压滤泥饼调制泥浆及其在砂层渣土改良中的应用研究

游 智，钟小春，张 洋，孙金鑫

(河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210000)

二十一世纪以来，盾构法施工技术在我国隧道建设领域中得到了飞速发展，泥水平衡盾构法施工因其良好的地层适应性被广泛采用，目前大多数的越海越江大直径隧道都采用泥水平衡盾构法进行施工[1]。随着社会对环保节能要求的不断提高，对泥水平衡盾构泥浆系统的弃浆处理提出了更高的要求[2-3]。压滤机和泥水系统相结合，利用压滤机处理盾构掘进产生的弃浆的方法近年来逐渐被推广利用[4-5]。经压滤产生的大量泥饼，若采用丢弃的方式处理，不仅运输成本高，对环境也有很大污染。若能进一步处理，将其调制成泥浆，并能为邻近区间土压平衡盾构施工砂层渣土改良所用，这样“变废为宝”，不仅保护环境，减少浪费，还能保障土压盾构顺利掘进，节约工程成本，具有较好的社会效益和经济效益。

对于土压平衡盾构的砂层渣土改良，国内外学者进行了大量研究。目前常用的砂层渣土改良剂有水、泡沫剂、膨润土泥浆等。Psomas等[6]在试验中对盾构施工中砂层加入泡沫进行改良，发现加入泡沫后的混合砂抗剪强度和渗透系数大大减小。胡长明等[7]发现采用浓度为1∶10膨润土泥浆，控制泥浆体积掺入比为1∶5进行掘进施工时，渣土呈比较理想的流塑态，螺旋机排土顺畅且推进速度有所提升，刀盘的磨损程度明显减小。

在利用工程废弃材料改良渣土方面，也有学者进行了尝试。王大永等[8]在哈尔滨地铁3号线沿江车站区间盾构穿越富水砂层时，利用膨润土掺加暗挖区间开挖的黏土改良渣土，效果与利用纯膨润土泥浆改良相似。目前，关于如何利用压滤泥饼调制泥浆进而改良渣土的研究还是很少，工程实践中也鲜有尝试。本文通过一系列室内试验，从泥浆的性质及用其改良渣土的效果两方面，探究利用压滤泥饼调制满足砂层渣土改良需要的泥浆的可行性及方法。

1 压滤泥饼调制泥浆试验

土压平衡盾构施工中，用于渣土改良泥浆应具有合理范围内的密度和粘度以保证改良效果，同时也应具有较好的稳定性，使其便于拌制及运输。下面就泥浆的密度控制、粘度控制、稳定性控制三个方面，开展压滤泥饼调制泥浆的试验研究。

1.1 压滤泥饼调制泥浆的密度控制

根据之前有关渣土改良的研究，为了达到砂性土地层渣土改良的效果，其泥浆掺入量一般需要达到渣土质量的15%～25%[9]。为了减少泥浆的掺入量，可以通过提高泥饼调制泥浆的密度来实现[10]。压滤泥饼如图1，用其调制泥浆的试验结果如表1所示。

图1 压滤泥饼Fig.1 Filter cake

从表1中可看出，泥浆苏氏粘度与泥浆密度密切相关。当泥浆密度达到1.365 g/cm3以上时，泥浆流动性较低，不便于泥浆拌制和运输。因此，为满足渣土改良的要求，且考虑到减少泥浆的掺入量，压滤泥饼调制的泥浆密度宜控制在1.29～1.34 g/cm3。

表1 压滤泥饼调制泥浆性能试验

现场进行压滤泥饼拌制泥浆时，泥饼与水的掺入质量比与拌制泥浆的密度、泥饼的含水率有很大的关系。为此需要进行泥浆的二相体分析，建立相关物理模型，通过计算分析得到泥饼与水的掺入质量比、拌制泥浆的密度、泥饼的含水率三者之间的关系如公式(1)。

(1)

式中，m——单位质量的泥饼所需掺入水的质量，ρ——拌制泥浆的密度，w——压滤泥饼的含水率，Gs——泥浆颗粒比重。

依据上述物理模型的计算结果，可以得到泥饼与水的掺入质量比与拌制泥浆的密度、泥饼的含水率的关系曲线如图2所示。根据此理论计算结果，可以再结合现场实际情况，确定拌制泥浆时泥饼与水的质量掺入比。

图2 压滤泥饼拌制泥浆时泥饼与水掺入比变化曲线Fig.2 Relationship between mixing ratio of mud cake and water when filter cake is mixed with mud

