斷層破碎帶泥水盾構(gòu)綠色泥漿試驗(yàn)研究

劉邦 ， 吳智 ， 周濤 ， 陳云 ， 周中 ， 張稱呈

（1. 中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410004；2. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410075）

0 引 言

泥水盾構(gòu)工程中，以膨潤土、水、黏土、增黏劑羧甲基纖維素（CMC）添加劑為主要成分的傳統(tǒng)泥漿因其良好的性能而被廣泛應(yīng)用于隧道施工。 然而，實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這種泥漿易對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，泥漿性能參數(shù)難以控制，且施工過程中會產(chǎn)生大量的廢漿[1]。 Heinz 發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)滲透地層中一般的膨潤土泥漿極易濾失從而引發(fā)開挖面失穩(wěn)[2]。王中華認(rèn)為目前多數(shù)泥漿所用的CMC 抗溫性能差，并且抗高價(jià)離子污染、抗鹽能力有限，在更大范圍內(nèi)應(yīng)用受到限制[3]。針對傳統(tǒng)泥漿存在的不足，韋良文等研究了聚合物和正電膠對泥漿的影響機(jī)理，并根據(jù)研究成果配制了一種新型泥漿，該新型泥漿具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性[4-5]；崔溦等采用抗鹽膨潤土代替一般的鈉基膨潤土，配制了性能良好，能抵抗海水污染的新型泥漿[6]；張子新等配制了以天然黏土、碳酸鈉、淀粉和淡水為成分的綠色泥漿，以及研究了預(yù)膠化淀粉作為添加劑其含量對泥漿性能的影響[7-8]；周中等研究了不同級配巖土復(fù)合材料的壓實(shí)效果，以及斷層破碎帶泥水盾構(gòu)施工泥漿配比問題，并分析了泥漿的適應(yīng)性[9-10]。

不同成分及配比的泥漿，性質(zhì)千差萬別。 在泥漿滲透形成泥膜及泥漿相對地層適應(yīng)性分析中，泥漿自身性質(zhì)對二者的影響也不同，一些學(xué)者也在這方面做了大量的研究[11-12]。 王森以瓜爾膠和黃原膠取代傳統(tǒng)泥漿添加劑進(jìn)行綠色環(huán)保泥漿配制并通過配比試驗(yàn)確定了瓜爾膠和黃原膠的優(yōu)選配比為3∶2[13]。 張鳳祥等研究了泥漿的比重、黏度、pH 值、界面高度等對施工中在開挖面形成泥膜的質(zhì)量影響，并確定了合理的取值[14-15]。吳志均等分析了影響泥膜質(zhì)量的主要因素， 并且求解了泥漿滲透過程中的滲透速度、泥漿濾失量及泥膜孔隙率等滲透參數(shù)[16-17]。

由以上研究可以看出，目前泥水盾構(gòu)施工中所選用的泥漿大多數(shù)都是由水、黏土、膨潤土、添加劑CMC 和Na2CO3所構(gòu)成，此種泥漿難以降解，對環(huán)境污染性強(qiáng)，廢漿量大，漿液指標(biāo)難以控制。 并且以往泥水盾構(gòu)施工所需泥漿配比一般通過控制變量法，或是根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)確定，這種確定泥漿配比的方法往往忽略了泥漿各成分間的疊加效應(yīng)， 容易造成制漿成本增加。 因此研制一種新型的綠色泥漿十分必要。本文從環(huán)保的角度出發(fā)研究一種價(jià)格低廉、綠色環(huán)保的泥漿添加劑， 并通過試驗(yàn)分析添加劑對泥漿性能指標(biāo)的影響，確保滿足施工要求，同時(shí)采用一種更加合理、全面的試驗(yàn)方法確定施工泥漿配比。研究結(jié)果可為類似工程現(xiàn)場施工提供借鑒和指導(dǎo)。

1 泥漿性能指標(biāo)試驗(yàn)測定

1.1 泥漿試驗(yàn)材料及添加劑

1）基漿材料

本試驗(yàn)采用的泥漿基漿成分包括水、 黏土、膨潤土等材料。試驗(yàn)所用黏土為施工現(xiàn)場所用的湖南地區(qū)的紅黏土， 現(xiàn)場采集后經(jīng)烘干， 篩分得到，粒徑≤0.075 mm。 膨潤土采用鈉基膨潤土。

