一種新型泥水盾構(gòu)綠色泥漿配制及其性能研究

張稱呈

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司隧道院，湖北 武漢 430063)

0 引言

隨著我國城市化的不斷發(fā)展，地鐵運(yùn)輸成為緩解城市交通擁擠問題行之有效的途徑。泥水盾構(gòu)法以其施工質(zhì)量好、效率高、能有效控制地面沉降等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于地鐵建設(shè)中[1]。然而，泥水盾構(gòu)在施工中也暴露出一些問題，傳統(tǒng)泥水盾構(gòu)泥漿的主要成分為自然黏土、膨潤土、水和其他化合物如增黏劑CMC，這種泥漿降解難度大，泥漿性能參數(shù)難以控制，且施工過程中會(huì)產(chǎn)生大量廢漿，泥漿在滲透過程中易造成水土污染，特別在水質(zhì)要求高的地區(qū)容易污染地下飲用水，對(duì)人體造成危害。針對(duì)傳統(tǒng)泥漿存在的不足，國內(nèi)外學(xué)者圍繞泥漿添加劑及配合比對(duì)泥漿進(jìn)行了一系列研究：韋良文等[2-3]研究了聚合物和正電膠對(duì)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，能迅速形成質(zhì)量較好的泥膜。Heinzti[4]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聚合物對(duì)膨潤土泥漿的流動(dòng)性有很大影響，小顆粒泥漿漿液在粉砂土地層中滲透性更強(qiáng)。Fritz[5]通過泥水加壓模擬試驗(yàn)得到：在泥漿中加入0.7～4mm的蛭石，適量粒徑<1mm的細(xì)砂及少量的高分子聚合物添加劑，有助于泥漿在強(qiáng)滲透地層中形成質(zhì)量較好的泥膜。王春河等[6]提出了一種以廢棄泥漿為原料，以高分子材料為添加劑，通過試驗(yàn)配合比調(diào)制出新的盾構(gòu)泥漿，該新型泥漿在復(fù)雜地層泥水盾構(gòu)施工中應(yīng)用效果良好。張子新等[7]研究發(fā)現(xiàn)了以天然黏土、碳酸鈉、淀粉和淡水為成分的綠色泥漿，并通過微觀試驗(yàn)研究了該綠色泥漿在復(fù)雜應(yīng)力下的力學(xué)特性變化，發(fā)現(xiàn)該綠色泥漿形成泥膜時(shí)間短，致密性好。蔣龍[8]基于砂土懸浮試驗(yàn)研究了泥漿配制中黏土和膨潤土的最佳比例，并分析了聚丙烯酸鈉等6種添加劑對(duì)泥漿性能指標(biāo)的影響。王廷等[9]以預(yù)膠化淀粉為添加劑，采用正交試驗(yàn)的方法研究了預(yù)膠化淀粉含量對(duì)泥漿性能的影響，并通過泥漿滲透試驗(yàn)裝置研究了泥漿在地層中的滲透現(xiàn)象及規(guī)律，分析了泥漿的適應(yīng)性。王森[10]以瓜爾膠和黃原膠作為泥漿添加劑，分析了不同添加劑含量對(duì)泥漿性能的影響及綠色泥漿在砂土地層中的滲透規(guī)律和適應(yīng)性。黃小龍[11]以海底隧道項(xiàng)目為工程背景，提出了一種新型的綠色抗鹽泥漿。周中等[12]研究了斷層破碎帶泥水盾構(gòu)施工泥漿配比問題，并利用室內(nèi)模型試驗(yàn)分析了泥漿的適應(yīng)性。

