飽和粉細(xì)砂地層中泥水平衡盾構(gòu)施工泥漿配制室內(nèi)試驗(yàn)研究

趙洪洲 張明儉

（1.黑龍江省鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150001；2.中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110000）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及施工技術(shù)的創(chuàng)新，跨江越河隧道日漸增多。盾構(gòu)法隧道施工對(duì)周邊環(huán)境影響小、地質(zhì)條件適應(yīng)能力強(qiáng)、施工相對(duì)安全迅速，成為水下隧道施工的首選［1］。泥水平衡盾構(gòu)能夠廣泛適應(yīng)多種地層，適用于修建長(zhǎng)距離、大斷面、髙水壓條件下的隧道，但同時(shí)也面臨泥漿配比參數(shù)選擇的問題。

高滲透性地層中泥漿成膜質(zhì)量和泥漿性質(zhì)受泥漿成分、泥漿配比以及土層物理力學(xué)參數(shù)影響。Heinz［2］通過將粉土、砂土等摻入膨潤(rùn)土泥漿中縮短了泥漿顆粒在高滲透性地層中的滲透距離；Fritz［3］通過將蛭石、高聚物摻入泥漿中改善了高滲透性地層中泥漿成膜效果。吳迪等［4］通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了泥漿相對(duì)密度與濾水量的關(guān)系，并對(duì)制漿材料在不同土層中的填充效果進(jìn)行了分析；Min 等［5］選取d85作為泥漿顆粒特征粒徑，在室內(nèi)泥漿滲透試驗(yàn)的基礎(chǔ)上計(jì)算了d85和地層平均孔徑的比例關(guān)系，并以此確定了泥膜的形成類型。Watanabe等［6］通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M高滲透性地層中泥漿滲透成膜現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)泥漿密度與泥漿濾失量成負(fù)相關(guān)。孫欣欣［7］采用理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)，針對(duì)砂性地層的特點(diǎn)，選出最佳的泥漿配比、砂土改良配比，并現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了其實(shí)用性。劉成等［8］通過地層不同孔隙率條件下泥漿滲透成膜試驗(yàn)，分析了地層孔隙率對(duì)刀盤前方泥漿成膜質(zhì)量的影響規(guī)律。

對(duì)于地質(zhì)情況復(fù)雜的高滲透性地層中施工的水下大直徑盾構(gòu)隧道而言，及時(shí)形成安全、有效的泥膜支護(hù)，是穩(wěn)定隧道開挖面、降低施工風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約施工成本的難點(diǎn)。韋良文等［9］在上海復(fù)興東路越江隧道建設(shè)中，通過室內(nèi)泥漿試驗(yàn)，從微觀角度分析了泥漿的特性。張寧等［10］以南京某越江隧道在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層中掘進(jìn)產(chǎn)生的廢棄泥漿為基礎(chǔ)材料，通過加入膨潤(rùn)土漿或CYHS-3型增黏劑，得到了4種滿足砂性地層施工要求的泥漿配比。李昀等［11］依托上海崇明越江通道長(zhǎng)江隧道工程，進(jìn)行了模型試驗(yàn)?zāi)M泥水平衡盾構(gòu)動(dòng)態(tài)開挖過程，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析確定了動(dòng)態(tài)開挖過程中泥艙壓力的浮動(dòng)范圍。

本文依托一大直徑供暖盾構(gòu)隧道下穿黃河工程，采取室內(nèi)泥漿配比試驗(yàn)和工程現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的方法確定適用于富水飽和粉細(xì)砂地層中盾構(gòu)施工的泥漿配比。

1 室內(nèi)泥漿配比試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

室內(nèi)泥漿配比試驗(yàn)以膨潤(rùn)土為基礎(chǔ)材料，摻入一定比例羧甲基纖維素鈉（Sodium carboxymethyl cellulose，簡(jiǎn)稱CMC）及純堿，見圖1。

