泥水盾構(gòu)循環(huán)泥漿制備工藝技術(shù)
——以甬臺(tái)溫天然氣輸氣管道甌江盾構(gòu)工程為例

王 樂(lè)，劉小林，郝立釗，李 博，吉文龍

中國(guó)石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

1. 工程概況

甬臺(tái)溫管道甌江盾構(gòu)穿越工程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“甌江盾構(gòu)工程”)隸屬于浙江省甬臺(tái)溫天然氣輸氣管道工程，是浙江省天然氣管網(wǎng)的重要組成部分，隧道全長(zhǎng)834.5 m，主要穿越地層的巖性為中砂巖、卵石、中–強(qiáng)風(fēng)化流紋英安玢巖、中風(fēng)化角礫巖。隧道建成后鋪設(shè)一條管徑為813 mm的天然氣管道，全長(zhǎng)467.732 km，設(shè)計(jì)輸氣規(guī)模為95 × 108m3/a，設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa。

甌江盾構(gòu)工程穿越卵石層長(zhǎng)度超過(guò)300 m，勘探最大卵石粒徑小于200 mm，實(shí)際施工過(guò)程中最大卵石粒徑達(dá)到450 mm，60%卵石粒徑超過(guò)150 mm，卵石占比超過(guò)90%以上。工程需要配制優(yōu)質(zhì)泥漿進(jìn)行護(hù)壁和攜渣，在穩(wěn)定開(kāi)挖面的基礎(chǔ)上，進(jìn)行卵石攜帶，由此需要研究出一套泥漿制備的新工藝，確保大粒徑卵石層掘進(jìn)對(duì)泥漿質(zhì)量和數(shù)量的要求。

2. 泥漿性能指標(biāo)

在同步注漿填充不足、管片滲漏水、地面變形過(guò)大、通過(guò)建筑物或有特殊要求的重要地段時(shí)，根據(jù)地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地質(zhì)雷達(dá)探查，同步注漿未能達(dá)到效果時(shí)需進(jìn)行二次注漿。

泥漿在泥水盾構(gòu)中的主要有3點(diǎn)：形成泥膜及穩(wěn)定開(kāi)挖面；運(yùn)送排放切削渣土；減小刀具與地層的摩擦，保護(hù)刀具。如在泥水盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)泥漿應(yīng)用不當(dāng)，會(huì)造成刀具磨損速度加快、壽命減短，管路堵塞、磨損，泥漿循環(huán)系統(tǒng)不流暢，甚至還會(huì)造成開(kāi)挖面坍塌、地表沉降、建筑物塌陷等安全事故，影響工程的順利貫通。

2.1. 泥漿主要材料組成

1) 黏土。主要作用是提高泥漿的密度及黏度，一般黏土可以從施工現(xiàn)場(chǎng)就地取材。

2) 膨潤(rùn)土。是一種以蒙脫石為主要成分的黏土礦物，具有負(fù)電性大、水化能力強(qiáng)、分散性高等特性，一般分為天然膨潤(rùn)土、改性膨潤(rùn)土、活性膨潤(rùn)土3種，工程上一般選用天然膨潤(rùn)土，其相對(duì)密度為2.4～2.9 t/m3，液限為330%～600%，遇水體積膨潤(rùn)10～15倍。

3) 純堿(Na2CO3)?？梢詫?duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行離子交換，并使?jié){液的 pH值控制在 8～9，有效地提高了泥漿的均勻性。

4) 水。泥漿中增加或減小清水的比例，可以調(diào)整泥漿pH值、密度、黏度等。

5) CMC(添加劑)。CMC為羥甲基纖維素，溶于水時(shí)呈現(xiàn)極高的黏性，故多用來(lái)做增黏劑，可以降低濾失水量和防止逸泥，也可抵抗陽(yáng)離子污染。

6) 正電膠干粉。用來(lái)做增黏劑，把黏土顆粒膠結(jié)在一起，產(chǎn)生一定厚度的加固地層，從而阻止逸泥和地下水涌入[1]。

2.2. 泥漿關(guān)鍵性能參數(shù)

1) 黏度。黏用于估算泥漿中膨潤(rùn)土含量最有效和便捷的指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)條件下用蘇式漏斗測(cè)量水的黏度為 15 ± 0.5s。

2) pH值。用于測(cè)定攪拌泥漿用水的酸堿度，酸性水質(zhì)會(huì)中和泥漿中膨潤(rùn)土的堿基離子，降低膨潤(rùn)土的使用效率。

3) 濾失水量。泥漿的濾失水量與泥膜質(zhì)量具一定相關(guān)性，泥膜致密，則泥漿的濾失水量??；反之，則泥漿的濾失水量大。濾失水量取決于膨潤(rùn)土質(zhì)量及凈化設(shè)備處理精度。泥漿濾失水量與泥膜厚度共同作為掘進(jìn)面防塌的重要指標(biāo)。

4) 密度。泥漿的密度在一定程度上反映了其密度的大小。在循環(huán)過(guò)程中，相同黏度下，泥漿的密度可反映出其雜質(zhì)的含量，是評(píng)價(jià)泥漿質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)。

5) 含砂量。在大多數(shù)地層中，含砂量的變化決定著泥漿的密度變化，同時(shí)影響泥漿循環(huán)中的泵送能力和泥漿攜渣能力。

6) 泥膜厚度。指在一定壓力下，一定體積的泥漿在一定面積濾紙上所形成的泥餅厚度。在掘進(jìn)過(guò)程中，形成的泥膜對(duì)掘進(jìn)面有一定的支護(hù)作用。