1 綠色泥漿基漿配制研究

綠色泥漿配制的首要環(huán)節(jié)是確定綠色泥漿添加劑。泥漿添加劑是泥漿的重要組成成分，其在泥漿中的含量相對(duì)較小，但其對(duì)泥漿性能的作用效果十分顯著，許多泥漿特性指標(biāo)的調(diào)節(jié)均需要通過添加劑來實(shí)現(xiàn)。目前，國內(nèi)外的泥水盾構(gòu)隧道廣泛采用CMC作為泥漿添加劑。但使用該種添加劑泥漿性能參數(shù)難以控制、廢漿處理成本高、制漿材料用量過多，對(duì)環(huán)境污染性強(qiáng)。因此，研究對(duì)環(huán)境友好無污染、節(jié)約材料且對(duì)地層適應(yīng)性好的綠色泥漿添加劑具有十分重要的意義。白糊精是淀粉原料在高溫高壓下蒸煮得到的產(chǎn)品，是一種對(duì)環(huán)境綠色無污染的材料。白糊精通常為黃白色粉末，易溶于水，水溶液具有很強(qiáng)的黏性，常用作穩(wěn)定劑和增稠劑，可作為很好的泥漿添加劑。

泥水盾構(gòu)所選泥漿的基本配合比材料包括黏土和膨潤土。參考已有強(qiáng)滲透地層泥水盾構(gòu)泥漿基本材料配合比：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(duì)泥漿性能的影響，確定基漿配合比。

1.1 膨潤土含量對(duì)泥漿性能的影響

分析膨潤土含量對(duì)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≤0.075mm，然后依次分別向漿液中加入膨潤土15，30，45，60，75g，測(cè)定泥漿指標(biāo)，如圖1～4所示。

圖1 膨潤土含量對(duì)泥漿黏度的影響

圖2 膨潤土含量對(duì)泥漿密度的影響

圖3 膨潤土含量對(duì)泥漿濾失量的影響

圖4 膨潤土含量對(duì)泥漿pH值的影響

由上圖可知，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、密度、pH值不斷增加，泥漿濾失量逐漸減小，膨潤土含量對(duì)泥漿密度的影響很小。隨著泥漿濾失量逐漸減少，對(duì)應(yīng)形成的泥膜越來越致密，泥膜厚度越來越薄。

結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮不同膨潤土含量對(duì)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∶75。

1.2 黏土含量對(duì)泥漿性能的影響

根據(jù)1.1節(jié)中的試驗(yàn)結(jié)果，控制水∶膨潤土=700∶75，依次向漿液中加入黏土25，50，75，100，125g，分別測(cè)定泥漿的參數(shù)，如圖5～8所示。

圖5 黏土含量對(duì)泥漿黏度的影響

圖6 黏土含量對(duì)泥漿密度的影響

圖7 黏土含量對(duì)泥漿濾失量的影響

圖8 黏土含量對(duì)泥漿pH值的影響

由上圖可知，隨著黏土含量增加，泥漿黏度出現(xiàn)了明顯的增加，泥漿濾失量、pH值逐漸減??；黏土含量與泥漿密度呈正相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)很小。黏土對(duì)泥漿濾失量的影響很小，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各組泥漿對(duì)應(yīng)形成的泥膜厚度差距很小。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，考慮黏土含量對(duì)泥漿性能指標(biāo)的影響，初步確定黏土含量為125g。最終得到的泥漿基漿質(zhì)量配合比為水∶黏土∶膨潤土=700∶125∶75。

2 綠色泥漿性能研究

泥水盾構(gòu)泥漿配制中通常加入一些添加劑來增強(qiáng)泥漿的黏性、密度或穩(wěn)定性，改善泥漿的性能，以便于泥漿在開挖面滲透時(shí)快速形成泥膜。本節(jié)通過在泥漿中引入無水碳酸鈉和CMC，研究綠色泥漿性能變化。根據(jù)1.2節(jié)得出的基漿配合比，控制水∶黏土∶膨潤土=700∶125∶75，然后分別向泥漿溶液中加入無水碳酸鈉0.5，1.0，1.5，2.0，2.5g，研究無水碳酸鈉含量對(duì)泥漿性能的影響，如圖9～12所示。

