泥漿的性能參數(shù)在泥水平衡盾構(gòu)施工中的應(yīng)用

汪高峰，詹清楓，張 展，郭啟先，張樹(shù)凱

1安徽省池州市公用事業(yè)管理局，安徽 池州

2中國(guó)石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

1. 引言

泥漿在泥水平衡盾構(gòu)中具有穩(wěn)定開(kāi)挖面、排渣、保護(hù)刀具等作用。施工中，泥漿應(yīng)用不當(dāng)，將造成刀具磨損速度加快，縮短刀具使用壽命，管路堵塞，泥漿循環(huán)系統(tǒng)不流暢等不良影響，延緩工程進(jìn)度[1]。有時(shí)甚至?xí)斐砷_(kāi)挖面坍塌，地表出現(xiàn)沉降、建筑物塌陷，造成安全事故和國(guó)家財(cái)產(chǎn)的損失，影響工程的順利貫通[2]。對(duì)泥漿性能參數(shù)及其變化規(guī)律進(jìn)行研究，有利于快速、準(zhǔn)確地在不同地層中對(duì)泥漿進(jìn)行調(diào)整，使泥漿能滿(mǎn)足施工的需要，保證工程順利進(jìn)行。

2. 泥漿性能參數(shù)及其變化規(guī)律

以膨潤(rùn)土、CMC、純堿、正電膠、自來(lái)水為原料來(lái)配制掘進(jìn)循環(huán)的泥漿并測(cè)試其關(guān)鍵性能，分析泥漿性能參數(shù)及其變化規(guī)律。

2.1. 膨潤(rùn)土對(duì)泥漿性能的影響

配制密度1.12 t/m3的泥漿，在其他成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變的情況下，改變膨潤(rùn)土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，得出膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泥漿黏度、屈服值的影響曲線(xiàn)，如圖1所示。由圖1可知，膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)與泥漿黏度、屈服值呈近似拋物線(xiàn)關(guān)系，當(dāng)膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大至10.5%后，泥漿屈服值將急劇增長(zhǎng)。

Figure 1. The effect of bentonite mass fraction on mud viscosity and yield value圖1. 膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泥漿黏度、屈服值的影響

2.2. 純堿對(duì)泥漿黏度的影響

配制密度1.12 t/m3的泥漿，在其他成分含量不變的情況下，改變純堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以得出純堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泥漿黏度的影響曲線(xiàn)，如圖2所示。由圖2可知，純堿質(zhì)量分?jǐn)?shù) < 0.5%時(shí)，泥漿黏度上升幅度??；純堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～0.6%時(shí)，泥漿黏度急劇上升。因此，在黏土掘進(jìn)中，若要增大泥漿pH值，建議加入的純堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.5%。

Figure 2. The effect of pure alkali mass fraction on mud viscosity圖2. 純堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泥漿黏度的影響

2.3. CMC對(duì)泥漿黏度、屈服值的影響

配制密度1.12 t/m3的泥漿，在膨潤(rùn)土及純堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變的情況下，改變CMC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以得出CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泥漿黏度、屈服值的影響曲線(xiàn)，如圖3所示。

Figure 3. The effect of CMC mass fraction on mud viscosity and yield value圖3. CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泥漿黏度、屈服值的影響

2.4. 正電膠對(duì)泥漿黏度、濾失水量、屈服值的影響

配制密度為1.12 t/m3的泥漿，測(cè)出黏度與濾失水量，做正電膠與泥漿黏度、屈服值、濾失水量的曲線(xiàn)關(guān)系圖，如圖4、圖5所示。由圖4可知，在正電膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～0.7%的范圍內(nèi)，泥漿的黏度、屈服值波動(dòng)較大。由圖5可知，膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6%時(shí)，泥漿濾失水量的減小幅度最大，說(shuō)明膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響正電膠對(duì)濾失水量的作用。

Figure 4. The effect of positive adhesive mass fraction on mud viscosity and yield value圖4. 正電膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泥漿黏度、屈服值的影響