2.3. 泥漿指標(biāo)要求

2.3.1. 各項(xiàng)材料對(duì)泥漿性能影響

試驗(yàn)顯示，膨潤(rùn)土與水的質(zhì)量比為4%、5%、6%和8%時(shí)，泥漿黏度分別可達(dá)到26、33、40和90 s，泥膜厚度分別為1.58、1.71、1.79和1.81 mm。

為確保泥膜厚度不小于1.5 mm，選擇使用質(zhì)量比不低于4%的泥漿作為基漿，添加CMC和純堿，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：4%基漿 + 0.02% CMC時(shí)，泥漿黏度為32 s；4%基漿 + 0.03% CMC時(shí)，泥漿黏度為50 s；4%基漿 + 0.02%純堿時(shí)，泥漿黏度為30 s；4%基漿 + 0.03%純堿時(shí)，泥漿黏度為45 s。

2.3.2. 泥漿性能參數(shù)確定

在固定配比下，膨潤(rùn)土含量對(duì)泥漿的黏度影響非常明顯，隨著膨潤(rùn)土含量的增大，泥漿的黏度先緩慢增長(zhǎng)，后急劇增長(zhǎng)。CMC的加入對(duì)泥漿的其他性能指標(biāo)，諸如泥膜厚度等幾乎沒(méi)有影響。純堿的加入對(duì)泥漿的pH值有一定影響(基漿約為9，隨著純堿的加入逐漸升高)。

通過(guò)試驗(yàn)和配比嘗試，確定泥漿的性能標(biāo)準(zhǔn)：黏度 ≥ 30 s；密度 ≥ 1.05 g/cm3；含砂量約為1.5%；濾失水量(FL7.5 min) < 20 mL；泥漿pH值為8～10；泥膜厚度 > 1.5 mm。

在泥水分離設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)操作過(guò)程中，受攪拌不均勻和沉淀浪費(fèi)等因素影響，實(shí)際添加的膨潤(rùn)土和添加劑均略大于試驗(yàn)用量。最終泥漿配比為100%水 + 4%膨潤(rùn)土 + 0.2% CMC。

考慮到泥水處理人員在實(shí)際配制泥漿中的檢測(cè)因素，卵石地層掘進(jìn)需重點(diǎn)控制泥漿黏度和密度，以此來(lái)控制泥漿性能指標(biāo)，其他參數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室取樣檢測(cè)進(jìn)行控制[2]。

3. 泥漿制備工藝介紹

3.1. 技術(shù)要求

制漿裝置主要由一臺(tái)射流泵(采用功率55 kW渣漿泵)、射流混漿裝置、?108 mm管路及配套閥門(mén)組成，通過(guò)射流泵抽取泥漿底箱中的泥漿，輸送至混漿裝置中。由于輸送管路由DN150突變?yōu)镈N25 (圖1)，壓力驟然增高，產(chǎn)生壓力差，形成真空吸力，可以從混漿裝置上部開(kāi)口處加入膨潤(rùn)土(圖2)。膨潤(rùn)土由于真空吸力很容易進(jìn)入管內(nèi)與擴(kuò)散的泥漿混合，再通過(guò)輸送管路重新回到泥漿底箱中。若泥漿黏度等性能指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，則繼續(xù)循環(huán)該過(guò)程。

Figure 1. The diameter of DN150 variated to DN25 in the jet device圖1. 射流裝置變徑DN150突變?yōu)镈N25

Figure 2. The jet slurry mixing device圖2. 射流混漿裝置圖

3.2. 制漿流程

工程泥漿制備實(shí)現(xiàn)了流水化作業(yè)。射流泵實(shí)現(xiàn)了遙控式開(kāi)閉，只需輕按按鈕，就自動(dòng)開(kāi)始循環(huán)泥漿。該裝置管路還與壓濾機(jī)相連，當(dāng)漿液質(zhì)量下降到密度 > 1.3 g/cm3，濾失水量(FL7.5 min) > 20 mL時(shí)，即達(dá)到泥漿報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，直接通過(guò)連接壓濾機(jī)的隔膜泵進(jìn)行吸漿、壓濾，分離出泥餅和清水，清水繼續(xù)進(jìn)行配漿使用。整個(gè)制漿工藝依照上述流程進(jìn)行循環(huán)，達(dá)環(huán)保要求的零排放指標(biāo)。

為保證卵石層掘進(jìn)時(shí)泥漿形成泥膜質(zhì)量好，起到護(hù)壁作用，將泥漿黏度設(shè)置在30～32 s之間。但在掘進(jìn)的同時(shí)，由于泥漿循環(huán)和地下水會(huì)導(dǎo)致泥漿黏度損耗，因此，需對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，保證泥漿黏度處于規(guī)定范圍內(nèi)。

4. 結(jié)語(yǔ)

甌江盾構(gòu)工程項(xiàng)目部通過(guò)改進(jìn)制漿裝置和工藝，制備了優(yōu)質(zhì)的泥漿，保證順利完成了300 m卵石層的掘進(jìn)任務(wù)，大大降低了施工成本，提高了工作效率。甌江盾構(gòu)工程泥漿制備技術(shù)的成功應(yīng)用，為今后類(lèi)似項(xiàng)目泥水盾構(gòu)泥漿制備提供了技術(shù)借鑒與參考。

[1] 馬小汀. 泥水盾構(gòu)泥漿制備技術(shù)[C]//中國(guó)中鐵隧道集團(tuán). 2007年水底隧道專(zhuān)題技術(shù)交流大會(huì)論文集. 北京: 中國(guó)鐵道學(xué)會(huì), 2007.

[2] 楊曉玲, 程代來(lái). 大直徑樁成孔的新型泥漿[C]//中國(guó)公路學(xué)會(huì)橋梁和結(jié)構(gòu)工程學(xué)會(huì). 2001年橋梁學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集. 北京: 中國(guó)公路學(xué)會(huì), 2001.