泥水盾构施工中的新型泥浆应用研究

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

0 引言

伴随各国对城市交通基础设施建设投资的持续大力投入，国内外已兴建了许多大型跨海越江盾构隧道工程（如日本东京湾海底隧道、荷兰“绿心隧道”、武汉长江隧道、南京长江隧道等），大直径隧道已经成为隧道工程发展的趋势之一[1]。泥水盾构施工技术因具有无需特殊土体改良、地质适应性强、依靠泥水在开挖面形成泥膜抵抗土水压力、开挖面稳定性高等优点，在城市大型隧道及大型过江过河隧道修建中均得到了广泛应用，如上海地区已经建成的上海长江隧道、大连路隧道、复兴东路隧道等[2]，都属于泥水盾构隧道。

1 泥水平衡盾构工作原理

泥水平衡盾构的工作原理主要在盾构机前部刀盘后设置隔板，在刀盘和隔板之间形成一个密封的泥水压力室，盾构掘进施工时将加压的泥水输送到泥水压力室；泥水在一定压力下在开挖面上形成一层泥膜，平衡开挖面的水土压力。与此同时，刀盘在泥水环境中旋转切削和推进，切削下的土体与泥水压力室内的泥水混合形成高浓度的泥水，然后由泥水泵抽出并经排泥管道输送到地面。同时，新鲜泥水通过循环的泥水系统处理添加，保持开挖面的平衡稳定性并控制地面沉降。

2 泥水盾构泥浆作用

泥浆在泥水盾构掘进施工过程中具有重要作用，泥浆犹如泥水盾构掘进的血液，泥浆循环停止，泥水盾构掘进工作就不能进行。泥浆在泥水盾构施工中的作用主要是维持开挖面稳定和携带土渣出地面。

2.1 维持开挖面稳定

泥浆维持泥水盾构开挖面稳定主要依靠泥浆平衡开挖面土压力和水压力。首先泥浆作为流体，其压力类似水压，为平衡水压力必须要求泥浆压力大于开挖面水压力；其次在开挖面上形成不（微）透水的泥膜，将部分泥浆压力转化为作用在开挖面上的有效应力以平衡开挖面土压力，因此开挖面上不透水泥膜的形成是核心因素。此外，泥浆渗透到开挖面前方一定范围的地层中，增强了土体黏聚力。

2.2 携带土渣

泥水与掘削下来的渣土在泥水仓内混合、搅拌之后，泥水悬浮裹挟渣土并保持一定的流动性，由排泥管送至地面盾构泥水处理系统。

3 泥水盾构新型泥浆工程应用进展

泥浆作为泥水盾构的“血液”，其性能质量的好坏将直接影响隧道盾构施工的速度及安全。新型的泥水盾构隧道泥浆体系的研发与应用，将推动泥水盾构隧道工程进一步发展。

目前，国内外泥水盾构隧道大多采用由自然黏土、膨润土、水、外加剂（CMC）所组成的分散泥浆体系。该泥浆体系具有以下显著缺点[3]：废弃泥浆排放量大、环境污染严重、泥浆性能评价指标不易控制、新浆制作材料用量大等。此外，在复杂地质情况和泥水盾构推进速度较快时，开挖面稳定性和地面沉降较难控制。

为此，针对分散泥浆体系的以上缺点，泥水盾构工程中为节约材料、保护环境，研发了不分散泥浆体系，并应用于泥水盾构施工。

上海复兴东路越江隧道南线工程首次成功应用PMS泥浆[4,5]。PMS泥水体系是典型的不分散体系，泥浆使用高分子聚合物（相对分子质量为1.5×107的高分子、相对分子质量为1×106的中分子、相对分子质量为2×105的小分子合理配置）和带正电荷的MMH正电胶、高分子聚合物对盾构泥水压力室中的切削土体与泥水形成的高浓度混合物进行选择性化学絮凝，得到净化泥浆和劣化泥浆；MMH正电胶与净化泥浆形成复合体，使泥浆具有良好的剪切稀释特性和一定结构强度，便于携带和悬浮土渣。在复兴东路越江隧道南线工程的成功应用表明：PMS泥水体系的泥水废浆排放量少，抑制黏土地层分散能力强，可在砂土层中形成网状结构，开挖面稳定性强。

杨继范[6]针对泥水盾构的特点，开发了一种新的聚合物正电胶盾构泥水体系（Polymer-MMH Shield Slurry System）。新型泥浆体系采用高分子聚合物和MMH正电胶制备及泥浆固控工艺，应用于复兴东路隧道工程南线隧道641～804环工程性试验。聚合物正电胶盾构泥水体系也是一种不分散泥水体系，具有泥膜质量好、泥水性能稳定、不容易受黏土、泥沙和可溶性盐类等的污染的典型特点。工程性试验表明：新型泥浆体系可快速形成泥膜，提高盾构推进速度，减少刀盘扭矩和同步注浆量，降低了工程成本；针对上海地区地层特性，该泥浆体系具有较好的地层适应性，较好地抑制⑤土层造浆、弃浆现象，解决了⑥土层堵管情况，堵塞②土层孔隙，克服了浅表杂填土层的冒浆和地面沉降控制问题；新型泥浆体系减少了泥水废浆排放，实现了泥水零排放，降低了盾构泥水成本，保护了环境。

黄德中[7]针对上海软土层的特点，研制了新型不分散泥水材料，其组分主要包括水、活性颗粒、化学处理剂，该材料具有不分散性、触变性、抑制性和携带性的特点，具体表现在不同施工阶段造浆能力强，在黏土层有强的网结能力和抑制分散能力，在砂土层要有强的网结能力和增黏效果，并适用于不同土层、不同孔隙的封堵能力等。该泥浆成功应用于上海上中路越江隧道，应用表明：经过循环后泥水黏度值基本不变，泥浆回收率达到90%以上。

张子新等[8]发明了一类特殊的泥水盾构穿越砂质地层的绿色泥浆，该泥浆的主要组分包括普通水、增效土（天然黏土）、淀粉和微量固体碱。该泥浆主要利用了淀粉的胶凝化特性，克服了不分散泥浆体系中废弃泥浆降解难度大和添加化合物和聚合物多， 容易造成较严重的水土环境污染的缺点。此新型绿色泥浆材料来源广泛、抗污染能力强、无化学添加、绿色无污染。同时，试验结果表明绿色泥浆具有良好的力学特性，在不同地层和应力状态下泥膜形成迅速、结构致密、抗渗能力强、泥浆压力转化为有效应力范围广，有利于维持开挖面稳定。

4 结语

本文简要介绍了泥水盾构的原理和泥浆体系的作用，详细论述了泥水盾构新型泥浆体系的特点，主要结论如下：

1）目前，泥水盾构泥浆体系在我国仍是一个新的领域，新型泥水盾构隧道泥浆体系的研发与应用，将推动我国泥水盾构施工取得长足发展。

2）不分散泥浆体系是目前泥水盾构施工中应用较广泛的一种体系，但是也具有废弃泥浆降解难度大和添加化合物和聚合物多， 容易造成较严重的水土环境污染的缺点。

3）应针对不同地区地层特性，满足土木工程建造领域“绿色、节能、安全、高效”的实践要求，研发新型绿色泥浆，实现泥浆处理的污染零排放和泥浆处理产物的再利用。