捕獲的顆粒凝聚于土體與泥水的接觸面,形成滲透性非常小的一層泥膜,當(dāng)泥膜抵抗力遠(yuǎn)大于正面土壓時,達(dá)到了泥水平衡效果。在泥膜形成后,泥水與地下水的置換將被隔絕,泥水壓力可更加有效地作用于開挖面,從而可防止開挖面的變形和垮塌,并確保開挖面的穩(wěn)定。

泥漿第二作用是攜渣與保護鉆具。泥漿作為具有一定密度的連續(xù)介質(zhì),能有效地將泵輸出的部分能量轉(zhuǎn)移到渣土上,使之隨泥漿流帶出開挖倉并在地面進行泥水處理,以保證掘進的連續(xù)進行；同時,泥漿在開挖面的短暫停留可以使之通過表面滲濾等作用在上面快速形成一層均勻的泥膜,以增加刀具切削土體的均勻性,減少對刀具的磨損,延長刀具的使用壽命。

2.2 影響因素

2.2.1 泥漿穩(wěn)定開挖面的影響因素

從現(xiàn)場施工角度出發(fā),由于泥水處理廠對開挖面支護壓力無法控制,現(xiàn)僅考慮泥漿性能對開挖面穩(wěn)定的影響。影響因素主要有以下3點。

(1)泥漿性能與土體特性要匹配,一旦不能形成有效的泥膜,泥水對開挖面的滲透不可避免,這將形成一個泥膜不斷形成與削弱的動態(tài)平衡,這個平衡對開挖面的穩(wěn)定是不利的，泥水的滲透將伴隨支護壓力的損失和波動；

(2)泥漿通過壓力作用于開挖面形成泥膜。實際上泥膜并不僅僅存在于土體與泥水的接觸面上,并且將滲入土體一定的深度,滲透區(qū)域相對泥膜厚度e/B(e為泥漿滲透區(qū)域的厚度,即最大滲透深度;B為松動幅)越大,過剩泥水壓力的有效性(η)越小,開挖面越不穩(wěn)定,其變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 e/B對η的關(guān)系

當(dāng)泥水滲透區(qū)域較小時,η值減小的較快;當(dāng)泥水滲透區(qū)域很大時(e/B>2時),有效泥水壓力損失很大,僅有20%是對開挖面穩(wěn)定起作用的。因此要求泥漿具有較低的濾失量,能在開挖面形成薄而致密的泥膜,以便將泥水壓力有效地傳遞到開挖面上。

(3)泥漿應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性。由于自重的影響,泥漿對開挖面的支護壓力是呈梯形分布的。但是如果泥漿在靜置過程中發(fā)生沉淀,上部的泥漿支護壓力減弱,將可能發(fā)生滲透力減小、支護壓力分布變化等現(xiàn)象,最終引起對開挖面的擾動。

所以，穩(wěn)定開挖面泥漿應(yīng)當(dāng)具有較好的穩(wěn)定性、較高的顆粒級配等性能,能快速形成薄且致密的泥膜,起到支護作用。

2.2.2 泥漿作為攜渣介質(zhì)的影響因素

泥漿應(yīng)具有良好的懸浮能力并且減小管道阻力損失,對泥漿泵動量的傳遞盡可能的完全,提高泵的出渣效率并減少渣土在泥水倉對刀具的二次磨損。在實際工程中,泥漿的密度指標(biāo)選定在一個穩(wěn)定的范圍,不做較大變動；因而泥漿循環(huán)的動量損失在密度、管徑情況基本穩(wěn)定的條件下僅與其黏度有關(guān)。下面以水為例對泥漿的動量傳遞效果進行分析。

根據(jù)雷諾系數(shù)(Re)公式

Re=duρ/μ(1)

式中d——管徑，φ512×10 mm;

u——流速,3 m/s;

ρ——密度，1 000 kg/m3；

μ——黏度0.001 01 Pa·s(20 ℃)。

可得Re=0.492×3×1 000/0.001 01=487 128。在工程中,當(dāng)Re>4 000時,認(rèn)為該流體為湍流。泥漿密度近似于水而黏度比水大得多,故可確定泥漿在泥漿管里是湍流流動。

在泥漿管道粗糙度一定的情況下,根據(jù)顧旈珍公式

λ=0.005 6+0.050 0/Re0.32(2)

式中λ——摩擦系數(shù)。

由式(1)和式(2)運算可得：μ與λ成正比。因此,黏度μ的減小對于提高流體的流動性和減小泵的動量損失是有利的；但其與較大粒徑的渣粒的摩擦作用力也會減小,導(dǎo)致攜渣能力的下降；同時,黏度過小將減慢泥漿在開挖面的成膜速度,減弱其對刀具的保護。

