跨海隧道泥水盾构泥浆劣化试验研究

2020-03-13孙金鑫钟小春罗近海邓有春

隧道建设(中英文) 2020年2期

孙金鑫, 钟小春, 付伟, 罗近海, 邓有春, 汪浩

(1. 河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098； 2. 中铁一局集团有限公司，陕西西安 710068)

0 引言

泥水盾构以其在水下环境施工安全、高效的优越性，越来越多地应用于国内外越江跨海隧道建设[1-2]，如日本东京湾隧道、陆丰核电海底排水隧道、南京纬三路过江通道、厦门市轨道交通2号线等工程。泥浆在携渣、维持开挖面稳定、为盾构刀盘降温等方面起着至关重要的作用，是泥水盾构安全、高效施工的关键。与内河隧道开挖不同，当采用泥水盾构工法开挖跨海隧道时，海水及含盐地层混入至泥浆中，会加速泥浆的劣化，对施工进度及安全产生不利影响，因此，有必要开展海水及含盐地层混入对泥水盾构泥浆性质影响规律的相关试验研究。

目前，针对陆域淡水环境下泥水盾构泥浆的研究较多。姜腾等[3]发现在粉细砂层采用始发段废弃淤泥质粉质黏土配制的泥浆稳定性较好，形成的泥膜致密、泥浆失水量小。王勇等[4]提出纯膨润土泥浆和纯黏土泥浆适用于渗透系数较小的细砂层，混合泥浆适用于渗透系数较大的粗砂、砾砂层，纯制浆剂溶液适用于堵漏、加固等特殊工况。翟楠楠等[5]利用漏斗黏度、滤失量和流变性能研究了膨润土添加量和CMC掺量对泥浆性能的影响。姜腾等[6]还通过室内试验研究了泥浆性质对泥膜闭气性的影响，发现随着泥浆黏度的增大，泥膜的闭气时间呈现先增大后减小的趋势，其减小原因是泥浆黏度过大导致泥浆难以渗入地层，形成的泥膜变薄且容易被气体击穿。Min等[7]发现先用低密度泥浆向开挖面渗透，再用高密度泥浆成膜，形成的泥膜质量比单独使用一种密度的泥浆成膜效果更好。以上基于陆域淡水环境下泥水盾构泥浆的研究，对海域环境下泥水盾构泥浆关键性能的研究有重要参考价值。

目前，关于海水造浆方面的研究则主要集中在海上钻井及桥梁桩基工程[8-9]。胡建平等[10]提出利用海水配浆时，必须降低钙、镁等离子质量浓度，实施黏度控制及降滤处理，方可保证海上钻进护壁作业安全。杜佳芮等[11]通过测量泥浆泌水率、黏度和电位等参数的变化研究了海水与淡水混合液造浆对泥浆及泥膜性能的影响。吕乾乾等[12]、杨振兴等[13]通过选用不同添加剂对海水泥浆改性进行室内试验研究，发现CMC和纤维素PAC可以改善海水泥浆性质。Min等[14]通过泥浆性能试验、压汞试验和电镜扫描等手段分析了海水“侵入”下泥浆及泥膜性质劣化的原因。但以上研究均存在不足：通过采用添加不同比例海水来造浆，与实际工程中先用淡水造浆然后在施工过程中海水侵入的情况有较大差别。

综上，现有针对泥浆的研究，主要是围绕陆域淡水条件下不同地层中泥浆的适用性展开，对于跨海隧道泥浆的研究集中在海水造浆对泥浆性能的影响。为此，本文依托厦门地铁3号线五缘湾站—刘五店站(五刘区间)海底隧道工程，展开与泥浆性质劣化相关的试验研究。通过膨胀指数试验分析淡水、海水及NaCl溶液膨化造浆的区别，明确利用海水及海水与淡水混合溶液造浆与盾构掘进过程中海水侵入导致淡水泥浆劣化的区别；进行海水混入淡水泥浆试验，通过向淡水泥浆中逐步混入海水，模拟泥水盾构掘进时泥浆劣化过程，研究海水入侵下泥浆性质变化规律及CMC、HS-3、HS-1等添加剂改性泥浆的作用。以期为厦门地铁3号线五刘区间泥水盾构跨海段高渗透地层泥浆配制提供依据，并为类似跨海隧道工程提供参考。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

