大直径泥水盾构弃渣中的优质泥浆再利用研究

孔玉清

（中铁十四局集团有限公司，山东济南250014）

大直径泥水盾构弃渣中的优质泥浆再利用研究

孔玉清

（中铁十四局集团有限公司，山东济南250014）

结合南京长江隧道工程，对大直径泥水盾构弃渣中的优质泥浆在卵砾地层中的再利用问题进行了室内试验研究及现场实施验证。在此基础上，提出了基于泥浆与地层匹配性的泥膜配制技术，使优质泥浆在泥水盾构施工中得以重复利用，降低了工程造价，减少了废浆排放，保护了环境。

泥水盾构；泥浆；卵砾地层；再利用

泥水盾构以循环的泥浆实现了保证开挖面稳定和出渣2种功能，因此泥浆被称为泥水盾构的血液。大直径泥水盾构隧道工程量巨大，在施工中需要使用大量的泥浆，同时由于地层的自造浆功能，也会产生大量的泥浆。泥浆的使用或者存放不当会影响施工，随意抛弃多余的泥浆也会对周围的环境造成污染。因此，有必要针对工程实际情况，研究工程中废弃泥浆的特性，以指导废弃泥浆的循环利用。

1　工程概况

南京长江隧道为双管盾构隧道，江北进口里程为K3+380.000，梅子洲出口里程为K6+854.053，总长度3 474.053 m，其中盾构段里程K3+600.000—K6+ 532.756，长度2 932.756 m。选用2台泥水加压盾构同向掘进。隧道盾构段位于隧道中部，盾构隧道内径13.30 m，外径14.50 m，衬砌厚度0.60 m。隧道覆土厚度最大30 m，最小5.5 m（始发段）。

隧道穿越场地为长江冲积平原区，主要为堤外滩地、堤内高漫滩、堤内低漫滩，长江水域及江心洲。隧道主要穿越第四系和白垩系地层，隧道场地通过部位不存在断裂或破碎带。第四系地层上部主要由第四系全新统新近沉积松散粉细砂组成，中部由第四系中密～密实粉细砂组成，下部由上更新统密实砾砂、圆砾等组成。第四系地层下伏基岩为白垩系钙质泥岩夹钙质细砂岩。隧道主要穿越地层为淤泥质粉质黏土地层、粉细砂地层、砾砂地层及圆砾地层。

表1　南京长江隧道盾构机穿越地层的颗粒粒径分布

2　废弃泥浆在卵砾地层中再利用可行性分析

根据各地层的颗粒粒径分布（见表1）和盾构穿越地层顺序，始发段的淤泥质粉质黏土地层，＜0.075 mm的颗粒占90%左右，＜0.05 mm的颗粒占50%以上，黏粒含量较高，地层自造浆能力强。该段地层占隧道总长的9.2%，约278 m，会产生近50 000 m3粉质黏土。由于地层中＜0.05 mm的颗粒泥水分离系统筛不出来，且沉淀池的有效长度有限，正常掘进时无法有效分离出这一部分颗粒。这使得流入调浆池的泥浆相对密度较大，不能直接被输送至开挖面。因此，需要把多余的黏粒含量较高的泥浆排出，择地储存。

另外，盾构机随后要穿越的粉细砂地层、砾砂地层、圆砾地层中粗粒土含量很高，达80%～90%，细粒土含量很少，地层自造浆能力较差。这部分地层的渗透系数均较大，属于高渗透地层。如果泥浆质量变差而没有及时调整，会造成泥膜形成困难，泥浆滤失量增加，增大施工风险。因此，在掘进中为保证泥浆的功能，需要补充大量的膨润土、制浆剂等，不仅成本高，而且含有高聚物制浆剂的泥浆排放会造成环境污染。

盾构先后掘进地层地质条件差异与掘进顺序上的时间差，使得废弃泥浆的再利用有了可行性。将淤泥质粉质黏土地层中多余的泥浆或黏土储存在工地旁边的鱼塘中，留作后续粉细砂、砾砂地层掘进配制泥浆时再利用。在储浆池多处取样，泥浆黏粒含量均较高，多在30%～50%左右。典型储浆池泥样的颗粒分析曲线见图1。该处泥样的黏粒含量高达50%。

图1　储浆池泥样的颗粒分析曲线

3　废弃泥浆再利用配比试验

3.1试验目的与方法

①试验目的：试验内用废浆和其他制浆材料，调配出适合盾构在粉细砂、砾砂地层掘进的泥浆，为后续施工中的调配泥浆提供基本的泥浆配比和参考。②试验材料：废弃泥浆、膨润土、制浆剂、水。③配浆方法：先以废弃泥浆和膨化1 d的膨润土浆混合，配出泥浆的相对密度在1.15～1.20，黏度要求在25 s以上；若黏度达不到要求，则采用制浆剂调整泥浆的黏度。

