泥水盾構(gòu)穿越高滲透性地層泥漿配制研究

王 勇 沈 慧

（江蘇省交通科學研究院股份有限公司，南京 211112）

泥水盾構(gòu)穿越高滲透性地層泥漿配制研究

王 勇 沈 慧

（江蘇省交通科學研究院股份有限公司，南京 211112）

本文從泥水盾構(gòu)基本原理、泥漿的作用出發(fā)，系統(tǒng)地闡述了適合泥水盾構(gòu)掘進用泥漿的基本性質(zhì)及測定方法，泥漿材料的種類與選取原則、制配情況。該研究對類似工程中泥漿配制有重要的指導意義。

泥水盾構(gòu)泥漿配制泥漿材料

1.引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和工程技術(shù)的突飛猛進，泥水盾構(gòu)技術(shù)在這些大直徑、長距離的水下隧道建設過程中應用越來越多。合理的泥漿材料、適宜的泥漿配比，不僅直接關系到工程成本，更有可能危及工程安全因此，進行泥水盾構(gòu)施工中關鍵技術(shù)的研究和總結(jié)對我國的水下隧道的建設有重要的意義。

本文結(jié)合南京緯三路過江通道工程泥水盾構(gòu)穿越高滲透性的砂卵石地層實例，介紹砂卵石地層的泥漿配制及注意事項。

2.工程概況及施工工藝

南京市緯三路過江通道在江中段采用左右線分離兩管盾構(gòu)隧道N線（北線）盾構(gòu)段3537m。工程采用Φ14.93m泥水加壓盾構(gòu)施工。泥漿在泥水盾構(gòu)施工中起保持開挖面穩(wěn)定、攜渣排土、冷卻和潤滑刀頭等作用，泥漿的配制和管理也是泥水盾構(gòu)工法中最重要的工序之一。因此，選擇合理的泥漿材料和泥漿配比對工程的施工效果和經(jīng)濟成本有重要的意義。

3.泥水盾構(gòu)泥漿配制基本性質(zhì)指標及測定方法

泥漿被稱為泥水盾構(gòu)的血液，泥漿參數(shù)合理與否，不僅影響工程成本，很大程度上也影響著泥水盾構(gòu)的施工安全及施工效率。泥水盾構(gòu)的泥漿配制主要考慮泥漿的密度、粘度、泥漿顆粒級配、泥漿的物理穩(wěn)定性、pH值等。

1）泥漿密度泥漿密度是泥水盾構(gòu)施工中泥漿管理的重要指標。通常密度越大的泥漿成膜性能越好，對掘削渣土的浮力作用越大，運輸渣土的效果也越好。但泥漿密度越大的泥漿其流動性會變差，流動摩阻力增加，易使泥漿運送泵超負荷運轉(zhuǎn)、泥水分離難度增加。因此，泥漿要具有合適的密度，要在保證開挖面穩(wěn)定和出渣能力的基礎上盡量小。

2）泥漿粘度一般情況下，泥漿的粘度越大，泥膜越容易形成，泥膜質(zhì)量也越好；泥漿的粘度越大，泥漿的懸浮能力越好，渣土在泥水艙底部或排泥管道中沉淀越少，泥漿的出渣能力越強。

3）泥漿顆粒級配泥漿的密度表征泥漿中固相顆粒的多少，而泥漿的顆粒級配則表征著泥漿中固相顆粒的粒徑大小及比例關系。不同的地層孔隙需要不同粒徑的顆粒去堵塞，所以盾構(gòu)機在不同的地層中掘進時需要泥漿中具有不同級配的固相顆粒，以滿足成膜的要求。目前，泥漿的級配一般由激光顆粒分析儀測得。另外，工程中也通過測定含砂量，來反映泥漿中粗顆粒的含量，進而在某種程度上反映泥漿的級配。

4）物理及化學穩(wěn)定性泥漿的物理穩(wěn)定性是指泥漿中固相顆粒保持浮游散懸物理狀態(tài)的能力，工程中常用泥漿膠體率來衡量泥漿的物理穩(wěn)定性。

化學穩(wěn)定性是指泥水中混入帶正電的雜質(zhì)（含Ca2+、Na+、Mg2+等）時，泥漿成膜功能減退的化學劣化現(xiàn)象。工程中常用pH試紙來檢驗該指標，如圖6，pH值在8-10之間的泥漿化學穩(wěn)定性好。

4.泥水盾構(gòu)用泥漿材料類型及泥漿的種類

泥水盾構(gòu)工程中常用于制備泥漿的材料，按照主要功能可以分為造漿材料、填充材料和添加劑三大類。

1）造漿材料用于配制基礎泥漿的材料，使用最多的是膨潤土。膨潤土中蒙脫石含量、膨脹指數(shù)是造漿材料最重要的指標，顆粒級配和含水率反映膨潤土的磨制工藝，pH值反映膨潤土中純堿等的添加量。

