南京緯三路過江通道泥水盾構(gòu)泥漿配制試驗(yàn)研究

張 寧，朱 偉，閔凡路

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引言

隨著我國鐵路、公路、水利、城市軌道交通等事業(yè)的發(fā)展，泥水盾構(gòu)以其良好的壓力控制模式在水下交通隧道建設(shè)中取得了廣泛應(yīng)用［1－2］。泥漿被喻為泥水盾構(gòu)的血液，在盾構(gòu)施工中主要起到維持開挖面的穩(wěn)定［3］、攜渣、潤滑掘削設(shè)備、減少管路磨損等作用［4］。盾構(gòu)穿越地層性質(zhì)差異較大，所需要的泥漿參數(shù)亦各不相同［5］。對于不同泥漿材料，相同的泥漿參數(shù)有多種不同的配制方法［6］。確定泥水盾構(gòu)在不同地層中施工時(shí)合理的泥漿參數(shù)和配比，不僅可以保證施工的順利進(jìn)行，也可以有效降低工程成本。

在泥水盾構(gòu)施工中，泥漿最重要的作用是在開挖面上形成微透水的泥膜，防止泥漿大量濾失，保持開挖面的穩(wěn)定。泥漿在地層中的成膜方式可以分為泥皮型、滲透帶型、泥皮+滲透帶型;MIN等［7］通過室內(nèi)泥漿滲透試驗(yàn)，選取d85作為泥漿顆粒代表粒徑，D0作為地層平均孔徑，通過計(jì)算d85和D0的比例關(guān)系可以確定泥膜的形成類型，同時(shí)發(fā)現(xiàn)泥漿顆粒級配和密度對泥漿在高滲透性地層中的成膜影響較大。Watanabe等［8］在高滲透地層中進(jìn)行了泥漿滲透成膜實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著泥漿密度的增大，泥漿濾失量逐漸減小。袁大軍等［9］通過不同密度的泥漿滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泥漿密度越大，泥漿中含有的細(xì)顆粒越多，泥漿填充地層孔隙的效果越好，形成泥膜時(shí)的濾水量越小;當(dāng)泥漿密度達(dá)到1.08 g/cm3時(shí)，泥漿黏度的增加并不能有效減小泥膜濾水量。韓曉瑞等［10］通過3種泥漿在礫砂地層的滲透試驗(yàn)，提出了以濾水量作為泥膜質(zhì)量的評價(jià)指標(biāo)，泥膜濾水量越小，泥膜越致密。基于以上研究，在高滲透性地層中，相比黏度，泥漿的密度尤其是泥漿中的顆粒組分是影響成膜的重要因素。對于泥漿黏度，更重要的是考慮其對攜渣能力、減少管路磨損的影響［11］。目前泥水盾構(gòu)工程中泥漿的黏度一般取20～30 s(蘇氏漏斗黏度，測試清水為15 s，下同)以上。

南京緯三路過江通道依次穿越黏土、粉土、粉細(xì)砂、礫砂、圓礫等地層(見圖1)，最高水壓力達(dá)0.77 MPa。滲透系數(shù)大于10－2cm/s的中粗砂、礫砂、圓礫卵石地層累計(jì)長達(dá)2 177 m。地層條件復(fù)雜、地下水壓高、地層透水性強(qiáng)［12－13］，泥漿在砂礫地層成膜具有較大困難，需要消耗大量的泥漿材料。如何根據(jù)地質(zhì)條件，合理地選取泥漿參數(shù)和配漿方案，已成為關(guān)系隧道施工安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要問題之一。

圖1 南京緯三路過江通道江中段地質(zhì)斷面簡圖Fig.1 Profile of geological condition of Weisanlu Yangtze River Tunnel in Nanjing

本文針對南京緯三路過江通道的4種粗顆粒地層進(jìn)行泥漿成膜試驗(yàn)，確定泥漿在各地層的適用參數(shù);然后以前期在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層中掘進(jìn)產(chǎn)生的黏土漿作為基礎(chǔ)材料，確定黏土漿+膨潤土漿和黏土漿+增黏劑溶液的配漿方案。該配方綜合考慮了地層對泥漿參數(shù)要求的差異和廢棄泥漿的使用，為工程施工提供了配漿依據(jù)，同時(shí)降低了工程成本，減少了廢棄泥漿對環(huán)境造成的污染。

1 工程概況及難點(diǎn)分析

1.1 工程概況

南京緯三路過江通道位于緯七路長江隧道和長江大橋之間，隧道采用雙層雙向八車道"X"形隧道方案。南線隧道盾構(gòu)段長4 134.8 m，北線隧道盾構(gòu)段長3 537.8 m，采用2臺φ14.96 m的泥水盾構(gòu)同向掘進(jìn)，由江北始發(fā)井出發(fā)，左右線分離布置［14］(見圖2)。