2）綠色添加劑

本文調(diào)研了幾種綠色添加劑，并從性能、價(jià)格等方面進(jìn)行綜合對比分析， 選取了無水碳酸鈉、麥芽糊精、白糊精、卡拉膠、預(yù)膠化淀粉和CMC 六種具有一定實(shí)用性、性能良好、綠色環(huán)保、價(jià)格低廉的綠色添加劑，各添加劑參數(shù)指標(biāo)等見表1。

表1 各添加劑參數(shù)統(tǒng)計(jì)

1.2 基漿配比

泥水盾構(gòu)所選泥漿的基本配比材料包括黏土和膨潤土。參考已有斷層破碎帶泥水盾構(gòu)泥漿基本材料配比（水∶黏土∶膨潤土=720∶115∶73），通過單因素分析法分析黏土、 膨潤土對泥漿性能的影響，確定基漿配比。

1）膨潤土含量對泥漿性能的影響

分析膨潤土含量對泥漿性能的影響時(shí)，控制水和黏土的質(zhì)量比為 700∶100， 其中黏土的粒徑≤0.075 mm， 然后依次分別向漿液中加入膨潤土 15，30，45，60，75 g， 測定泥漿的三大指標(biāo)及 pH值。 不同膨潤土含量泥漿參數(shù)見表2。

由表2 可以看出，當(dāng)泥漿中水和黏土的含量一定時(shí)，隨著膨潤土含量增加，泥漿黏度不斷增加，泥漿比重也呈增加趨勢，但影響較小。 膨潤土含量與泥漿濾失量呈反比關(guān)系， 隨著泥漿濾失量逐漸減少，對應(yīng)形成的泥膜越來越致密，泥膜厚度越來越薄，可以推斷其形成泥膜的時(shí)間也越來越短。 膨潤土含量增加使得泥漿pH 值呈不斷增加的趨勢，且增加的速度較快。綜合考慮不同膨潤土含量對泥漿各參數(shù)的影響結(jié)果，為使得配制的泥漿容易形成泥膜且形成的泥膜致密良好， 初步確定水∶膨潤土=700∶80，膨潤土含量向上取整，即 75 g 取 80 g。

表2 不同膨潤土含量泥漿參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2）黏土含量對泥漿性能的影響

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，控制水∶膨潤土=700∶80，依次向漿液中加入黏土 25，50，75，100，125 g，分別測定泥漿的參數(shù)，不同黏土含量泥漿參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表3 所列。

由表3 可以看出，當(dāng)泥漿中水和膨潤土的含量一定時(shí)，隨著黏土含量增加，泥漿黏度不斷增加；隨著黏土含量增加，泥漿比重呈增加趨勢，且相關(guān)系數(shù)較?。火ね梁颗c泥漿濾失量呈反比關(guān)系， 但影響較??；膨潤土含量增加使得泥漿pH 值呈不斷減小的趨勢。 綜合考慮黏土含量對泥漿性能指標(biāo)的影響，初步確定黏土含量為125 g 向上取整即130 g。最終得到的泥漿基漿質(zhì)量配比為水∶黏土∶膨潤土=700∶130∶80。

表3 不同黏土含量泥漿參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

1.3 各添加劑對泥漿性能影響對比分析

將6 種添加劑對泥漿性能的影響進(jìn)行統(tǒng)一對比分析， 無水碳酸鈉和CMC 作為添加劑在泥漿中的用量相對其他幾種綠色添加劑很少，因此為研究方便定義無水碳酸鈉和CMC 為A 類添加劑，定義麥芽糊精、白糊精、卡拉膠和預(yù)膠化淀粉為B 類添加劑。 各添加劑對泥漿性能的影響見圖1。