3.2试验过程

1）膨化膨润土泥浆。分别膨化不同浓度的膨润土泥浆，24 h后测试泥浆基本性质，见表2。选择浓度为8%，12%，15%的3组泥浆作为基浆。

2）取储浆池的泥样。从储浆池取泥样，调成相对密度1.30左右的泥浆（废浆回打时相对密度在1.28～1.35），测得泥浆黏度75 s。

3）配置混合泥浆（相对密度1.15～1.20，黏度25 s以上）。废浆分别与浓度8%，12%，15%的膨润土泥浆按体积比1∶1混合后，测得相对密度分别为1.165，1.180，1.190，黏度分别为19.53，22.18，27.54 s。浓度15%的膨润土泥浆不需要调整，而废浆与浓度8%，12%的膨润土泥浆按混合泥浆体积的0.2%添加制浆剂干粉后，测得黏度分别为40，70 s左右。利用1 m3膨润土泥浆配置不同相对密度的浆液所需废浆体积的计算公式为D×1+1.3V=d（1+V）。其中：D为不同浓度膨润土泥浆的相对密度；V为废浆体积；d为新配置浆液的相对密度（取1.15～1.20）。所需废浆体积计算结果见表3，废浆与8%，12%的膨润土泥浆按表3中体积比配置后泥浆黏度仍需通过添加制浆剂调整。

表2　膨润土泥浆基本性质（膨化24 h）

表3　不同浓度膨润土泥浆配置混合浆液需要的废浆体积

3.3在使用制浆剂时要注意的问题

1）制浆剂高温下的不稳定性问题。

施工时，南京室外温度在36～38℃。将泥浆场3 m3水配4包制浆剂（浓度约为3.23%）配制的新浆，添加到调浆池中调整泥浆的黏度。新浆刚配置出来时黏度为140 s，露天搅拌1 d后黏度降为23 s。为验证制浆剂高温下的不稳定性，选取多组泥浆在室外进行平行测定，制浆剂泥浆放置1 d后黏度降低较快，可见制浆剂泥浆在高温下放置时稳定性较差。

高分子聚合物制浆剂调整泥浆黏度的原理是高分子聚合物与泥浆中活性颗粒（主要是黏粒）发生”架桥效应”，形成团聚体等，阻碍水分子自由运动，因此提高了泥浆的黏度。高分子聚合物在高温下不稳定，分子链可能会断裂、分解。这是泥浆黏度降低的主要原因。聚合物变得不稳定后，失效的聚合物会阻碍新的聚合物与黏粒接触的机会。因此，向黏度已经降低的调浆池中继续添加制浆剂，对提高泥浆的黏度效果不明显。

当盾构机正常掘进时，由于泥浆循环较快，可以使用制浆剂泥浆；当盾构机因检修等原因较长时间停止掘进时，建议使用稳定性好的膨润土泥浆。

2）制浆剂的添加方式

采用制浆剂调制泥浆时，制浆剂的添加方式不同，效果和添加量也不同。目前常见的添加方式有直接添加制浆剂干粉和添加制浆剂溶液2种。试验室内分别对2种添加方式的效果进行测试、对比，发现相同的添加量，采用添加制浆剂溶液达到的效果优于添加干粉，且更节省添加剂。

4　废弃泥浆再利用成膜质量评价

4.1试验材料

1）泥浆材料

以现场储存的高黏粒含量的泥浆和粉土按不同比例混合，配出黏粒含量不同、相对密度相同的5组泥浆，模拟质量不同的废浆，再以CMC（羧甲基纤维素钠）溶液（与制浆剂相比，只改变泥浆黏度，不改变泥浆级配）将泥浆的黏度调得相同。泥浆的级配曲线和基本性质见图2、表4。

图2　5组泥浆的颗粒级配曲线

表4　5组泥浆的基本性质

2）试验地层

采用南京长江隧道渗透系数最大、最危险的⑩砾砂地层，渗透系数约为（3～5）×10-2cm/s。

4.2黏粒含量对泥浆物理稳定性的影响

在泥水盾构施工中，泥浆的主要作用是在开挖面形成微透水的泥膜保证开挖面的稳定，同时将掘削下来的土砂运送排放出来。泥浆要很好地发挥上述作用，良好的物理稳定性是必备特性之一，通常以置于量筒中一定量的泥浆经过一段时间的析水率来表示，析水率越小泥浆的物理稳定性越好。

在相对密度和黏度相同时，随着泥浆中黏粒含量的增加，泥浆的析水率明显减小，即泥浆的物理稳定性越来越好，见图3。黏粒含量30%以上的泥浆2 h析水率很小，不足10%；黏粒含量20%以下的泥浆2 h析水率比较大，超过了30%，会影响到泥浆的成膜质量及渣土的运送。这是由于黏土颗粒很小，沉降非常缓慢且比表面积较大，带有负电荷，分散性非常好，所以泥浆黏粒含量较高时泥浆的物理稳定性好。