2）CMC。CMC 為白色顆粒，易溶于水且溶于水后成透明凝膠狀。由于CMC起到黏合、增稠、乳化、保水等作用，在制備膨潤(rùn)土泥漿時(shí)摻入CMC可增加泥漿黏度并形成滲透性較低的濾餅。

3）純堿。純堿為白色顆粒，易溶于水和甘油。在制備膨潤(rùn)土泥漿時(shí)摻入純堿主要起鈉化作用。

圖1 試驗(yàn)材料

表1 膨潤(rùn)土主要化學(xué)成分及相關(guān)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

采用相同的配比材料，通過多種不同的配制方法可得到相同的泥漿技術(shù)參數(shù)。配制1 升泥漿，膨潤(rùn)土分別取 105，125，145，165，185 g；CMC 分別取 3.3，2.7，3.9 g；純堿分別取 3.3，3.0 g。通過交叉設(shè)計(jì)法制備了30個(gè)泥漿試樣，試樣配比見表2。

表2 泥漿試樣配比

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及方法

按配比稱取各組分，干混均勻后攪拌30 min，在要求的試驗(yàn)條件下測(cè)量泥漿試樣的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。

1.3.1 泥漿相對(duì)密度測(cè)試

泥漿相對(duì)密度測(cè)試采用NB-1型泥漿相對(duì)密度計(jì)，見圖2。

圖2 NB-1型泥漿相對(duì)密度計(jì)

NB-1型泥漿相對(duì)密度計(jì)為非等臂杠桿式儀器，杠桿主尺分度值為0.01 g/cm3。杠桿一端連接測(cè)試杯，測(cè)試杯容量為140 cm3；另一端放置用來(lái)校正杠桿平衡的重物平衡筒。

1.2.4 檢測(cè)IgG、IgM、IgA 抽取外周血2～3 mL于含纖維蛋白酶促凝劑的管中(橘黃色管蓋)，應(yīng)用西門子BNⅡ全自動(dòng)特定蛋白分析儀檢測(cè)IgG、IgM、IgA的表達(dá)水平。

測(cè)試步驟：①取下杯蓋，將要測(cè)試的泥漿試樣裝滿測(cè)試杯，輕敲杯外側(cè)的同時(shí)擺動(dòng)泥漿25次來(lái)防止空氣浸入，直至杯中的氣泡溢出杯外；②蓋好杯蓋，擠出多余的泥漿和空氣，將測(cè)試杯擦拭干凈；③將主刀刃對(duì)準(zhǔn)刀口，放于支承座上；④將砝碼移到主刀刃附近，緩緩向右移動(dòng)砝碼，使水平泡居中以保持杠桿主尺水平；⑤讀數(shù)，砝碼左側(cè)邊線對(duì)應(yīng)的刻度線即為泥漿相對(duì)密度數(shù)值。

1.3.2 泥漿黏度測(cè)試

泥漿黏度測(cè)試采用NDJ-5型黏度計(jì)，見圖3。

圖3 NDJ-5型黏度計(jì)

NDJ-5 型黏度計(jì)測(cè)定的黏度為條件黏度，即在一定溫度下將一定量的試樣從規(guī)定的孔徑流出所需要的時(shí)間。根據(jù)試樣流出時(shí)間t采用經(jīng)驗(yàn)公式換算成條件黏度γ。經(jīng)驗(yàn)公式為

測(cè)試步驟：①將黏度計(jì)擦拭干凈，將其置于空氣中干燥或用冷風(fēng)吹干，保持杯內(nèi)壁和流出孔的清潔；②支架平臺(tái)在試驗(yàn)過程中保持水平；③攪拌試液使其均勻，用不小于567 孔/cm2的篩網(wǎng)進(jìn)行過濾，并將溫度控制在（25±1）℃；④將試液注入黏度計(jì)，用塑料板堵住流出孔，將試液慢慢倒入杯內(nèi)，直至液面凸出杯的上邊緣，如存在氣泡，則用清潔的平玻璃板除去凸出的液面及氣泡，使試液的水平面與流量杯上邊緣位于同一水平面；⑤去掉塑料板，使試液垂直流出，用金屬杯承接試液，同時(shí)啟動(dòng)秒表，試液呈線條流出時(shí)停止秒表計(jì)時(shí)；⑥平行試驗(yàn)，誤差不應(yīng)超過平均值的3%。