圖9 無水碳酸鈉含量對(duì)泥漿黏度的影響

圖10 無水碳酸鈉含量對(duì)泥漿密度的影響

圖11 無水碳酸鈉含量對(duì)泥漿濾失量的影響

圖12 無水碳酸鈉含量對(duì)泥漿pH值的影響

由上圖可知，隨碳酸鈉含量的增加，泥漿黏度、密度、pH值逐漸變大，濾失量逐漸減小，對(duì)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。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，考慮無水碳酸鈉含量對(duì)泥漿性能指標(biāo)的影響，初步確定無水碳酸鈉含量為2.5g。最終得到的泥漿質(zhì)量配合比為水∶黏土∶膨潤土∶無水碳酸鈉=700∶125∶75∶2.5。

同上述研究方法，控制泥漿配合比水∶黏土∶膨潤土∶無水碳酸鈉=700∶125∶75∶2.5，按此配合比分別加入白糊精50，70，90，110，130g，分析白糊精對(duì)泥漿性能的影響，如圖13～16所示。

圖13 白糊精含量對(duì)泥漿黏度的影響

圖14 白糊精含量對(duì)泥漿密度的影響

圖15 白糊精含量對(duì)泥漿濾失量的影響

圖16 白糊精含量對(duì)泥漿pH值的影響

由上圖可知，泥漿黏度隨白糊精含量的增加而增加；初期加入白糊精后，泥漿密度急劇減小，隨后隨著白糊精含量的增加，泥漿密度處于不斷波動(dòng)狀態(tài)，且波動(dòng)幅度較小。白糊精含量的增加引起泥漿濾失量大幅降低，白糊精對(duì)泥漿pH值影響很小，pH值變化范圍不超過0.1。白糊精能有效地改善泥漿性能，12.4%的白糊精泥漿pH值為9.4，密度為1.141g/cm3，濾失量為12.46ml，黏度為25.93s，且白糊精泥漿形成的各泥膜表面光滑致密，泥膜厚度均很薄。

綜合上述的試驗(yàn)結(jié)果及其分析，初步確定適用于砂卵石地層的綠色泥漿質(zhì)量配合比為水∶黏土∶膨潤土∶無水碳酸鈉∶白糊精=700∶125∶75∶2.5∶110。

3 綠色泥漿在砂卵石地層中的滲透性能研究

本節(jié)利用自行設(shè)計(jì)改進(jìn)的泥漿滲透試驗(yàn)裝置對(duì)綠色泥漿在砂卵石地層的滲透性能進(jìn)行研究，泥漿滲透裝置如圖17所示。

圖17 泥漿滲透裝置示意

試驗(yàn)裝置主要包括3個(gè)部分：泥漿滲透模擬系統(tǒng)、泥漿加壓輸送系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)。其中，泥漿滲透模擬系統(tǒng)是本此試驗(yàn)的核心部分，主要研究泥漿在地層中滲透成膜現(xiàn)象和規(guī)律。泥漿加壓輸送系統(tǒng)由泥漿儲(chǔ)存罐、泥漿輸送管、壓力調(diào)節(jié)閥、空氣壓力輸送管和空氣壓縮機(jī)組成。其中泥漿儲(chǔ)存罐主要作用是攪拌泥漿，使泥漿保持均勻并將泥漿輸送到滲透系統(tǒng)；空氣壓縮機(jī)主要為泥漿提供壓力；壓力調(diào)節(jié)閥(精度0.01MPa，量程0.5MPa)控制泥漿在地層中的滲透壓力。測(cè)量系統(tǒng)包括U形壓力計(jì)、量筒、刻度尺。測(cè)量內(nèi)容包括地層超靜孔隙水壓力、泥膜厚度和泥漿濾失量等。試驗(yàn)材料布置如圖18所示。

圖18 試驗(yàn)材料布置(單位：cm)

在泥漿壓力作用下，泥漿向地層內(nèi)發(fā)生很小滲透，很快在地層表面形成1層致密的泥皮和小于2cm的滲透帶，泥皮與滲透帶有明顯的分界。泥漿壓力越大，泥皮越厚，滲透帶越長。由于泥皮的快速形成阻止了泥漿進(jìn)一步向地層中發(fā)生滲透，地層中沒有很長的滲透帶形成。泥漿濾矢量變化如圖19所示。