由圖1 可以看出：

1） CMC 對泥漿黏度的影響最大，較小的CMC用量就會造成泥漿黏度大幅增加， 當(dāng)CMC 在泥漿中含量達(dá)到0.27%時(shí)，泥漿黏度超過了70 Pa·s。 因此，泥漿配比中CMC 用量不宜過多，否則不利于泥漿輸送。 無水碳酸鈉對泥漿黏度具有一定的影響，當(dāng)無水碳酸鈉含量增加0.22%， 泥漿黏度增大了14.73%， 泥漿中無水碳酸鈉的作用主要是為泥漿提供堿性環(huán)境?？ɡz作為一種膠體具有很強(qiáng)的黏性， 用量越多泥漿的黏度越大， 試驗(yàn)結(jié)果表明，200%的卡拉膠使得泥漿的黏度增加了70.51%，作用效果尤為明顯。麥芽糊精對泥漿黏度的影響次之，隨麥芽糊精含量增加泥漿黏度不斷提高， 若經(jīng)過合理配比， 由圖1 可知麥芽糊精泥漿漏斗黏度可以達(dá)到30～35 Pa·s。 白糊精對泥漿黏度的影響僅次于麥芽糊精， 同等條件下白糊精泥漿黏度小于麥芽糊精泥漿黏度。 預(yù)膠化淀粉對泥漿黏度有顯著的提升作用，200%的預(yù)膠化淀粉可使泥漿黏度增加107.60%。

2） 無水碳酸鈉和CMC 對泥漿比重的影響很小。隨卡拉膠含量增加，泥漿比重處于波動狀態(tài)，且波動幅度很小。麥芽糊精對泥漿黏度的影響是先增大后不斷減小， 當(dāng)泥漿中麥芽糊精的含量達(dá)到12.5%時(shí)，泥漿比重為1.141 g/cm3。白糊精對泥漿黏度的影響是先減小后波動變化，當(dāng)泥漿中白糊精的含量達(dá)到12.5%時(shí)，其比重和麥芽糊精泥漿比重相同。 預(yù)膠化淀粉對泥漿比重的影響較大，增加2 倍的預(yù)膠化淀粉后，泥漿比重較初始時(shí)候變化很大。

圖1 各添加劑對泥漿性能影響對比

3） 當(dāng)泥漿中CMC 含量增加200%， 泥漿濾失量可減小42.86%， 泥漿中CMC 含量為0.22%時(shí)，濾失量為8.40 mL。 0.22%的無水碳酸鈉使得泥漿濾失量減小57.86%， 無水碳酸鈉對泥漿濾失量的影響效果尤為明顯。泥漿濾失量隨卡拉膠含量的增加而增加。其余添加劑含量增加使得泥漿濾失量均呈減小趨勢， 其中當(dāng)泥漿中麥芽糊精含量增加160%，泥漿濾失量降低了33.77%，當(dāng)泥漿中麥芽糊精的含量達(dá)到12.5%時(shí)，泥漿濾失量為10.04 mL。當(dāng)白糊精含量增加160%， 泥漿濾失量降低了31.91%，影響效果小于麥芽糊精。 當(dāng)預(yù)膠化淀粉含量增加200%，泥漿濾失量降低了35.58%。

4） CMC 對泥漿 pH 值幾乎不產(chǎn)生影響，0.33%CMC 泥漿 pH 值處于 9～10 的區(qū)間。 微量的無水碳酸鈉可改變泥漿的pH 值，當(dāng)泥漿中無水碳酸鈉含量為0.27%時(shí)，泥漿pH 值達(dá)到10。 隨卡拉膠含量增加， 泥漿pH 值快速下降，3.19%卡拉膠泥漿pH值為7.9。 麥芽糊精和白糊精對泥漿pH 值影響很小，12.5%的麥芽糊精泥漿和白糊精泥漿pH 值均處于9～10 的區(qū)間。 預(yù)膠化淀粉對泥漿pH 值幾乎沒有影響。

2 斷層破碎帶綠色泥漿配比確定

根據(jù)分析結(jié)果，綜合考慮各添加劑對泥漿性能的影響，添加劑選用順序初步確定為：CMC＞預(yù)膠化淀粉＞無水碳酸鈉＞麥芽糊精＞白糊精＞卡拉膠。CMC 作為泥漿添加劑配制的泥漿易對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，泥漿性能參數(shù)難以控制，且施工過程中會產(chǎn)生大量的廢漿。預(yù)膠化淀粉泥漿在高溫下極易失效，發(fā)酵性強(qiáng)，耐溫性差。泥漿中加入無水碳酸鈉過多，易變成強(qiáng)堿性泥漿，會對周圍的結(jié)構(gòu)物造成腐蝕。 卡拉膠在冷水中不溶解，其具有的膠黏性使得泥漿中的微小土顆粒吸附在一起， 形成絮狀結(jié)構(gòu)，不易溶解于水，無法形成泥漿溶液。 麥芽糊精泥漿性能指標(biāo)很符合施工參數(shù)取值，且麥芽糊精發(fā)酵性很小，耐高溫，穩(wěn)定性好。白糊精同麥芽糊精的作用效果相似，但其作為泥漿添加劑得到的泥漿參數(shù)不如麥芽糊精。

