利用城區(qū)高鐵隧道尾水配制泥水盾構(gòu)掘進(jìn)用泥漿技術(shù)

霍翼

（京沈鐵路客運(yùn)專線京冀有限公司，北京 100070）

近十年來，泥水盾構(gòu)隧道技術(shù)廣泛應(yīng)用于我國隧道建設(shè)中，已成為大型越江（海）隧道和城市地下鐵路建設(shè)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)［1］。泥水盾構(gòu)施工中，開挖土料與泥水混合形成的高密度泥漿由排漿泵或管道輸送到地面，經(jīng)泥水處理設(shè)備分離后會(huì)產(chǎn)生大量廢棄泥漿［2］。國內(nèi)常添加高分子絮凝劑輔以機(jī)械物理脫水使泥漿固液分離［3］，分離后產(chǎn)生的清液能否用于配制泥漿，是一個(gè)值得探索的問題。

泥水盾構(gòu)施工中泥漿需在開挖面形成微透水的泥膜，將泥漿壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力以平衡地層中水土壓力，來保證開挖面的穩(wěn)定。而泥漿材料組成及泥漿性質(zhì)對(duì)泥膜形成及泥膜濾水量有重要影響。Watanabe等［4］在高滲透地層中開展泥漿成膜試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著泥漿密度增大泥漿濾失量逐漸減小，泥漿中砂含量在一定范圍內(nèi)增大會(huì)顯著降低泥漿的濾失量。韓曉瑞等［5］通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泥漿黏度越大泥漿濾失量越小，越易于形成泥膜。目前國內(nèi)相關(guān)研究中關(guān)于尾水配漿及成膜方面的研究較少。

本文以北京—沈陽客運(yùn)專線望京隧道為工程案例，利用廢棄泥漿經(jīng)絮凝-帶式壓濾處理產(chǎn)生的尾水配置黏土泥漿，添加不同比例的增黏劑溶液和膨潤土漿，并對(duì)配制的漿液進(jìn)行泥漿滲透成膜試驗(yàn)，探究合理利用尾水配制泥水盾構(gòu)掘進(jìn)用泥漿的技術(shù)。

1 工程概況與問題分析

望京隧道為雙洞單線高速鐵路隧道，全長8 000 m，位于北京市四環(huán)與六環(huán)之間，大致沿京承高速公路走行。隧道主要采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)區(qū)間全長6 880 m，開挖直徑10.87 m，管片外徑10.5 m，內(nèi)徑9.5 m，厚度0.5 m，環(huán)寬2.0 m。

盾構(gòu)始發(fā)段掘進(jìn)過程中會(huì)穿越黏粉粒含量較高的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層，產(chǎn)生大量的黏土泥漿。盾構(gòu)在這種黏土地層掘進(jìn)時(shí)，泥水分離設(shè)備無法及時(shí)將微小黏土顆粒分離，導(dǎo)致泥漿相對(duì)密度及黏度不斷增大。為了滿足泥漿性能和施工要求，必須廢棄部分泥漿，從而產(chǎn)生了大量高相對(duì)密度、高黏度的廢棄泥漿?？紤]到泥漿排放可能帶來環(huán)境問題，本工程采用絮凝-帶式壓濾處理工藝對(duì)這些廢棄泥漿進(jìn)行快速脫水處理，處理過程中會(huì)產(chǎn)生大量無色、無味透明液體，即尾水。

盾構(gòu)開挖斷面直徑10.87 m，在粉質(zhì)黏土地層中掘進(jìn)時(shí)，每環(huán)需2 200 m3泥漿完成攜帶出渣，因此若絮凝-帶式壓濾處理后產(chǎn)生的尾水能重新達(dá)到制漿用水標(biāo)準(zhǔn)，可很大程度減少泥漿配制用水量，節(jié)約施工成本。

2 尾水配制泥漿試驗(yàn)

2.1 尾水水質(zhì)分析

配制泥漿的水取自廢棄泥漿經(jīng)現(xiàn)場絮凝-帶式壓濾處理后產(chǎn)生的大量尾水。因國內(nèi)尚無規(guī)范對(duì)泥水盾構(gòu)泥漿配制用水水質(zhì)作出相關(guān)規(guī)定，考慮到泥漿用水要求低于鋼筋混凝土拌和用水，本文參考JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)鋼筋混凝土拌和用水水質(zhì)的要求，在現(xiàn)場使用酸度計(jì)、火焰光度計(jì)、電子天平對(duì)尾水水質(zhì)進(jìn)行簡易分析，結(jié)果見表1。