1.3.3 泥漿失水量測(cè)試

泥漿失水量采用馬克西莫維奇濾紙測(cè)定，見圖4。利用泥漿中的水分（主要是游離水）在濾紙上的滲透距離來(lái)測(cè)定泥漿失水量。泥漿中向?yàn)V紙滲透的水量越多則濾紙上的水濕半徑越大，泥漿的失水量也越大；反之，泥漿失水量越小。

圖4 濾紙測(cè)定法

測(cè)試步驟：①用圓規(guī)在濾紙中心畫直徑為2.5～3.0 cm 的圓，將濾紙放置于水平的玻璃板上；②量取2 mL 泥漿，滴在圓心的同時(shí)開始計(jì)時(shí)；30 min 后用鉛筆畫出水濕圈的邊緣，量取2 處以上水濕圈至泥漿邊緣的距離并取平均值，記為D1，D2，…，Dn（n為量測(cè)次數(shù)）。

泥漿30 min失水量B經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

泥漿配比試驗(yàn)結(jié)果見表3。試樣相對(duì)密度變化曲線見圖5?？芍孩貱MC 和純堿摻量一定（如試樣1～5），試樣相對(duì)密度隨膨潤(rùn)土摻量增加近似呈線性增長(zhǎng)，泥漿相對(duì)密度在1.074～1.248，各組試樣相對(duì)密度變化趨勢(shì)大體一致；②膨潤(rùn)土與純堿摻量一定（如試樣1 和試樣6），提高CMC 摻量對(duì)于提高試樣的相對(duì)密度作用不大，原因可能是CMC 的摻量較?。?.7，3.3，3.9 g），且其主要作用是黏合、增稠；③膨潤(rùn)土與CMC摻量一定，純堿摻量3.3 g（試樣1）、3.0 g（試樣16）時(shí)泥漿相對(duì)密度分別為1.081和1.082，摻入少量純堿對(duì)于提高泥漿相對(duì)密度作用不大，這與摻入純堿的主要作用是調(diào)整泥漿試樣的pH值有關(guān)。

試樣條件黏度變化曲線見圖6。可知：①CMC 和純堿摻量一定，試樣條件黏度隨膨潤(rùn)土摻量增加而增大，總體來(lái)看膨潤(rùn)土摻量越大黏度增長(zhǎng)越明顯。②膨潤(rùn)土與純堿摻量一定，摻入CMC對(duì)于提高黏度作用明顯。試樣1、試樣6、試樣11 的CMC 摻量分別為3.3，2.7，3.9 g，對(duì)應(yīng)的條件黏度分別為 22.32，19.22，24.52 s。③膨潤(rùn)土與CMC摻量一定，增加純堿摻量反而會(huì)降低黏度。試樣1、試樣16 純堿摻量分別為3.3，3.0 g，對(duì)應(yīng)的條件黏度分別為22.32，22.52 s。

表3 泥漿配比試驗(yàn)結(jié)果

圖5 試樣相對(duì)密度變化曲線

圖6 試樣條件黏度變化曲線

試樣30 min 失水量變化曲線見圖7。可知：①膨潤(rùn)土與CMC 摻量一定，試樣1、試樣16 純堿摻量分別為 3.3，3.0 g，對(duì)應(yīng)的 30 min 失水量分別為 12.03，14.03 mL，失水量變化明顯。②CMC 與純堿摻量一定，隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，試樣1～5 和試樣16～20 的30 min 失水量先增大后減小；試樣 6～10 和試樣21～25的30 min 失水量總體上增大，但中間3 個(gè)試樣的30 min 失水量相差不大；試樣 11～15 和試樣 26～30 的30 min失水量先減小后增大之后再次減小。