1.2 压滤泥饼调制泥浆的稳定性控制

在调制泥浆的过程中发现，采用纯泥饼调制的泥浆稳定性较差，长时间静置会出现明显的泌水和分层现象，因此需要对其进行进一步改良，并进行稳定性试验。

在密度分别为1.29 g/cm3和1.34 g/cm3的纯泥饼调制泥浆中，分别掺入钠基膨润土、钙基膨润土(混入碳酸钠分散剂)、CMC溶液(质量含量1‰)对其进行改良，用激光粒度分析仪测得其不同粒径颗粒含量变化如图3所示。

内部控制体系是企业根据经营管理和发展需要，利用内部因分工产生的相互联系、相互牵制的内在关系而形成的，包含一系列具有控制职能的制度、措施、程序等在内的运行系统。其目的是为了保证经济资源的安全完整、经济信息的正确可靠、经营行为的合理合法、经济活动的有序进行，以及经营风险的有效规避。内部控制体系的核心内容是内部控制，其包含内部环境、风险评估、控制活动、信息与沟通、内部监督五大要素。目前，我国大部分企业的内控体系建设，都逐步确立了以“内部环境为重要基础、风险评估为重要环节、控制活动为重要手段、信息与沟通为重要条件、内部监督为重要保证”的内部控制框架。

图3 掺入不同外加剂泥浆颗粒粒径变化情况Fig.3 Variation of particle size of mud mixed with different additives

从图3可以发现，掺入不同外加剂后泥浆的最小粒径(D3)均有不同程度减小；掺入钠基膨润土后，泥浆的平均粒径(D50)明显减小；掺入钙基膨润土和CMC溶液的泥浆平均粒径(D50)无明显变化，而最大粒径(D97)明显增大。将掺入不同外加剂的泥浆静置12 h后，观察其泌水率，结果见图4、图5、图6。

图4 密度1.29 g/cm3泥浆掺入不同外加剂的稳定性试验Fig.4 Stability test of 1.29 g/cm3 mud mixed with different additives

图5 密度1.34 g/cm3泥浆掺入不同外加剂的稳定性试验Fig.5 Stability test of 1.34 g/cm3 mud mixed with different additives

图6 掺入不同外加剂泥浆稳定性对比Fig.6 Stability comparison of mud mixed with different additives

试验发现，掺入不同的外加剂对泥浆的稳定性有明显影响，掺入钠基膨润土的泥浆，其泌水率明显下降，当掺入量达到泥浆质量的1.7%时，泌水率降低至2.5%，当掺入量达到泥浆质量的3.4%时，泌水率降低至1%以下，几乎看不到水层，泥浆表现出很好的稳定性；掺入钙基膨润土对泥浆稳定性的改良效果不明显；掺入CMC溶液甚至会使泥浆泌水率增大、稳定性变差。

根据试验结果，掺入钠基膨润土对泥浆稳定性的改良效果最好。针对掺入钠基膨润土的泥浆，为了达到渣土改良需要满足的粘度，需进一步进行泥浆的粘度性能控制试验。

1.3 压滤泥饼调制泥浆的粘度控制

在密度分别为1.29 g/cm3和1.34 g/cm3的泥浆中掺入泥浆质量的1.7%、3.4%、5.1%的钠基膨润土，充分搅拌10 min，静置24 h后，其粘度性能数据见表2。

从表2中可以看出，掺入钠基膨润土后泥浆改良后的粘度明显提高，由于苏氏漏斗粘度测试范围有限，进一步开展泥浆的塑性旋转粘度试验，试验仪器如图7所示。

表2 掺入钠基膨润土改良后的泥浆粘度性能

图7 NXS-11B旋转粘度计Fig.7 NXS-11B rotational viscometer

试验结果如图8、图9所示，根据试验结果可以看出，密度为1.29 g/cm3和1.34 g/cm3的泥浆中掺入其质量3.4%以上的钠基膨润土，其泥浆粘度得到了大幅度提高，效果显著，可以满足砂层渣土改良的需要。考虑到现场施工中涉及大浆液流动性的问题，可以在本试验结果的基础上进一步开展试配试验，掺入钠基膨润土质量在3%～5%之间。

图8 密度为1.29 g/cm3纯泥饼拌制的泥浆改良后塑性粘度曲线Fig.8 Plastic viscosity curve of mud mixed with 1.29 g/cm3 pure mud cake

图9 密度为1.34 g/cm3纯泥饼拌制的泥浆改良后塑性粘度曲线Fig.9 Plastic viscosity curve of mud mixed with 1.34 g/cm3 pure mud cake

2 砂土改良试验

图10 中粗砂样本颗粒级配曲线Fig.10 Grain size distribution curve of medium coarse sand sample

2.1 流动性试验

在配制好的砂层土样中，分别掺入不同量的水和调制好的泥浆，研究分析其流动性随掺水量和掺泥浆量的变化情况。

本试验砂土和水及泥浆混合物的流动性通过塌落度和跳桌流动度来综合评价。试验方法依据为GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》，试验仪器如图11所示，试验结果见图12、图13。