表1 水質(zhì)簡易分析結(jié)果

由表1 可知，尾水的pH 值大于7，呈弱堿性，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足JGJ 63—2006 中鋼筋混凝土拌和用水的水質(zhì)要求。因此經(jīng)絮凝-帶式壓濾處理產(chǎn)生的尾水可以滿足泥水盾構(gòu)掘進(jìn)用泥漿配制用水要求。

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為黏土、鈉基膨潤土和CYHS?3 型增黏劑。增黏劑由不同的大、中分子量的聚丙烯酸鹽類、纖維素鹽類、抗鈣劑、乙烯基單體多元共聚物類、膨脹劑、改性土、增效添加劑等組成。采用蘇式漏斗黏度儀測試泥漿漏斗黏度，1002型比重計(jì)測試泥漿密度。

2.3 試驗(yàn)方法

1）使用尾水配制不同密度的黏土泥漿。密度為1.20，1.15，1.10，1.05 g/cm3的泥漿對(duì)應(yīng)的黏土與水的質(zhì)量比分別為1∶3，1∶4，1∶6，1∶12。

2）膨化不同膨水比（膨潤土質(zhì)量/水質(zhì)量）的膨潤土漿，24 h 后測試漿液基本性能指標(biāo)，見表2。由于此處膨潤土漿主要用于調(diào)節(jié)黏土泥漿的黏度，因此選用漏斗黏度較高的膨水比為1∶10的膨潤土漿進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 不同膨水比的膨潤土漿性能指標(biāo)

3）在黏土泥漿中分別添加增黏劑溶液和膨潤土漿，測量混合泥漿的漏斗黏度及密度，以供現(xiàn)場不同工況下配制泥漿作參考。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 黏土泥漿中添加增黏劑溶液

增黏劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%。向黏土泥漿中逐級(jí)添加占黏土泥漿質(zhì)量5%，10%，15%及20%的增黏劑溶液。具體添加量見表3。

表3 增黏劑溶液添加量

黏土泥漿添加不同量的增黏劑溶液后其基本性能指標(biāo)變化曲線見圖1。

圖1 添加增黏劑溶液后泥漿基本性能指標(biāo)變化曲線

由圖1 可見：①密度1.20 g/cm3的黏土泥漿初始漏斗黏度為17 s，增黏劑溶液添加量小于10%時(shí)，泥漿漏斗黏度隨添加量提高而增大，但是增黏劑溶液添加量大于10%后漏斗黏度變化不明顯。增黏劑溶液添加量由0 增至20%，泥漿密度由1.2 g/cm3逐漸減至1.17 g/cm3。因此，對(duì)于密度1.2 g/cm3的黏土泥漿，增黏劑溶液最佳添加量為10%。②密度為1.15 g/cm3的黏土泥漿初始漏斗黏度為16 s，增黏劑溶液添加量達(dá)到5%后漏斗黏度變化不明顯。增黏劑溶液添加量達(dá)到15% 時(shí)泥漿密度降為1.13 g/cm3。對(duì)于密度1.15 g/cm3的黏土泥漿，增黏劑溶液最佳添加量為5%。③密度1.10，1.05 g/cm3的黏土泥漿初始漏斗黏度均為16 s，添加增黏劑對(duì)其黏度影響很小，未達(dá)到工程要求的漏斗黏度指標(biāo)（20 s）。因此，對(duì)于1.10 g/cm3及以下低密度泥漿，不再適合采用黏土泥漿+增黏劑的配漿方法，須在配漿中添加膨潤土漿。

2.4.2 黏土泥漿中添加膨潤土漿

向黏土泥漿中逐級(jí)添加占黏土泥漿質(zhì)量10%，20%，30%，40%，50%，60%，80%及100%的膨潤土漿（膨潤土漿膨水比為1∶10，膨化時(shí)間為24 h）。膨潤土漿具體添加量見表4。泥漿基本性能指標(biāo)變化曲線見圖2。

表4 膨潤土漿添加量

圖2 添加膨潤土漿后泥漿基本性能指標(biāo)變化曲線

由圖2（a）可知，密度1.20 g/cm3的黏土泥漿初始漏斗黏度為17 s，膨潤土漿添加量達(dá)到50%時(shí)混合泥漿黏度達(dá)到22 s 左右，密度為1.15 g/cm3。隨著膨潤土添加量增加，混合泥漿黏度逐漸增大，密度逐漸降低。添加量超過60%時(shí)添加膨潤土漿對(duì)混合泥漿黏度的提高效果更加明顯。添加量達(dá)到100%時(shí)混合泥漿黏度達(dá)到32 s，而密度降至1.12 g/cm3左右。

