張 寧，朱 偉，閔凡路

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引言

隨著我國鐵路、公路、水利、城市軌道交通等事業(yè)的發(fā)展，泥水盾構(gòu)以其良好的壓力控制模式在水下交通隧道建設(shè)中取得了廣泛應(yīng)用［1－2］。泥漿被喻為泥水盾構(gòu)的血液，在盾構(gòu)施工中主要起到維持開挖面的穩(wěn)定［3］、攜渣、潤滑掘削設(shè)備、減少管路磨損等作用［4］。盾構(gòu)穿越地層性質(zhì)差異較大，所需要的泥漿參數(shù)亦各不相同［5］。對于不同泥漿材料，相同的泥漿參數(shù)有多種不同的配制方法［6］。確定泥水盾構(gòu)在不同地層中施工時合理的泥漿參數(shù)和配比，不僅可以保證施工的順利進行，也可以有效降低工程成本。

在泥水盾構(gòu)施工中，泥漿最重要的作用是在開挖面上形成微透水的泥膜，防止泥漿大量濾失，保持開挖面的穩(wěn)定。泥漿在地層中的成膜方式可以分為泥皮型、滲透帶型、泥皮+滲透帶型;MIN等［7］通過室內(nèi)泥漿滲透試驗，選取d85作為泥漿顆粒代表粒徑，D0作為地層平均孔徑，通過計算d85和D0的比例關(guān)系可以確定泥膜的形成類型，同時發(fā)現(xiàn)泥漿顆粒級配和密度對泥漿在高滲透性地層中的成膜影響較大。Watanabe等［8］在高滲透地層中進行了泥漿滲透成膜實驗，發(fā)現(xiàn)隨著泥漿密度的增大，泥漿濾失量逐漸減小。袁大軍等［9］通過不同密度的泥漿滲透試驗，發(fā)現(xiàn)泥漿密度越大，泥漿中含有的細(xì)顆粒越多，泥漿填充地層孔隙的效果越好，形成泥膜時的濾水量越小;當(dāng)泥漿密度達到1.08 g/cm3時，泥漿黏度的增加并不能有效減小泥膜濾水量。韓曉瑞等［10］通過3種泥漿在礫砂地層的滲透試驗，提出了以濾水量作為泥膜質(zhì)量的評價指標(biāo)，泥膜濾水量越小，泥膜越致密?；谝陨涎芯?，在高滲透性地層中，相比黏度，泥漿的密度尤其是泥漿中的顆粒組分是影響成膜的重要因素。對于泥漿黏度，更重要的是考慮其對攜渣能力、減少管路磨損的影響［11］。目前泥水盾構(gòu)工程中泥漿的黏度一般取20～30 s(蘇氏漏斗黏度，測試清水為15 s，下同)以上。

南京緯三路過江通道依次穿越黏土、粉土、粉細(xì)砂、礫砂、圓礫等地層(見圖1)，最高水壓力達0.77 MPa。滲透系數(shù)大于10－2cm/s的中粗砂、礫砂、圓礫卵石地層累計長達2 177 m。地層條件復(fù)雜、地下水壓高、地層透水性強［12－13］，泥漿在砂礫地層成膜具有較大困難，需要消耗大量的泥漿材料。如何根據(jù)地質(zhì)條件，合理地選取泥漿參數(shù)和配漿方案，已成為關(guān)系隧道施工安全性和經(jīng)濟性的重要問題之一。

圖1 南京緯三路過江通道江中段地質(zhì)斷面簡圖Fig.1 Profile of geological condition of Weisanlu Yangtze River Tunnel in Nanjing

本文針對南京緯三路過江通道的4種粗顆粒地層進行泥漿成膜試驗，確定泥漿在各地層的適用參數(shù);然后以前期在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層中掘進產(chǎn)生的黏土漿作為基礎(chǔ)材料，確定黏土漿+膨潤土漿和黏土漿+增黏劑溶液的配漿方案。該配方綜合考慮了地層對泥漿參數(shù)要求的差異和廢棄泥漿的使用，為工程施工提供了配漿依據(jù)，同時降低了工程成本，減少了廢棄泥漿對環(huán)境造成的污染。

1 工程概況及難點分析

1.1 工程概況

南京緯三路過江通道位于緯七路長江隧道和長江大橋之間，隧道采用雙層雙向八車道"X"形隧道方案。南線隧道盾構(gòu)段長4 134.8 m，北線隧道盾構(gòu)段長3 537.8 m，采用2臺φ14.96 m的泥水盾構(gòu)同向掘進，由江北始發(fā)井出發(fā)，左右線分離布置［14］(見圖2)。