本文试验配制泥浆时采用工程现场所用的湖北鑫强500目钠基膨润土，所用淡水为普通自来水，添加剂为CMC、HS-1、HS-3。海水取自工程所在地厦门翔安海域，海水盐度为3.4%，总矿化度为25 404.5 mg/L，密度为1.03 g/cm3，pH值为6.96，其水质分析结果见表1。

表1 海水水质分析结果

1.2 试验仪器

本研究中主要用到的仪器设备有：马尔文ζ电位仪、NB-1型泥浆比重计、100 mL量筒、1006型泥水黏度计、TG16-WS台式高速离心机、电子天平、烘箱等，其中重要仪器设备如图1所示。

1.3 试验方法

水溶液的膨胀性能是膨润土的主要物理特性之一。膨润土的黏结特性、保水特性、流变特性等均与其膨胀性能有关[15]。膨润土中的主要成分蒙脱石吸水之后，吸附在颗粒内部晶层表面的交换性阳离子扩散至水中与带负电的晶层或颗粒表面一起形成扩散双电层[16]。当膨润土泥浆中离子质量浓度增大时，会导致ζ电位下降，扩散层厚度变小[17]。本研究主要开展了膨胀指数试验和海水混入淡水泥浆试验。

1.3.1 膨胀指数试验

根据JC/T 2059—2011《膨润土膨胀指数试验方法》测定膨润土在淡水、海水及NaCl溶液中的膨胀指数。

本研究中，膨胀指数试验的步骤如下：

1)取通过0.075 mm标准筛的膨润土样品置于烘箱中，在105 ℃恒温下烘干至恒重，备用。

2)用电子天平称取干燥后的膨润土样品(2±0.01) g。

3)向100 mL量程的量筒内装90 mL淡水，然后分20次将2 g样品全部倒入量筒中。其中，每次用30 s左右向量筒中缓缓倒入0.1 g样品，间隔10 min再进行下一次添加(确保前次加入的膨润土已全部沉底)。

4)补充淡水使液面达到100 mL的标线处，用保鲜膜密封量筒。

5)静置24 h，读取沉淀物界面的量筒刻度值，记录膨润土的膨胀指数(mL/2 g)。

6)将步骤3)、4)中所用淡水换为海水及质量分数分别为1%、2%、3%、4%、5%的5组NaCl溶液，依次测量膨润土在海水及上述5组NaCl溶液中的膨胀指数。

(a) 马尔文ζ电位仪

(b) TG16-WS台式高速离心机

图1试验仪器

Fig. 1 Test instruments

然后，通过以下步骤测量泥浆ζ电位：

1)取适量上述膨胀指数试验所制溶液，搅拌20 min，静置24 h，再搅拌5 min。

2)向50 mL离心管中装40～50 mL的搅拌液用TG16-WS台式高速离心机在3 000 r/min的转速下离心分离50 min。

3)取上清液，利用马尔文ζ电位仪测试各组溶液的ζ电位。

1.3.2 海水混入淡水泥浆试验

为模拟泥水盾构掘进时，海水逐步侵入导致泥浆劣化的过程，向泥浆中添加不同质量的海水，充分搅拌后测量泥浆的性质。具体试验步骤如下：

1)按照1∶10膨水质量比(若无特别说明，文章中的水为淡水)配制泥浆，膨化24 h作为基浆备用。

2)从基浆中取泥浆，分别掺入不同比例的HS-1、HS-3、CMC，共配制9组改性泥浆，并编号。

3)从基浆中取7份泥浆，向每份泥浆中添加海水，使添加的海水质量分别达到泥浆质量的5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%。

4)静置1 h后，再充分搅拌，取样测量泥浆的基本性质。

5)将步骤3)中的基浆换为9组改性泥浆，重复步骤3)、4)。

由图6可以看出，喷浆速度从10 m/min升高到180 m/min，均衡室进口压力从-22000 Pa升高到9000 Pa左右，压力增长31000 Pa，增长幅度较大；溢流室压力从-28000 Pa降到-32500 Pa左右，压力降低4500 Pa，降低幅度较小。

通过上述试验所得泥浆的基本性质见表2。

表2 试验泥浆基本性质

注： 1)淡水的漏斗黏度为14.80 s； 2)添加剂添加比例为添加剂质量与泥浆质量的比值。下同。

2 试验结果与分析

2.1 NaCl溶液及海水对膨润土造浆的影响

膨润土在不同溶液中膨化时的膨胀指数和ζ电位见表3。膨润土在不同质量分数NaCl溶液中的膨胀指数如图2所示。

表3膨润土在不同溶液中膨化时的膨胀指数和ζ电位

Table 3 Expansion index and Zeta potential of bentonite in different solutions

试样编号NaCl质量分数/%膨胀指数/(mL/2 g)ζ电位/mV淡水021.0-51.5海水3.6-13.4P119.9-28.7P224.2-21.5P333.9-19.3P443.8-17.9P553.6-16.7