圖19 地層泥漿濾失量變化

由圖19可知，泥漿在3種壓力下濾失量初始時(shí)線性增加，隨后達(dá)到穩(wěn)定緩慢增加，最終的濾失量分別為185，238，328mL，泥漿壓力越大，濾失量增加越快，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越長。這是由于泥漿在地層表面形成了一層微透水的泥膜，阻止了泥漿的滲透，因此泥漿濾失量很小。地層超靜孔隙水壓力變化如圖20所示。

圖20 地層超靜孔隙水壓力變化

由圖20可知，在泥漿壓力作用下，超靜孔隙水壓力在20s左右達(dá)到穩(wěn)定，變化區(qū)間為2～9kPa；在一定的泥漿壓力作用下，越靠近泥漿壓力作用面，超靜孔隙水壓力越大，隨著泥漿壓力的增大，超靜孔隙水壓力達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間逐漸減緩。這是由于泥漿顆粒在地層表面沉積形成一層不透水的泥膜，阻止了泥漿繼續(xù)向地層滲透，使得超靜孔隙水壓力快速消散。

地層有效泥漿壓力轉(zhuǎn)化率如圖21所示。由圖21可知，在泥漿壓力作用下，有效泥漿壓力轉(zhuǎn)化率在10s左右達(dá)到穩(wěn)定，變化區(qū)間為90%以上；在一定的泥漿壓力作用下，越靠近泥漿壓力作用面，有效泥漿壓力轉(zhuǎn)化率越小，即測(cè)壓孔1<測(cè)壓孔2<測(cè)壓孔3<測(cè)壓孔4<測(cè)壓孔5。隨著泥漿壓力的增大，有效泥漿壓力轉(zhuǎn)化率達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間逐漸減緩。這是由于滲透泥漿與砂卵石地層的適應(yīng)性更好，泥漿顆粒在地層表面沉積形成一層不透水的泥膜，阻止了泥漿繼續(xù)向地層滲透，使得泥漿壓力可以更為有利地轉(zhuǎn)化為有效泥漿壓力。

圖21 地層有效泥漿壓力轉(zhuǎn)化率

4 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)泥漿在施工中存在的污染問題，本文提出了一種綠色泥漿，并進(jìn)行了綠色泥漿配合比試驗(yàn)，研究了綠色泥漿性能。最后通過自主設(shè)計(jì)改進(jìn)的泥漿滲透裝置研究了綠色泥漿在砂卵石地層的滲透性能，得到的主要結(jié)論如下。

1)白糊精作為泥漿添加劑對(duì)泥漿性能具有顯著影響，可以有效改善泥漿的性能指標(biāo)。12.4%的白糊精泥漿pH值為9.4，密度為1.141g/cm3，濾失量為12.46mL，黏度為25.93s，能很好滿足施工要求。

2)基于室內(nèi)泥漿性能試驗(yàn)，研究了無水碳酸鈉和白糊精對(duì)泥漿性能的影響，確定了綠色泥漿配合比為水∶黏土∶膨潤土∶無水碳酸鈉∶白糊精=700∶125∶75∶2.5∶110。

3)通過自主設(shè)計(jì)改進(jìn)的泥漿滲透裝置，研究了綠色泥漿在砂卵石地層的滲透性能：在泥漿壓力作用下，泥漿濾失量初始時(shí)候線性增加，隨后達(dá)到穩(wěn)定緩慢增加；泥漿壓力越大，濾失量增加越快，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越長；在一定的泥漿壓力作用下，越靠近泥漿壓力作用面，超靜孔隙水壓力越大，有效泥漿壓力轉(zhuǎn)化率越小，隨著泥漿壓力的增大，超靜孔隙水壓力和有效泥漿壓力轉(zhuǎn)化率達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間逐漸減緩。