2）填充材料主要起填充作用，用于調(diào)節(jié)泥漿中固相顆粒的粒徑及泥漿的密度，常用的泥漿填充材料有粘土、粉土、粉細砂、蛭石。

3）添加劑是指除了膨潤土、粘土、粉土等泥漿材料以外的一類人工合成的材料，以很少的添加量即可以改善泥漿的性能，擴展泥漿的適用范圍。按照添加劑的主要功能，常用的泥漿添加劑可以分為五類：增粘劑、造漿劑、分散劑、絮凝劑、堵漏劑。

泥漿的調(diào)制需要根據(jù)泥水盾構(gòu)掘進地層的工程地質(zhì)條件綜合考慮，選取以上三類制漿材料的一種或幾種進行調(diào)制。通常情況下，純膨潤土泥漿和純粘土泥漿適用于細砂層等滲透系數(shù)較小的地層；混合泥漿（如膨潤土+制漿劑、膨潤土+粘土、粘土+制漿劑）適用于粗砂、礫砂層等滲透系數(shù)較大的地層；純制漿劑溶液（如CMC漿、水玻璃、堵漏劑泥漿）適用于堵漏、加固等特殊工況。

5.南京緯三路過江通道泥水盾構(gòu)穿越砂卵石地層泥漿配制實例

南京緯三路過江通道穿越地層上部為填土和第四系全新統(tǒng)沖淤積流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂等，中部為第四系全新統(tǒng)中密～密實粉細砂組成，下部為上更新統(tǒng)密實狀礫砂、圓礫等；巖石地層主要為白堊系泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。從上述地質(zhì)條件，盾構(gòu)所穿越的粗砂地層、礫砂地層及圓礫卵石地層屬于高滲透地層，加上開挖面巖性有明顯差異、上下軟硬不均，掘進參數(shù)控制極為復雜，在開挖面難以形成穩(wěn)定的泥膜，難以維持開挖面的穩(wěn)定，稍有不慎，極易出現(xiàn)塌方冒頂、漿液漏失。因此，本工程需要根據(jù)礫砂地層的特點，同時考慮開挖面優(yōu)質(zhì)泥膜的形成條件和泥水輸送設備的輸渣能力，綜合確定泥漿的性能參數(shù)。考慮到地層的粘粒含量少（約為5%左右），且地層的滲透系數(shù)達到3.4×10-4m/s，掘進過程中泥漿濾失量較多，因此，泥漿中需要有一定量的粘土粉土顆粒。

過程1：取回漿池泥漿，測得比重為1.08g/cm3,馬氏漏斗粘度為23秒。

過程2：取膨潤原土做顆粒分析試驗

膨潤土顆粒粒徑分析

其中，d15=5.9μm，d50=20.9μm，d85=43.9μm

過程3：在回漿池中加入原土及增粘劑后測得指標如下∶

比重為1.18，馬式漏斗粘度為27秒。

該泥漿小于5μm的粘粒含量占40%左右，小于75μm的顆粒占到98%。

在實驗室內(nèi)的濾失量為10-20m3/h，實際施工中，根據(jù)壓力艙中泥漿液位的下降量推算得，泥漿實際的濾失量約為16-22m3/h。從壓力艙前方拍攝到的泥膜的照片來看，該泥漿在砂卵石地層中形成了致密的泥膜?？梢?，在南京緯三路過江通道砂卵石地層中，以膨潤土為主要的造漿材料，輔以粘土和增粘性添加劑在工程中應用良好，保證了施工的順利進行。

6. 總結(jié)

（1）泥水盾構(gòu)用泥漿的密度一般為1.05-1.20g/cm3，蘇式漏斗粘度20-25s，泥漿的級配要與地層孔隙相匹配，含砂量小于5%，24小時膠體率大于90%，pH值8-10。具體工程的泥漿性質(zhì)還要根據(jù)地層的性質(zhì)、泥漿分離設備等來進行調(diào)整。

（2）在高滲透性地層中進行泥水盾構(gòu)施工，需要向純膨潤土泥漿中需要添加一定量的粘粉土顆粒，以堵塞地層孔隙，保證泥漿在開挖面上形成致密的泥膜，以保持開挖面的穩(wěn)定。

（3）南京緯三路過江通道穿越粘粒含量少、滲透性高的砂卵石地層時，以膨潤土為主要的造漿材料，輔以粘土和增粘性添加劑，調(diào)整泥漿密度至1.15-1.20g/cm3，漏斗粘度為20-25s，該泥漿在砂卵石地層中形成了致密的泥膜，泥漿在地層中實際的濾失量約為16-22m3/h，保證了施工的順利進行。

[1]郭信君, 閔凡路, 鐘小春, 等. 南京長江隧道工程難點分析及關鍵技術(shù)總結(jié)[J]. 巖石力學與工程學報, 2012, 31(10)∶ 2154-2160.

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TU75

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1007-6344（2015）06-0300-01