圖7 試樣30 min失水量變化曲線

綜合以上分析可知：①摻入一定量的純堿可使泥漿分散成更小的顆粒，提高泥漿的水化和造漿性能，表現(xiàn)為泥漿30 min 失水量減小，但應(yīng)注意摻量不宜過大；②泥漿的相對(duì)密度和條件黏度主要受膨潤(rùn)土和CMC 的摻量控制，受膨潤(rùn)土摻量影響最大；③膨潤(rùn)土摻量越多，泥漿的相對(duì)密度和條件黏度越大；④CMC可使膨潤(rùn)土水化更充分，對(duì)于泥漿條件黏度的提高有一定作用。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程地質(zhì)情況

某市智能化集中供熱管道下穿黃河隧道工程采用泥水平衡盾構(gòu)施工，隧道全長(zhǎng)1 838 m，開挖直徑9.05 m。下穿區(qū)段位于黃河河床及兩側(cè)一、二級(jí)階地，主要由第四紀(jì)全新統(tǒng)沖湖積、沖洪積粉細(xì)砂、粉土組成。

盾構(gòu)隧道地層縱斷面見圖8。各土層相關(guān)參數(shù)見表4。

圖8 盾構(gòu)隧道地層縱斷面

表4 土層相關(guān)參數(shù)

3.2 工程難點(diǎn)

隧址區(qū)工程、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其在下穿黃河區(qū)段，地層以富水飽和粉細(xì)砂為主。該地層透水性強(qiáng)、自穩(wěn)能力差，易造成盾構(gòu)掘進(jìn)面壓力難以保持、刀盤前方地層透水或劈裂。泥漿參數(shù)的選擇是工程成功的關(guān)鍵。

3.3 應(yīng)用效果

選取盾構(gòu)始發(fā)井洞門后100 m 為試驗(yàn)段。根據(jù)該段泥漿配比與盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的出渣量確定盾構(gòu)隧道后續(xù)施工時(shí)的泥漿配比。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外相似地層中盾構(gòu)隧道工程中泥漿配比參數(shù)，選取室內(nèi)試樣4，9，19 和28 在試驗(yàn)段進(jìn)行試驗(yàn)，不考慮超挖情況下每環(huán)理論出渣量為102.9 m3。現(xiàn)場(chǎng)出渣量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表5?？芍嚇? 波動(dòng)幅度在10%以內(nèi)，效果最為理想。

表5 出渣量統(tǒng)計(jì)

綜合考慮室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果、試驗(yàn)段及后續(xù)施工段出渣量，適用于富水飽和粉細(xì)砂地層施工的泥漿控制指標(biāo)為：泥漿相對(duì)密度 1.15～1.20，條件黏度 25～35 s，30 min泥漿失水量不大于20 mL。

4 結(jié)論

本文針對(duì)高滲透性飽和富水粉細(xì)砂地層中泥水平衡盾構(gòu)施工中泥漿配比問題進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)影響泥漿性能因素進(jìn)行了分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定了合適的泥漿配比。得出以下結(jié)論：

1）泥漿的相對(duì)密度和條件黏度主要由膨潤(rùn)土和CMC的摻量控制，受膨潤(rùn)土摻量的影響最大；摻入一定量的純堿可使泥漿30 min 失水量減小，但摻量不宜過大。

2）適用于飽和富水粉細(xì)砂地層中盾構(gòu)隧道施工的泥漿控制指標(biāo)為：泥漿相對(duì)密度1.15～1.20，條件黏度 25～35 s，30 min 失水量不大于 20 mL。1 m3泥漿最佳配比為膨潤(rùn)土 165 kg，CMC3.3 kg，純堿 3.3 kg，水930 L。