图11 流动性试验Fig.11 Fluidity test

图12 掺入不同水量渣土流动性变化情况Fig.12 Fluidity change of slag soil mixed with different amount of water

图13 掺入不同泥浆量渣土塌落度变化情况Fig.13 Variation of slump of slag soil mixed with different amount of mud

试验发现，随着掺入水量的增加，砂土流动性明显提高，当掺入渣土质量的14%以上的水时，水-砂土混合物塌落度和跳桌流动度均能达到100 mm以上，呈现较好的流动状态；掺入调制的泥浆后，水-砂土-泥浆混合物的流动性和整体性进一步提高；当掺入渣土质量的6%以上的泥浆时，改良后的渣土呈较好的流塑状态。

2.2 渗透试验

渗透试验的目的是分析砂土地层渣土改良前后的渗透系数变化情况，确保改良后的渣土能满足盾构施工要求[13-14]。本试验利用的是空压机+可密闭渗透仪组成的带压渗透仪装置，装置及试验过程如图14所示。其中，空压机提供的气压可以换算成常水头渗透试验的水头高度，渗透系数按照式(2)计算。

图14 带压渗透试验Fig.14 Permeability test under pressure

(2)

式中，k——渗透系，m/s；V——渗出水的体积，m3；L——渣土的高度，m；A——渗流横截面面积，m2；H1,H2——水头高度，m；H3——气压换算水头高度，m；t——渗流时间，s。

掺入不同量泥浆渣土的渗透系数见表3。根据试验结果，未掺入泥浆的渣土渗透性较强，渗透系数达到2.33×10-2，掺入调制的泥浆后，渗透系数明显下降，达到10-4数量级，可以满足土压平衡盾构施工的要求[15-17]。试验发现，当掺入泥浆量达到6%以上，随着泥浆掺入量的增加，渣土泥浆混合物的渗透性降低程度逐渐减缓。综合考虑改良效果和经济性，泥浆最优掺入量为渣土质量的6%～10%。

表3 掺入不同量泥浆渣土的渗透系数(单位：cm/s)

实际施工过程中，盾构机穿越全断面中粗砂地层时，单采用泡沫剂进行渣土改良时，盾构机推力达到40 000 kN左右，刀盘扭矩达到12 000 kN·m，刀具磨损较为严重，并且渣土易排水固结，引发在土舱及螺旋机内“结泥饼”现象，后果严重时会导致盾构机无法顺利排土，掘进困难[18-21]。采用泡沫剂+调制泥浆进行渣土改良，盾构机推力和刀盘扭矩均能下降20%以上，螺旋机排土顺畅，推进速度也有所提高且稳定。因此，从实际施工的情况来看，利用泥水平衡盾构压滤泥饼调制泥浆，用于土压平衡盾构砂层渣土改良，能取得不错的效果，同时节约了工程成本，保护了环境。

3 结论

1)利用泥水平衡盾构压滤泥饼调制泥浆用于土压平衡盾构渣土改良时，泥浆密度宜为1.29～1.34 g/cm3。密度过小则泥浆掺入量过大，不经济；密度过大则泥浆粘度过大，流动性较差甚至无法流动，在施工中无法运输和使用。

2)压滤泥饼调制泥浆，若不掺入外加剂，泥浆泌水率较大，稳定性较差，不便于施工。比较掺入钠基膨润土、钙基膨润土、CMC溶液(质量含量1‰)三种外加剂效果，钠基膨润土对其稳定性提高作用明显，当掺入3%质量以上的钠基膨润土时，静置24 h以上，泌水率降到1%以下，浆体几乎没有水层，具有较好的稳定性。

3)掺入钠基膨润土对调制泥浆粘度的提高有明显效果，掺入泥浆质量3.4%以上的钠基膨润土时，泥浆粘度大幅提高，效果显著。实际施工中，考虑到现场涉及大浆液流动性的问题，可以在钠基膨润土掺入量3%～5%范围内进一步开展试配试验，以进一步明确钠基膨润土的掺入量。

4)将利用压滤泥饼配制的密度为1.34 g/cm3并掺入4%质量钠基膨润土的泥浆，运用到土压平衡盾构中粗砂地层渣土改良中，取得了不错的效果。泥浆掺入量仅需达到渣土质量的6%～10%，就可以接近纯膨润土泥浆的改良效果，渣土呈现较好的流动性和较低的渗透性，能满足施工要求。

5)在使用压滤机处理泥水平衡盾构弃浆的基础上，进一步考虑如何利用压滤泥饼调制泥浆，并运用到临近区间土压平衡盾构施工中，是一个泥浆废弃物回收利用的节能环保新思路，有一定的参考价值。