由圖2（b）可知，密度1.15 g/cm3的黏土泥漿初始漏斗黏度為16 s，當(dāng)膨潤土漿添加量達(dá)到50%時(shí)混合泥漿黏度達(dá)到20 s 左右，密度為1.13 g/cm3。隨著膨潤土漿添加量的增加，混合泥漿黏度逐漸增大，密度逐漸降低。當(dāng)添加量達(dá)到100%時(shí)，混合泥漿黏度達(dá)到27 s，而密度降至1.1 g/cm3左右。

由此可知，在黏土泥漿中添加膨潤土漿能夠穩(wěn)定提高泥漿黏度。泥漿性質(zhì)不穩(wěn)定時(shí)可以通過添加膨潤土漿來調(diào)節(jié)泥漿性能。

3 尾水配制泥漿滲透成膜試驗(yàn)

試驗(yàn)用泥漿為黏土泥漿和膨潤土漿的混合泥漿，泥漿密度為1.13 g/cm3，漏斗黏度為20 s。泥漿顆粒級(jí)配曲線見圖3。

圖3 泥漿顆粒級(jí)配曲線

選擇本工程粉細(xì)砂地層進(jìn)行試驗(yàn)，地層滲透系數(shù)為5.0×10-3cm/s。泥漿滲透成膜試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 泥漿滲透成膜試驗(yàn)裝置示意

試驗(yàn)裝置主體為高300 mm、內(nèi)徑120 mm 的有機(jī)玻璃滲透柱。試驗(yàn)時(shí)在滲透柱下部裝入高約3 cm、粒徑2～5 mm 的中粗砂作為濾層，然后裝入高5 cm 的粉細(xì)砂層。采用正向飽和法先往滲透柱中注水再裝入濾層和粉細(xì)砂層使之飽和，并控制粉細(xì)砂層干密度為1.5 g/cm3；然后注入一定高度的泥漿，密封法蘭盤，通過空壓機(jī)和穩(wěn)壓閥向滲透柱中施加200 kPa 氣壓后，打開滲透柱底端的連通閥門，開始滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)中記錄泥漿滲透過程中濾水量的變化，測量泥膜和滲透帶的厚度。

試驗(yàn)中在每級(jí)壓力下泥漿濾失量都能迅速達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，泥漿在粉細(xì)砂層表面快速形成厚4 mm的泥膜。成膜過程中泥漿濾失量和壓力曲線見圖5。

圖5 泥漿濾失量和壓力曲線

由圖5 可見，泥漿壓力為50 kPa 時(shí)泥漿濾失量僅為18 mL。繼續(xù)提高泥漿壓力，泥漿濾失量增加不多。泥漿壓力為150 kPa時(shí)泥漿濾失量為43 mL左右，繼續(xù)提高泥漿壓力到300 kPa，泥漿濾失量達(dá)到83 mL，泥漿在粉細(xì)砂層表面形成的泥膜能夠較好阻止泥漿中水向粉細(xì)砂層中滲透。

4 用尾水配制泥漿的經(jīng)濟(jì)性分析

擬采用密度1.13 g/cm3，漏斗黏度20 s 的泥漿作為泥水盾構(gòu)用泥漿。該泥漿由密度1.15 g/cm3的黏土泥漿與占泥漿質(zhì)量50%的膨潤土漿混合配制而成。

膨潤土漿按膨水比1∶10 配制，密度1.15 g/cm3的黏土泥漿按土水比1∶4配制，該配合比下每配制1 000 m3泥漿需要自來水約954 t。若采用尾水配制，則每配制1 000 m3泥漿至少可節(jié)約用水954 （t約2 000元），可產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)提升水資源的利用率，具有環(huán)保意義。

5 結(jié)論

1）向不同密度的黏土泥漿中加入增黏劑溶液、膨潤土漿，均能提高泥漿漏斗黏度，改善泥漿的性質(zhì)。密度為1.15 g/cm3的黏土泥漿，增黏劑溶液最佳添加量為5%。當(dāng)泥漿密度較低時(shí)，需加入膨潤土漿進(jìn)一步提高泥漿漏斗黏度及密度。

2）使用尾水配制的密度1.13 g/cm3，漏斗黏度20 s的泥漿可以在粉細(xì)砂地層中形成結(jié)構(gòu)致密的泥膜。當(dāng)泥漿壓力達(dá)到300 kPa，泥漿濾失量僅為83 mL，形成的泥膜能夠較好阻止泥漿中的水向地層中滲透。每配制1 000 m3泥漿至少可節(jié)約用水954 t，具有較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

3）經(jīng)絮凝-帶式壓濾處理工藝分離出的尾水因投放的藥劑不同其性質(zhì)亦不同，在其他泥水盾構(gòu)工程中推廣及應(yīng)用時(shí)還須大量試驗(yàn)研究。