图2 膨润土在不同质量分数NaCl溶液中的膨胀指数

Fig. 2 Expansion index of bentonite in solution with different NaCl concentrations

由表3和图2可以看出，膨润土在淡水中膨胀指数为21 mL/2 g，而其在质量分数为1%的NaCl溶液中膨胀指数骤降到9.9 mL/2 g。当NaCl溶液的质量分数超过2%后，膨胀指数稳定在3.8 mL/2 g左右，说明当NaCl溶液的质量分数达到2%时，膨润土结构已基本被破坏，膨润土不能膨化。膨润土在海水中膨胀指数为3.6 mL/2 g，亦不能膨化。

膨润土在不同质量分数NaCl溶液中的ζ电位如图3所示。由表3和图3可以看出，随着NaCl质量分数的增加，膨润土泥浆ζ电位不断降低。当NaCl质量分数达到2%时， ζ电位已由淡水泥浆的-51.5 mV降低到了-21.5 mV，降幅达到了58.2%。当NaCl质量分数达到5%时， ζ电位已经降低到-16.7 mV。

图3 膨润土在不同质量分数NaCl溶液中的ζ电位

Fig. 3 Zeta potential curve of bentonite in solution with different NaCl concentrations

根据扩散双电层理论，蒙脱石表面负电荷总量不变，吸附于颗粒外表面的阳离子及双电层中阳离子共同作用，使体系电荷平衡。双电层越厚，ζ电位越高。相较于淡水造浆，利用海水或者NaCl溶液造浆时，由于溶液中阳离子质量分数高，膨润土主要矿物成分蒙脱石颗粒外表面上吸附的交换性阳离子更多，在蒙脱石表面负电荷总量不变的情况下，扩散层中维持电荷平衡所需阳离子数更少，故而只能形成较薄的双电层亦或不完整的双电层，导致膨润土颗粒仍互相接触，不能完全膨化，膨润土膨胀指数和泥浆ζ电位显著降低。由于海水中除了Na+外还有Mg2+等高价阳离子，导致扩散层中维持电荷平衡所需阳离子数更少，双电层更薄，故海水泥浆的ζ电位最低，只有-13.4 mV。

海水造浆效果与淡水造浆效果对比如图4所示。由图可以看出，利用海水造浆，膨润土几乎不能膨化，泥浆分层离析严重，造浆效果极差。

现有研究均为利用海水或淡水与海水混合溶液造浆，没有考虑其与利用淡水造浆后再添加海水的区别，但通过综合膨胀指数试验结果可以看出，利用海水或NaCl溶液造浆，膨化效果差，泥浆ζ电位低且分层离析严重。跨海隧道泥水盾构掘进时一般采用淡水造浆，泥水盾构跨海隧道工程中海水及含盐地层侵入泥浆，将导致泥浆劣化，故需进一步研究海水混入对泥浆性质的影响。

图4 海水造浆效果与淡水造浆效果对比

Fig. 4 Comparison of slurry formulated by seawater and freshwater

2.2 海水混入对淡水泥浆性质的影响

2.2.1 海水混入对泥浆漏斗黏度的影响

泥浆漏斗黏度随海水添加比例变化曲线如图5所示。由图可以看出，当海水添加比例小于20%时，泥浆漏斗黏度随海水添加下降速度快，然后趋于平缓，慢慢接近淡水的漏斗黏度。

海水添加比例为添加海水质量与泥浆质量的比值，下同。

图5泥浆漏斗黏度随海水添加比例变化曲线

Fig. 5 Variation curves of funnel viscosity of slurry with seawater addition ratio

厦门地铁3号线五刘区间泥水盾构施工时，要求泥浆漏斗黏度高于18 s。基浆和添加HS-1的3组改性泥浆，其初始漏斗黏度分别为16.50、16.62、16.69、16.62 s，均低于18 s，达不到工程应用要求。而添加HS-3及CMC改性的泥浆，其初始漏斗黏度大幅提升。例如：添加5‰HS-3的g2试验组泥浆的初始漏斗黏度为39.80 s，当海水添加比例达到20%时，泥浆漏斗黏度下降到18.22 s；添加5‰CMC的g8试验组泥浆的初始漏斗黏度达到63.00 s，当海水添加比例达到40%时，泥浆的漏斗黏度仍有17.94 s。添加剂HS-3和CMC可用于厦门地铁3号线跨海隧道泥水盾构掘进时泥浆改性。