圖2 南京緯三路過江通道工程示意圖Fig.2 Sketch map of Nanjing Weisanlu Yangtze River Tunnel

1.2 工程地質(zhì)條件及難點分析

南京緯三路過江通道穿越各地層的基本物理性質(zhì)如表1所示。隧道首先穿越526.8 m的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層，該地層滲透系數(shù)為3×10－6cm/s，黏粉粒含量達80%，僅靠地層自造漿即可滿足成膜要求，同時還會產(chǎn)生密度在1.28～1.35 g/cm3，蘇式漏斗黏度60～75 s的廢棄泥漿。將廢棄泥漿臨時存放于池塘，待盾構(gòu)掘進至中粗砂地層時作為配漿的原材料，不僅可以降低工程成本，還可以解決環(huán)境污染問題［15］。

2 泥漿成膜試驗

2.1 試驗方案

2.1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖3所示。裝置的主體是一個有機玻璃柱，高100 cm，內(nèi)徑8.4 cm;調(diào)壓裝置的精度為0.01 MPa;電子稱精度為0.01 g;數(shù)據(jù)采集裝置可記錄濾水量隨時間的變化，其時間間隔可以自行設(shè)置。

2.1.2 試驗材料

選用膨潤土與水質(zhì)量比(簡稱膨水比)為1∶10的膨潤土漿做為基礎(chǔ)泥漿。添加黏土調(diào)節(jié)泥漿密度，添加質(zhì)量濃度為2%的高黏羧甲基纖維素鈉(CMCHV)水溶液調(diào)節(jié)泥漿黏度。采用蘇式漏斗黏度儀和1002型比重秤分別測得泥漿的黏度和密度，泥漿性質(zhì)參數(shù)如表2所示。地層材料利用單一粒徑的天然砂配置，按相似級配法，使得密度和滲透系數(shù)盡量接近地質(zhì)報告中給出的值。

表1 南京緯三路過江通道盾構(gòu)段穿越地層統(tǒng)計(南線為例)Table 1 Different strata through which the southern tube of Nanjing Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel passes

圖3 泥漿成膜與閉氣試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test apparatus

表2 泥漿性質(zhì)參數(shù)表Table 2 Basic physical properties of slurries

2.1.3 試驗方法

配制試驗地層，裝入地層并飽和，測量地層的滲透系數(shù)，配制試驗?zāi)酀{并裝入滲透試驗柱，密封試驗柱并施加壓力開始滲透試驗。

設(shè)置4 級泥漿壓力:0.05、0.1、0.15 及 0.3 MPa，第1級壓力用于判斷泥漿在地層中能否成膜，后面3級壓力用于評判泥膜的質(zhì)量，每級維持200 s，確保泥漿滲透達到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 試驗結(jié)果

表3為試驗得到的泥膜形成情況，通過分析發(fā)現(xiàn):在④1粉細(xì)砂地層和⑤1中粗砂地層中，均形成泥皮型泥膜;在⑤2礫砂地層和⑥1卵石圓礫地層中，當(dāng)泥漿密度較小時形成泥皮+滲透帶型泥膜，泥漿密度較大時形成泥皮型泥膜。

表3 試驗過程中的泥膜形成情況Table 3 Types and thicknesses of filter membranes in the test

圖4為泥膜形成過程中濾水量(泥漿濾失量)統(tǒng)計圖。從圖4可以看出，泥漿在地層中滲透時，濾水量隨壓力逐級增長。密度為1.05 g/cm3的泥漿在4種地層中濾水量均較大，說明該泥漿不適用于砂性地層中成膜。密度為1.10 g/cm3的泥漿在粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂地層中濾水量較大，且隨地層滲透系數(shù)的增加而增大;而在圓礫卵石地層中濾水量最小，是由于⑥1圓礫及卵石地層的孔隙比較小，泥漿較難滲入。密度為1.15 g/cm3和1.20 g/cm3的2種泥漿在4種地層中的濾水量較小。結(jié)合表3可以發(fā)現(xiàn)，密度為1.20 g/cm3的泥漿難以滲入地層，多在表面形成厚度較大的泥膜。通過泥漿成膜試驗得到了滿足緯三路過江通道各地層成膜的泥漿指標(biāo)(見表4)。

圖4 不同地層不同泥皮厚度下的泥漿濾水量Fig.4 Water bleeding of different slurries under different strata

表4 各地層中的泥漿成膜指標(biāo)Table 4 Performance of filter membranes formed in different strata

3 泥漿配比試驗

3.1 黏土漿+膨潤土漿的泥漿配制試驗

以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層中掘進產(chǎn)生的黏土漿作為基礎(chǔ)泥漿，將南京亞東奧土礦業(yè)膨潤土按膨水比1∶10膨化，得到密度1.06 g/cm3、黏度52 s的膨潤土漿。向黏土漿中加入不同質(zhì)量的水，得到4種密度的黏土漿，然后向其中逐漸添加不同質(zhì)量的膨潤土漿調(diào)節(jié)泥漿參數(shù)。泥漿性質(zhì)變化如圖5所示。