圖2 南京緯三路過江通道工程示意圖Fig.2 Sketch map of Nanjing Weisanlu Yangtze River Tunnel

1.2 工程地質(zhì)條件及難點(diǎn)分析

南京緯三路過江通道穿越各地層的基本物理性質(zhì)如表1所示。隧道首先穿越526.8 m的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層，該地層滲透系數(shù)為3×10－6cm/s，黏粉粒含量達(dá)80%，僅靠地層自造漿即可滿足成膜要求，同時(shí)還會產(chǎn)生密度在1.28～1.35 g/cm3，蘇式漏斗黏度60～75 s的廢棄泥漿。將廢棄泥漿臨時(shí)存放于池塘，待盾構(gòu)掘進(jìn)至中粗砂地層時(shí)作為配漿的原材料，不僅可以降低工程成本，還可以解決環(huán)境污染問題［15］。

2 泥漿成膜試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

2.1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖3所示。裝置的主體是一個有機(jī)玻璃柱，高100 cm，內(nèi)徑8.4 cm;調(diào)壓裝置的精度為0.01 MPa;電子稱精度為0.01 g;數(shù)據(jù)采集裝置可記錄濾水量隨時(shí)間的變化，其時(shí)間間隔可以自行設(shè)置。

2.1.2 試驗(yàn)材料

選用膨潤土與水質(zhì)量比(簡稱膨水比)為1∶10的膨潤土漿做為基礎(chǔ)泥漿。添加黏土調(diào)節(jié)泥漿密度，添加質(zhì)量濃度為2%的高黏羧甲基纖維素鈉(CMCHV)水溶液調(diào)節(jié)泥漿黏度。采用蘇式漏斗黏度儀和1002型比重秤分別測得泥漿的黏度和密度，泥漿性質(zhì)參數(shù)如表2所示。地層材料利用單一粒徑的天然砂配置，按相似級配法，使得密度和滲透系數(shù)盡量接近地質(zhì)報(bào)告中給出的值。

表1 南京緯三路過江通道盾構(gòu)段穿越地層統(tǒng)計(jì)(南線為例)Table 1 Different strata through which the southern tube of Nanjing Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel passes

圖3 泥漿成膜與閉氣試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test apparatus

表2 泥漿性質(zhì)參數(shù)表Table 2 Basic physical properties of slurries

2.1.3 試驗(yàn)方法

配制試驗(yàn)地層，裝入地層并飽和，測量地層的滲透系數(shù)，配制試驗(yàn)?zāi)酀{并裝入滲透試驗(yàn)柱，密封試驗(yàn)柱并施加壓力開始滲透試驗(yàn)。

設(shè)置4 級泥漿壓力:0.05、0.1、0.15 及 0.3 MPa，第1級壓力用于判斷泥漿在地層中能否成膜，后面3級壓力用于評判泥膜的質(zhì)量，每級維持200 s，確保泥漿滲透達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

表3為試驗(yàn)得到的泥膜形成情況，通過分析發(fā)現(xiàn):在④1粉細(xì)砂地層和⑤1中粗砂地層中，均形成泥皮型泥膜;在⑤2礫砂地層和⑥1卵石圓礫地層中，當(dāng)泥漿密度較小時(shí)形成泥皮+滲透帶型泥膜，泥漿密度較大時(shí)形成泥皮型泥膜。

表3 試驗(yàn)過程中的泥膜形成情況Table 3 Types and thicknesses of filter membranes in the test

圖4為泥膜形成過程中濾水量(泥漿濾失量)統(tǒng)計(jì)圖。從圖4可以看出，泥漿在地層中滲透時(shí)，濾水量隨壓力逐級增長。密度為1.05 g/cm3的泥漿在4種地層中濾水量均較大，說明該泥漿不適用于砂性地層中成膜。密度為1.10 g/cm3的泥漿在粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂地層中濾水量較大，且隨地層滲透系數(shù)的增加而增大;而在圓礫卵石地層中濾水量最小，是由于⑥1圓礫及卵石地層的孔隙比較小，泥漿較難滲入。密度為1.15 g/cm3和1.20 g/cm3的2種泥漿在4種地層中的濾水量較小。結(jié)合表3可以發(fā)現(xiàn)，密度為1.20 g/cm3的泥漿難以滲入地層，多在表面形成厚度較大的泥膜。通過泥漿成膜試驗(yàn)得到了滿足緯三路過江通道各地層成膜的泥漿指標(biāo)(見表4)。

圖4 不同地層不同泥皮厚度下的泥漿濾水量Fig.4 Water bleeding of different slurries under different strata

表4 各地層中的泥漿成膜指標(biāo)Table 4 Performance of filter membranes formed in different strata

3 泥漿配比試驗(yàn)

3.1 黏土漿+膨潤土漿的泥漿配制試驗(yàn)

以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層中掘進(jìn)產(chǎn)生的黏土漿作為基礎(chǔ)泥漿，將南京亞東奧土礦業(yè)膨潤土按膨水比1∶10膨化，得到密度1.06 g/cm3、黏度52 s的膨潤土漿。向黏土漿中加入不同質(zhì)量的水，得到4種密度的黏土漿，然后向其中逐漸添加不同質(zhì)量的膨潤土漿調(diào)節(jié)泥漿參數(shù)。泥漿性質(zhì)變化如圖5所示。