图3　泥浆析水率随泥浆黏粒含量变化曲线

4.3黏粒含量对添加剂添加量的影响

本试验的泥浆增黏剂选用CMC。采用激光粒度仪测试加CMC溶液前后泥浆的级配，发现其几乎不改变泥浆的级配，仅提高了泥浆的黏度。将5组相对密度相同的泥浆调至相同黏度时，CMC干粉用量随泥浆黏粒含量变化曲线见图4。天然泥浆的黏粒含量越高，调整泥浆黏度用的增黏剂越少；黏粒含量低于20%的泥浆比黏粒含量30%以上的泥浆增黏剂用量高出2倍以上。

图4　添加剂添加量随泥浆黏粒含量变化曲线

4.4泥浆黏粒含量对泥水盾构成膜质量的影响

室内模拟南京长江隧道泥水盾构实际穿越⑩砾砂地层时高渗透性和高压力的情景，以5组黏粒含量不同的泥浆，分别在自制的泥浆渗透成膜试验装置中进行渗透成膜试验。5组泥浆滤水量随时间的变化曲线见图5。1～5号泥浆成膜时的滤水量依次增大，其中1～4号泥浆滤水量较小且在较短的时间渗透稳定，而5号泥浆滤水量比前面4组泥浆大得多且较长时间之后泥浆渗透才趋于稳定。因此，泥浆黏粒含量越大，成膜时滤水量越小，泥浆达到渗透稳定的时间越短，则泥膜形成越致密，质量越好。当黏粒含量低于20%以后，泥浆成膜的滤水量明显变大，且达到稳定的时间也变长，形成的泥膜质量也较差。

图5　泥浆滤水量随时间的变化曲线

5　工程应用情况

南京长江隧道穿越淤泥质粉质黏土地层278 m，粉细砂地层长1 978 m，砾砂地层517.5 m，圆砾地层50 m。前期盾构穿越淤泥质粉质黏土地层中产生的大量废浆，排放至附近征用的鱼塘进行存贮，穿越后续地层时将浆液抽排至泥浆池与膨润土浆液进行混合调配，制造出适合后续地层掘进的泥浆。通过该项措施，重复利用废弃泥浆约50 000 m3，既有效地解决了废浆排放问题，又节约了制浆材料。

6　结论与建议

1）泥浆的黏土颗粒含量可以作为泥水盾构掘进中泥浆调整的一个指标。施工中采用黏粒含量较高的泥浆，不仅泥浆物理稳定性好，有利于泥浆成膜和渣土运送，而且可以节约大量的增黏剂等制浆剂，既经济又环保。

2）由于制浆剂在高温下性质不稳定，因此建议：当盾构机正常掘进时，由于泥浆循环较快，可以使用制浆剂泥浆；当在盾构机检修等较长时间停止掘进时，建议使用稳定性好的膨润土泥浆。

3）使用制浆剂时，添加制浆剂溶液的效果优于直接添加干粉，制浆剂的用量也少一些，但应注意溶液现场搅拌的效果。

4）南京长江隧道掘进砾砂地层时，为保证泥浆性质稳定和成膜良好，应将泥浆的黏粒含量控制在30%以上。掘进中通过回打穿越淤泥质粉质黏土层时储存的黏土泥浆来补充泥浆黏粒，既可以节约成本，又减少了废弃泥浆占地面积。

5）由于废浆存储需要很大的场地，实施前需对周边场地进行充分调查，确定方案实施的可行性。

［1］韩晓瑞.基于泥浆与地层匹配性的泥水盾构泥膜形成规律研究［D］.南京：河海大学，2009.

［2］韩晓瑞，朱伟，刘泉维，等.泥浆性质对泥水盾构开挖面泥膜形成质量影响［J］.岩土力学，2008，29（增）：288-292.

［3］闵凡路，朱伟，王守慧，等.泥水盾构开舱时泥浆配制及泥膜形成试验研究［C］//第五届中日盾构隧道交流会论文集.成都：西南交通大学出版社，2009：559-564.

［4］范英宏，洪蔚，侯世全.京沪高速铁路废弃泥浆化学脱稳与分离处理的试验研究［J］.铁道建筑，2009（11）：59-60.

［5］范英宏，洪蔚，侯世全，等.铁路桥梁钻孔桩泥浆黏度及流变特性研究［J］.铁道建筑，2011（6）：55-57.

（责任审编李付军）

Research on Reuse of High Quality Mud from Treated Waste Muck in Construction of Tunnel with Large Diameter Slurry Shield

KONG Yuqing
（China Railway 14th Bureau Group Corporation，Jinan Shandong 250014，China）

T he paper took Nanjing Yangtze River T unnel as the study object and performed analysis，experiments and on-site verification to the reuse of high quality mud from treated waste muck in construction of tunnel with large diameter slurry shield to gravel stratum.On this basis，it proposed the technique for the preparation of mud film，well suited for the slurry and the stratum at the same time.As waste mud was properly reused in slurry shield construction，the practice helps cut the engineering cots，reduce slurry emission and protect the environment.

Slurry shield；M ud；Gravel stratum；Reuse

U455.49

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.20

1003-1995（2016）10-0075-04

2016-04-02；

2016-06-09

孔玉清（1979—），男，高级工程师。