考慮上述因素、實際泥水處理能力以及穩(wěn)定開挖面的要求,將泥漿漏斗黏度選定為20 s以上,密度要求控制在1 050～1 200 kg/m3,能滿足穩(wěn)定開挖面和攜渣功能,滿足盾構(gòu)機每環(huán)掘進2 m,推進速度平均在30 mm/min。

2.3 泥漿的復(fù)合調(diào)制試驗及實施

2.3.1 試驗?zāi)繕?biāo)

為降低成本,采用排出泥水經(jīng)泥漿處理系統(tǒng)后排出的廢棄泥漿(簡稱廢漿)和高分子制漿材料,制出密度1 050～1 200 kg/m3,漏斗黏度20 s以上的泥漿；要求泥漿體系穩(wěn)定,2 h析水率低于7%,具有良好的塑性黏度,滿足盾構(gòu)機每環(huán)掘進2 m,推進速度平均在30 mm/min。

2.3.2 試驗配比及結(jié)果

廢漿及高分子材料樣本為隨機取得,測其指標(biāo)如表1所示。

表1 原材料樣本指標(biāo)

注：1.其中廢漿中黏粒含量占37%(黏粒指粒徑小于0.02 mm的顆粒)；2.表中塑性黏度由旋轉(zhuǎn)黏度計φ600 mm與φ300 mm轉(zhuǎn)值作差得出。

試驗時,采用了3種配合比：廢漿∶高分子材料=3.5∶1(質(zhì)量比);廢漿∶高分子材料=4∶1(質(zhì)量比),廢漿∶高分子材料=4.5∶1(質(zhì)量比)。而達(dá)到要求的泥漿配方為：廢漿∶高分子材料=4∶1(質(zhì)量比)。3.5∶1配比的泥漿密度1 020 kg/m3,漏斗的黏度17.21 s,滿足不了要求；4.5∶1配比的泥漿密度1 440 kg/m3,漏斗黏度28.52 s,密度超太多,滿足不了要求；4∶1配比的泥漿此配方制出的泥漿密度為1 235 kg/m3,漏斗黏度24.53 s,24 h析水率4%,塑性黏度達(dá)12 MPa·s。加一定量的水后可調(diào)制出滿足現(xiàn)場應(yīng)用的泥漿,且滿足盾構(gòu)機每環(huán)掘進2 m,推進速度平均在30 mm/min。

但是，試驗過程中發(fā)現(xiàn),如果調(diào)好泥漿再加水則會發(fā)生輕度離析、沉淀的現(xiàn)象。故在施工中,回收的廢漿需先在沉淀池循環(huán),進行預(yù)沉淀處理：一是為了使廢漿中的粉細(xì)砂得到一定的沉降,二是預(yù)防有其他雜質(zhì)顆粒進入泥漿體系。需注意的是：之所以采用高濃度的高分子材料泥漿調(diào)好后再加水降比重,是因為現(xiàn)場無法準(zhǔn)確量化調(diào)漿過程中的泥漿加量,而對指標(biāo)逐項控制相對較易把握其指標(biāo)的變化,提高調(diào)漿精度。

3 施工效果分析

3.1 無細(xì)沙層的地層效果分析

原來僅采用高分子材料調(diào)漿時,泥漿也可以達(dá)到設(shè)計性能,但是其成本過高。采用復(fù)合泥漿可以用相對較低的成本調(diào)制出達(dá)到設(shè)計性能的泥漿,滿足盾構(gòu)機每環(huán)掘進2 m,推進速度平均在30 mm/min,原因分析如下。

高分子材料和廢漿混合后,在比重變化不太大的條件下,黏度指標(biāo)得到了較高的提升,分析其原因是由于廢漿中的黏粒和高分子材料中的中、大分子量鏈狀分子結(jié)合的結(jié)果,這主要是利用了高分子材料的提黏性能。其機理如圖2所示。

圖2 高分子材料與廢漿中的黏粒形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

高分子制漿材料的主鏈上具有2種支鏈：水化基團和吸附基團。水化基團提高了高分子材料在水相的分散性和水化速度；而其吸附基團對廢漿中黏粒的吸附作用促進了黏粒的分散。在高分子空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的作用下,黏粒參與和提高了泥漿體系的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強度,進而提高了其整體性能。