Figure 5. The effect of positive adhesive mass fraction on filtration loss of mud圖5. 正電膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泥漿濾失水量的影響

對(duì)比圖3與圖4可以得出，如泥漿加入物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同，則加入CMC的泥漿黏度上升幅度較大，屈服值上升幅度較??；加入正電膠的泥漿黏度上升幅度較緩，但屈服值上升幅度比加入 CMC的明顯，表現(xiàn)為“低黏度高屈服值”的泥漿體系，有利于提高泥漿凈化設(shè)備的分離效率。因此，工程中應(yīng)優(yōu)先使用正電膠干粉作增黏劑。

3. 泥漿應(yīng)用實(shí)例

3.1. 卵石地層中泥漿應(yīng)用

卵石地層天然含水量25%，天然密度為2 g/cm3，土粒密度為27 g/cm3，飽和度為100%，壓縮模量為60 MPa，內(nèi)聚力為0 kPa，內(nèi)摩擦角為46?，承載力特征值550 kPa。根據(jù)上述泥漿性能參數(shù)，配制5種不同的漿液進(jìn)行測(cè)試、試驗(yàn)，由于卵石中掘進(jìn)濾失水量較大，可加入適量降濾失水劑，得出卵石地層中最佳泥漿配制方案為：水 + 10%膨潤(rùn)土(一級(jí)) + 5%純堿 + 0.5%正電膠干粉 + 0.2%降濾失水劑(以上配方均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。

3.2. 砂層中泥漿應(yīng)用

砂層地層天然含水量23%，天然密度為1.9 g/cm3，土粒密度為2.65 g/cm3，飽和度為100%，壓縮模量為12 MPa，內(nèi)聚力為3 kPa，內(nèi)摩擦角為34?，承載力特征值160 kPa。根據(jù)上述泥漿性能參數(shù)，配制5種不同的漿液進(jìn)行測(cè)試、試驗(yàn)，得出砂層地層中最佳泥漿配制方案為：水 + 9%膨潤(rùn)土(一級(jí)) + 5%純堿+ 0.5%正電膠干粉 + 0.2%降濾失水劑。

3.3. 黏土地層泥漿應(yīng)用

黏土地層天然含水量30%，天然密度為1.85 g/cm3，土粒密度為2.71 g/cm3，飽和度為95%，壓縮模量為16 MPa，內(nèi)聚力為30 kPa，內(nèi)摩擦角為17?。承載力特征值150 kPa。由于黏土具有黏性，其成分與天然膨潤(rùn)土有一定共性，與清水結(jié)合后的混合物具有一定屈服值與黏度，同時(shí)濾失水量較小。因此，試驗(yàn)中僅使用清水作為漿液，并加入適量擴(kuò)散劑，以解決渣土將刀具包裹，黏泥結(jié)成泥塊，影響循環(huán)系統(tǒng)通暢的問(wèn)題。黏土地層泥漿配制方案為：水 + 0.2%擴(kuò)散劑。

4. 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)泥漿的性能參數(shù)及其變化規(guī)律以及各地層試驗(yàn)結(jié)果，得出卵石、砂層、黏土地層中泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)的最佳泥漿配比。卵石層中泥漿配比：水 + 膨潤(rùn)土(一級(jí)) 10% + 5%純堿 + 0.5%正電膠干粉 +0.2%降濾失水劑。砂層中泥漿配比：水 + 9%膨潤(rùn)土(一級(jí)) + 5%純堿 + 0.5%正電膠干粉 + 0.2%降濾失水劑。黏土層中泥漿配比：水 + 0.2%擴(kuò)散劑。

[1] 張鳳祥, 朱合華, 傅德明. 盾構(gòu)隧道[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004: 120-122.

[2] 袁大軍, 李興高, 李建華, 等. 卵石地層泥水盾構(gòu)泥漿滲透試驗(yàn)分析[J]. 都市快軌交通, 2009, 22(3): 32-35.