圖5 膨潤土漿對泥漿黏度、密度的影響Fig.5 Effect of bentonite on viscosity and density of slurry

由圖5(a)可知，隨著膨潤土漿的添加，泥漿黏度逐漸增大。當(dāng)黏度達(dá)到20 s以后，膨潤土漿對泥漿黏度的效果逐漸明顯。膨潤土漿對泥漿黏度的改善效果由泥漿的初始黏度決定，泥漿黏度越大，效果越明顯。初始泥漿的黏度相近，可以認(rèn)為黏土對泥漿黏度的影響很小。由圖5(b)可知，在膨潤土漿添加初期，泥漿密度變化較明顯，隨著膨潤土漿添加量的增多，密度變化越來越弱，逐漸接近2種漿液的均值。

3.2 黏土漿+增黏劑溶液的泥漿調(diào)制試驗(yàn)

以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層中掘進(jìn)產(chǎn)生的黏土漿作為基礎(chǔ)泥漿，選用任丘市超宇CYHS－3型增黏劑，濃度3%的增黏劑，密度為1.02 g/cm3，漏斗黏度為45 s。向黏土漿中加入不同質(zhì)量的水，得到4種密度的黏土漿，然后逐級向其中添加占黏土漿不同質(zhì)量百分比的增黏劑溶液，泥漿黏度變化如圖6所示。

圖6 增黏劑溶液對泥漿黏度的影響Fig.6 Effects of thickener on slurry viscosity

由圖6可以看出，增黏劑溶液添加初期對泥漿黏度的提高比較明顯，且逐漸趨于穩(wěn)定。泥漿的最終黏度與泥漿密度有關(guān)，密度越大，黏度越大;不同密度的泥漿，增黏劑溶液的最優(yōu)添加量不同。對于密度小于1.10 g/cm3的黏土漿，增黏劑溶液的添加對泥漿黏度幾乎沒有影響;故黏土漿+增黏劑溶液的配漿方案不再適用，應(yīng)該考慮其他配漿方法，如黏土漿+膨潤土漿+增黏劑溶液、膨潤土漿+增黏劑溶液，或膨潤土漿等。

3.3 南京緯三路過江通道砂性地層配漿方案

根據(jù)黏土漿+膨潤土漿和黏土漿+增黏劑溶液的配漿試驗(yàn)結(jié)果，得到了南京緯三路過江通道4種粗顆粒地層的配漿方案，如表5所示。

表5 各地層配漿方案及所得泥漿參數(shù)Table 5 Mixing proportion of slurries and their parameters

4 現(xiàn)場泥漿使用情況

在K4+328～+749的礫砂圓礫、卵石混合地層中掘進(jìn)時(shí)，由于地層的黏粒含量小于5%，每掘進(jìn)10環(huán)，需要補(bǔ)充黏土約60 t，膨潤土8.3 t。采用每 m31.20 g/cm3的黏土泥漿中添加膨水比1∶10膨潤土漿500 kg的配漿方案。在地層中掘進(jìn)時(shí)切口水壓力在0.59 ～0.62 MPa;平均每環(huán)的掘削量在 327 ～368 m3，在理論掘削量(353 m3/環(huán))上下波動，但波動幅度在20%之內(nèi);每環(huán)的泥漿濾失量在30～40 m3，與試驗(yàn)室模擬結(jié)果相當(dāng)，說明在地層表面形成了致密性較好的泥膜。

5 結(jié)論與建議

1)密度1.05 g/cm3的泥漿不適于在砂性地層中成膜;密度為1.10 g/cm3和1.15 g/cm3的泥漿可以在中粗砂、礫砂、圓礫卵石地層中形成泥皮+滲透帶型泥膜;密度大于1.20 g/cm3的泥漿難以滲入地層，多在地層表面形成厚度較大的泥皮型泥膜。

2)膨潤土漿和增黏劑溶液可以調(diào)節(jié)泥漿黏度，黏度大于20 s時(shí)，膨潤土漿對黏度的改善效果較顯著;泥漿密度越大，增黏劑溶液對泥漿黏度的改善越明顯，當(dāng)密度小于1.10 g/cm3時(shí)，CYHS－3型增黏劑溶液對泥漿黏度幾乎沒有影響。

3)確定了黏土漿+膨潤土漿和黏土漿+增黏劑溶液在南京緯三路過江通道穿越4種砂性地層的配漿方案，并在現(xiàn)場施工中對配漿方案進(jìn)行了驗(yàn)證。通過回收利用穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層時(shí)儲存的高黏粒含量的泥漿，不僅解決了廢漿排放問題，還大大降低了工程成本。

本文所得到的研究結(jié)論為南京緯三路過江通道提供了部分砂卵石地層的配漿方案，減少了廢棄泥漿的排放，節(jié)約了工程成本。同時(shí)對于膨潤土、增黏劑對泥漿密度、黏度的影響有了新的認(rèn)識，可以為研究人員和現(xiàn)場施工人員提供一定的幫助。在今后的研究中需要充分考慮地層滲透性和泥漿性質(zhì)的匹配關(guān)系。

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