2.2.2 改性对泥浆抗海水劣化能力的影响

由2.2.1节的分析可知，不同添加剂对泥浆抵抗海水劣化的能力明显不同。添加CMC的泥浆抵抗海水劣化的能力最强，其次是HS-3，而HS-1基本不能提高泥浆抵抗海水劣化能力。因此，选择添加3‰CMC的g7组改性泥浆和g0组基浆开展进一步的研究，逐渐向泥浆中添加海水或淡水，测试2种情形下泥浆的24 h泌水率及漏斗黏度的变化规律，结果如图6和图7所示。

图6 泥浆24 h泌水率随海水或淡水添加比例的变化曲线

Fig. 6 Variation curves of slurry bleeding rate after 24 h with seawater or freshwater addition ratio

由图6可以看出，向泥浆中添加淡水，泥浆能保持稳定，24 h泌水率始终为0。向g0组基浆中添加海水比例为10%时，即出现泌水现象；当海水质量达到泥浆质量的80%时，泥浆泌水率达到32.5%，已不适用于泥水盾构施工。而掺入3‰CMC的改性泥浆，当添加海水比例达到30%时，泥浆才开始泌水；当海水添加比例达到80%时，该组泥浆泌水率也仅为5%。

图7 3‰ CMC泥浆漏斗黏度随海水或淡水添加比例的变化曲线

Fig. 7 Variation curves of funnel viscosity of 3‰ CMC slurry with seawater addition ratio

由图7可以看出，分别向3‰CMC的泥浆中添加相同质量的淡水和海水，添加海水后泥浆的漏斗黏度下降的速度比添加淡水时快。

根据扩散双电层理论分析可知，随着海水逐步混入至膨润土泥浆中，蒙脱石双电层间的阳离子质量分数增加，膨润土颗粒双电层厚度变薄，双电层间的结合水变成自由水，泥浆易离析泌水，故而泥浆黏度快速下降。

3 工程应用

3.1 工程概况

厦门地铁3号线过海通道工程设1站2区间，其中五缘湾站—刘五店站(五刘区间)采用泥水盾构法施工，左线长1 415.218 m，右线长1 419.928 m，采用2台泥水盾构施工，线间距15～25 m，海域段长1.1 km，是目前国内最深过海地铁隧道。图8为厦门地铁3号线过海通道工程示意图。

图8 厦门地铁3号线过海通道工程示意图

Fig. 8 Schematic diagram of sea-crossing tunnel of Xiamen Metro Line 3

五刘区间采用泥水盾构法施工区间段地下水化学类型主要为Na—Cl型。由地质勘察报告可知，地下水与海水水质成分很相近。其中，在里程左CK18+815.20～CK19+390.74(575.54 m)、右CK18+589.12～CK19+390.74(801.62 m)段，隧道从渗透性较大且与海水存在贯通渗透通道的全风化带、砂土、残积砂质黏性土、圆砾中穿过。泥水盾构在上述地层掘进过程中，海水及含盐地层侵入将导致泥浆性质劣化。

3.2 工程实践

厦门地铁3号线五刘区间刚开始采用不含CMC和HS-3的普通淡水泥浆。当隧道开挖至全风化带、砂土、圆砾地层富水性好、透水性强的区段时，由于含盐地下水及地层侵入，往往掘进10环左右泥浆便劣化，变得不稳定，泥浆黏度显著降低并分层泌水。隧道穿越上述代表地层情况如图9所示。基于本文研究，可知CMC及HS-3均能有效提高泥浆抵抗海水劣化的能力，而HS-1不适合在跨海隧道泥水盾构中使用。通过反复验证，最终确定厦门地铁3号线五刘区间在上述透水性强的地层中泥浆配制方法为：1)添加1‰～1.5‰CMC和1.5‰HS-3到膨水质量比为1∶7的钠基膨润土新浆中，使泥浆漏斗黏度大于150 s。2)膨化24 h后，将新浆泵入调浆池中与旧浆混合，使泥浆密度保持在1.08～1.16 g/cm3，泥浆漏斗黏度为18～22 s。使用改良配方的泥浆后，盾构掘进时泥浆抵抗海水劣化的能力明显增强，掘进30环左右时泥浆才劣化，最终顺利穿越上述地层，未发生工程安全事故。