圖5 膨潤土漿對泥漿黏度、密度的影響Fig.5 Effect of bentonite on viscosity and density of slurry

由圖5(a)可知，隨著膨潤土漿的添加，泥漿黏度逐漸增大。當(dāng)黏度達到20 s以后，膨潤土漿對泥漿黏度的效果逐漸明顯。膨潤土漿對泥漿黏度的改善效果由泥漿的初始黏度決定，泥漿黏度越大，效果越明顯。初始泥漿的黏度相近，可以認(rèn)為黏土對泥漿黏度的影響很小。由圖5(b)可知，在膨潤土漿添加初期，泥漿密度變化較明顯，隨著膨潤土漿添加量的增多，密度變化越來越弱，逐漸接近2種漿液的均值。

3.2 黏土漿+增黏劑溶液的泥漿調(diào)制試驗

以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層中掘進產(chǎn)生的黏土漿作為基礎(chǔ)泥漿，選用任丘市超宇CYHS－3型增黏劑，濃度3%的增黏劑，密度為1.02 g/cm3，漏斗黏度為45 s。向黏土漿中加入不同質(zhì)量的水，得到4種密度的黏土漿，然后逐級向其中添加占黏土漿不同質(zhì)量百分比的增黏劑溶液，泥漿黏度變化如圖6所示。

圖6 增黏劑溶液對泥漿黏度的影響Fig.6 Effects of thickener on slurry viscosity

由圖6可以看出，增黏劑溶液添加初期對泥漿黏度的提高比較明顯，且逐漸趨于穩(wěn)定。泥漿的最終黏度與泥漿密度有關(guān)，密度越大，黏度越大;不同密度的泥漿，增黏劑溶液的最優(yōu)添加量不同。對于密度小于1.10 g/cm3的黏土漿，增黏劑溶液的添加對泥漿黏度幾乎沒有影響;故黏土漿+增黏劑溶液的配漿方案不再適用，應(yīng)該考慮其他配漿方法，如黏土漿+膨潤土漿+增黏劑溶液、膨潤土漿+增黏劑溶液，或膨潤土漿等。

3.3 南京緯三路過江通道砂性地層配漿方案

根據(jù)黏土漿+膨潤土漿和黏土漿+增黏劑溶液的配漿試驗結(jié)果，得到了南京緯三路過江通道4種粗顆粒地層的配漿方案，如表5所示。

表5 各地層配漿方案及所得泥漿參數(shù)Table 5 Mixing proportion of slurries and their parameters

4 現(xiàn)場泥漿使用情況

在K4+328～+749的礫砂圓礫、卵石混合地層中掘進時，由于地層的黏粒含量小于5%，每掘進10環(huán)，需要補充黏土約60 t，膨潤土8.3 t。采用每 m31.20 g/cm3的黏土泥漿中添加膨水比1∶10膨潤土漿500 kg的配漿方案。在地層中掘進時切口水壓力在0.59 ～0.62 MPa;平均每環(huán)的掘削量在 327 ～368 m3，在理論掘削量(353 m3/環(huán))上下波動，但波動幅度在20%之內(nèi);每環(huán)的泥漿濾失量在30～40 m3，與試驗室模擬結(jié)果相當(dāng)，說明在地層表面形成了致密性較好的泥膜。

5 結(jié)論與建議

1)密度1.05 g/cm3的泥漿不適于在砂性地層中成膜;密度為1.10 g/cm3和1.15 g/cm3的泥漿可以在中粗砂、礫砂、圓礫卵石地層中形成泥皮+滲透帶型泥膜;密度大于1.20 g/cm3的泥漿難以滲入地層，多在地層表面形成厚度較大的泥皮型泥膜。

2)膨潤土漿和增黏劑溶液可以調(diào)節(jié)泥漿黏度，黏度大于20 s時，膨潤土漿對黏度的改善效果較顯著;泥漿密度越大，增黏劑溶液對泥漿黏度的改善越明顯，當(dāng)密度小于1.10 g/cm3時，CYHS－3型增黏劑溶液對泥漿黏度幾乎沒有影響。

3)確定了黏土漿+膨潤土漿和黏土漿+增黏劑溶液在南京緯三路過江通道穿越4種砂性地層的配漿方案，并在現(xiàn)場施工中對配漿方案進行了驗證。通過回收利用穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層時儲存的高黏粒含量的泥漿，不僅解決了廢漿排放問題，還大大降低了工程成本。

本文所得到的研究結(jié)論為南京緯三路過江通道提供了部分砂卵石地層的配漿方案，減少了廢棄泥漿的排放，節(jié)約了工程成本。同時對于膨潤土、增黏劑對泥漿密度、黏度的影響有了新的認(rèn)識，可以為研究人員和現(xiàn)場施工人員提供一定的幫助。在今后的研究中需要充分考慮地層滲透性和泥漿性質(zhì)的匹配關(guān)系。

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