泥水盾构穿越高渗透性地层泥浆配制研究

2015-06-29王勇沈慧

四川水泥 2015年6期

关键词：泥水膨润土粘土

王勇沈慧

（江苏省交通科学研究院股份有限公司，南京 211112）

泥水盾构穿越高渗透性地层泥浆配制研究

王勇沈慧

（江苏省交通科学研究院股份有限公司，南京 211112）

本文从泥水盾构基本原理、泥浆的作用出发，系统地阐述了适合泥水盾构掘进用泥浆的基本性质及测定方法，泥浆材料的种类与选取原则、制配情况。该研究对类似工程中泥浆配制有重要的指导意义。

泥水盾构泥浆配制泥浆材料

1.引言

近年来，随着社会经济的高速发展和工程技术的突飞猛进，泥水盾构技术在这些大直径、长距离的水下隧道建设过程中应用越来越多。合理的泥浆材料、适宜的泥浆配比，不仅直接关系到工程成本，更有可能危及工程安全因此，进行泥水盾构施工中关键技术的研究和总结对我国的水下隧道的建设有重要的意义。

本文结合南京纬三路过江通道工程泥水盾构穿越高渗透性的砂卵石地层实例，介绍砂卵石地层的泥浆配制及注意事项。

2.工程概况及施工工艺

南京市纬三路过江通道在江中段采用左右线分离两管盾构隧道N线（北线）盾构段3537m。工程采用Φ14.93m泥水加压盾构施工。泥浆在泥水盾构施工中起保持开挖面稳定、携渣排土、冷却和润滑刀头等作用，泥浆的配制和管理也是泥水盾构工法中最重要的工序之一。因此，选择合理的泥浆材料和泥浆配比对工程的施工效果和经济成本有重要的意义。

3.泥水盾构泥浆配制基本性质指标及测定方法

泥浆被称为泥水盾构的血液，泥浆参数合理与否，不仅影响工程成本，很大程度上也影响着泥水盾构的施工安全及施工效率。泥水盾构的泥浆配制主要考虑泥浆的密度、粘度、泥浆颗粒级配、泥浆的物理稳定性、pH值等。

1）泥浆密度泥浆密度是泥水盾构施工中泥浆管理的重要指标。通常密度越大的泥浆成膜性能越好，对掘削渣土的浮力作用越大，运输渣土的效果也越好。但泥浆密度越大的泥浆其流动性会变差，流动摩阻力增加，易使泥浆运送泵超负荷运转、泥水分离难度增加。因此，泥浆要具有合适的密度，要在保证开挖面稳定和出渣能力的基础上尽量小。

2）泥浆粘度一般情况下，泥浆的粘度越大，泥膜越容易形成，泥膜质量也越好；泥浆的粘度越大，泥浆的悬浮能力越好，渣土在泥水舱底部或排泥管道中沉淀越少，泥浆的出渣能力越强。

3）泥浆颗粒级配泥浆的密度表征泥浆中固相颗粒的多少，而泥浆的颗粒级配则表征着泥浆中固相颗粒的粒径大小及比例关系。不同的地层孔隙需要不同粒径的颗粒去堵塞，所以盾构机在不同的地层中掘进时需要泥浆中具有不同级配的固相颗粒，以满足成膜的要求。目前，泥浆的级配一般由激光颗粒分析仪测得。另外，工程中也通过测定含砂量，来反映泥浆中粗颗粒的含量，进而在某种程度上反映泥浆的级配。

4）物理及化学稳定性泥浆的物理稳定性是指泥浆中固相颗粒保持浮游散悬物理状态的能力，工程中常用泥浆胶体率来衡量泥浆的物理稳定性。

化学稳定性是指泥水中混入带正电的杂质（含Ca2+、Na+、Mg2+等）时，泥浆成膜功能减退的化学劣化现象。工程中常用pH试纸来检验该指标，如图6，pH值在8-10之间的泥浆化学稳定性好。

4.泥水盾构用泥浆材料类型及泥浆的种类

泥水盾构工程中常用于制备泥浆的材料，按照主要功能可以分为造浆材料、填充材料和添加剂三大类。

1）造浆材料用于配制基础泥浆的材料，使用最多的是膨润土。膨润土中蒙脱石含量、膨胀指数是造浆材料最重要的指标，颗粒级配和含水率反映膨润土的磨制工艺，pH值反映膨润土中纯碱等的添加量。

2）填充材料主要起填充作用，用于调节泥浆中固相颗粒的粒径及泥浆的密度，常用的泥浆填充材料有粘土、粉土、粉细砂、蛭石。

3）添加剂是指除了膨润土、粘土、粉土等泥浆材料以外的一类人工合成的材料，以很少的添加量即可以改善泥浆的性能，扩展泥浆的适用范围。按照添加剂的主要功能，常用的泥浆添加剂可以分为五类：增粘剂、造浆剂、分散剂、絮凝剂、堵漏剂。

泥浆的调制需要根据泥水盾构掘进地层的工程地质条件综合考虑，选取以上三类制浆材料的一种或几种进行调制。通常情况下，纯膨润土泥浆和纯粘土泥浆适用于细砂层等渗透系数较小的地层；混合泥浆（如膨润土+制浆剂、膨润土+粘土、粘土+制浆剂）适用于粗砂、砾砂层等渗透系数较大的地层；纯制浆剂溶液（如CMC浆、水玻璃、堵漏剂泥浆）适用于堵漏、加固等特殊工况。

5.南京纬三路过江通道泥水盾构穿越砂卵石地层泥浆配制实例

南京纬三路过江通道穿越地层上部为填土和第四系全新统冲淤积流塑淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉土、粉砂等，中部为第四系全新统中密～密实粉细砂组成，下部为上更新统密实状砾砂、圆砾等；岩石地层主要为白垩系泥岩、粉砂质泥岩。从上述地质条件，盾构所穿越的粗砂地层、砾砂地层及圆砾卵石地层属于高渗透地层，加上开挖面岩性有明显差异、上下软硬不均，掘进参数控制极为复杂，在开挖面难以形成稳定的泥膜，难以维持开挖面的稳定，稍有不慎，极易出现塌方冒顶、浆液漏失。因此，本工程需要根据砾砂地层的特点，同时考虑开挖面优质泥膜的形成条件和泥水输送设备的输渣能力，综合确定泥浆的性能参数。考虑到地层的粘粒含量少（约为5%左右），且地层的渗透系数达到3.4×10-4m/s，掘进过程中泥浆滤失量较多，因此，泥浆中需要有一定量的粘土粉土颗粒。

过程1：取回浆池泥浆，测得比重为1.08g/cm3,马氏漏斗粘度为23秒。

过程2：取膨润原土做颗粒分析试验

膨润土颗粒粒径分析

其中，d15=5.9μm，d50=20.9μm，d85=43.9μm

过程3：在回浆池中加入原土及增粘剂后测得指标如下∶

比重为1.18，马式漏斗粘度为27秒。

该泥浆小于5µm的粘粒含量占40%左右，小于75µm的颗粒占到98%。

在实验室内的滤失量为10-20m3/h，实际施工中，根据压力舱中泥浆液位的下降量推算得，泥浆实际的滤失量约为16-22m3/h。从压力舱前方拍摄到的泥膜的照片来看，该泥浆在砂卵石地层中形成了致密的泥膜。可见，在南京纬三路过江通道砂卵石地层中，以膨润土为主要的造浆材料，辅以粘土和增粘性添加剂在工程中应用良好，保证了施工的顺利进行。