在施工中,地層粒徑的增大,固控設(shè)備的分離效率提高,泥漿比重會持續(xù)在較低水平。由于廢漿含有一定量的粉土和粉細(xì)砂(無法篩分和沉淀的部分),比重相對較高,這使之對泥漿比重的穩(wěn)定有較大的貢獻(xiàn),彌補了高分子材料黏度大而比重低的缺陷,提高了泥漿對細(xì)小顆粒的懸浮和攜帶能力；同時,廢漿中粉土和粉細(xì)砂顆粒的存在也豐富了泥漿中的顆粒級配,這對于泥漿堵塞地層孔隙、減小漏失也有益處。

在實際施工過程中,采用高分子材料和廢漿復(fù)合在調(diào)漿應(yīng)用中取得了良好的效果,低成本的廢漿對于完善泥水體系、穩(wěn)定泥漿比重和抑制地層漏失有較好的效果；不僅降低了成本,且由于廢漿回收工藝簡單,減少了制漿時間,提高了調(diào)漿效率。但由于黏土層廢漿和粉細(xì)砂層廢漿在地層過渡階段不可避免地有所混合,排出泥漿經(jīng)過沉淀池預(yù)沉淀,同時在進行廢漿泵送回收過程中需對廢漿指標(biāo)進行較高頻率的監(jiān)測,以保證回收的廢漿有應(yīng)用價值；一旦發(fā)現(xiàn)粉細(xì)砂含量過大,就需停止廢漿回收,避免泥漿比重過大,導(dǎo)致破壞整個泥漿體系。

3.2 細(xì)沙層復(fù)合地層中施工效果分析

在過粉細(xì)砂層時,泥水倉漏失速度達(dá)到1 m/h(約20 m3)以上。分析該原因是高分子材料在高含水的無黏性砂層,由于高分子材料的粒徑較小,達(dá)不到填充地層孔隙的作用,導(dǎo)致泥漿的滲透較強而大量漏失,嚴(yán)重影響開挖面的穩(wěn)定性。

為解決這一問題,現(xiàn)場嘗試使用了鈉基膨潤土與高分子材料復(fù)合使用,泥漿制備所用的高分子材料量為原來的1/2,其余用膨潤土代替,制出了漏斗黏度35 s左右的泥漿,用該泥漿代替原高分子泥漿,開挖面穩(wěn)定,泥水倉液位穩(wěn)定,液位下降速度僅為1 m/d。取樣靜置24 h析水率為6%。漿樣的室內(nèi)不同載荷下泥漿濾失量統(tǒng)計如表2所示。

表2 不同載荷下復(fù)合泥漿的濾失量統(tǒng)計

對于細(xì)沙層地層,該泥漿良好的性能主要是膨潤土在其中充當(dāng)了大顆粒填充劑的作用。膨潤土本身具有良好的造漿能力,其較大黏土顆粒與高分子鏈結(jié)合后,通過高分子支鏈上的吸附基團緊密地吸附在土體顆粒上；同時通過高分子鏈之間吸附而在開挖面上形成結(jié)構(gòu)致密的泥膜。擁有良好顆粒級配的泥漿在開挖面上形成泥膜快速且致密,能有效減小泥漿在地層中的深層滲透,避免其與地下水的置換。分析其機理如圖3。

圖3 復(fù)合泥漿堵漏作用機理

同時,復(fù)合泥漿的良好穩(wěn)定性有利于其懸浮和穩(wěn)定泥水倉的沙粒,避免出現(xiàn)分層,提高泥漿的穩(wěn)定性,保證泥漿壓力均衡地分布于開挖面上,起到支護作用。

4 結(jié)論

高分子材料具有良好的抑制黏土分散能力、剪切稀釋特性及攜渣能力。但是在粉細(xì)砂和礫石組成的混合地層,由于其成本高且對開挖面的封堵能力相對較低,所以加入膨潤土材料進行復(fù)合,以降低施工成本并更好的適應(yīng)地層土體特性。

廢漿的綜合性能不如膨潤土,但是在掘進過程中沒有細(xì)沙層的復(fù)合地層中,利用廢漿開挖面相對穩(wěn)定,盾構(gòu)機每環(huán)掘進2 m,推進速度平均在30 mm/min,故可使用廢漿替代膨潤土,與高分子材料復(fù)合使用以降低成本,減少浪費。在含細(xì)沙層地層中廢漿的應(yīng)用主要是看其中的黏粒含量,增加膨潤土,如果黏粒含量較

大,則說明粉細(xì)砂和粉土相對較少,增加適當(dāng)?shù)呐驖櫷量烧{(diào)制合格泥漿。由于本工程細(xì)沙層地層只有10 m長,雖然取得成功,但建議在粉細(xì)沙和粉土含量較大情況,采用傳統(tǒng)的膨潤土制的泥漿。廢漿中黏粒含量對實際施工的影響規(guī)律受試驗條件限制,目前沒有做過系統(tǒng)的測試,尚需進一步探討。

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