因此，最終建議將麥芽糊精作為泥漿添加劑以代替?zhèn)鹘y(tǒng)泥漿添加劑，并且由圖1 可以看出，無水碳酸鈉加入量分別為 0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 g。 隨著碳酸鈉含量的增加溶液堿性增強(qiáng)，增加了水化膜厚度，提高了泥漿的交替性和穩(wěn)定性，從而降低了泥漿濾失量，碳酸鈉對泥漿濾失量的影響效果十分顯著。 隨著泥漿濾失量逐漸減少，對應(yīng)形成的泥膜越來越致密，泥膜厚度越來越薄，泥膜質(zhì)量也逐漸變好。 故考慮無水碳酸鈉含量對泥漿性能指標(biāo)的影響，初步確定無水碳酸鈉含量為2.5 g。 麥芽糊精含量分別為 50，70，90，110，130 g，泥漿黏度隨麥芽糊精含量的增加而增加， 初期作用效果較為顯著，麥芽糊精含量增加40%，泥漿黏度增加18.20%。隨后泥漿黏度增長速率相比初期有所減少。另考慮對于斷層破碎帶，泥水盾構(gòu)施工泥漿漏斗黏度一般建議取值為20～25 Pa·s， 故初步確定麥芽糊精含量為70 g。 因此泥漿配比初步確定為水∶黏土∶膨潤土∶無水碳酸鈉∶麥芽糊精=700∶130∶80∶2.5∶70。 同時(shí)基于正交試驗(yàn)原理對斷層破碎帶綠色泥漿配比做進(jìn)一步研究，以期確定合理、經(jīng)濟(jì)、方便施工的泥漿配比。

本節(jié)以水量700 g 為基礎(chǔ)，以黏土、膨潤土、無水碳酸鈉和麥芽糊精含量為4 個(gè)變量因素，各選擇5 個(gè)水平，以泥漿黏度、比重、濾失量和pH 值為考察指標(biāo)，利用 SPSS 25 進(jìn)行 L25（54）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析，見表 4。

對于斷層破碎帶，泥水盾構(gòu)施工泥漿漏斗黏度一般建議取值為20～25 Pa·s， 泥漿比重建議取值1.100～1.130，泥漿濾失量建議取值為不超過25 mL，泥漿 pH 值建議取 8～10 左右。 由表 5 可以看出，編號為ZJ-9 和ZJ-15 的泥漿參數(shù)符合所述的施工建議值。 考慮到實(shí)際施工中所需配制的泥漿應(yīng)盡量滿足經(jīng)濟(jì)、性能良好的特點(diǎn)，以兩種泥漿中各組分含量為上下限， 建議確定斷層破碎帶泥漿中各組分含量配比為水∶黏土∶膨潤土∶無水碳酸鈉∶麥芽糊精=700∶90～120∶90～110∶2～3∶30～50。

表4 正交試驗(yàn)變量取值

表5 基于正交試驗(yàn)原理泥漿配比及指標(biāo)測定

續(xù)表5 基于正交試驗(yàn)原理泥漿配比及指標(biāo)測定

3 結(jié) 論

本文針對泥水盾構(gòu)在斷層破碎帶這一強(qiáng)滲透地層施工時(shí)的綠色泥漿配比問題，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，得到的主要結(jié)論有：

1） 確定了綠色泥漿的基漿配比， 分析了6 種添加劑對泥漿性能的影響。

2） 結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果中各添加劑對泥漿性能的影響，對比分析了各添加劑的優(yōu)缺點(diǎn)，建議將麥芽糊精作為泥漿添加劑以代替?zhèn)鹘y(tǒng)泥漿添加劑。

3） 通過正交試驗(yàn)研究了各配比下的泥漿性能參數(shù)，提出了適用于斷層破碎帶泥水盾構(gòu)綠色泥漿配比為水∶黏土∶膨潤土∶無水碳酸鈉∶麥芽糊精=700∶90～120∶90～110∶2～3∶30～50。