盾構(gòu)施工中防噴涌泥漿的制備與性能研究

張啟琿， 劉相華， 唐夢(mèng)蝶， 鄭玉濤， 孫杰， 馬新偉

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)海洋工程學(xué)院，山東 威海 264209；2.濟(jì)南城建集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250031）

0 引言

隨著地鐵建設(shè)工程蓬勃發(fā)展，促進(jìn)了盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展，而在盾構(gòu)施工中，地下水問(wèn)題是引發(fā)工程事故的首要因素[1]。但在現(xiàn)代化的盾構(gòu)機(jī)械問(wèn)世后，因?yàn)槭┕と藛T避免了與滲水、透水的開(kāi)挖面直接接觸，所以發(fā)生工程事故的幾率大大降低。盾構(gòu)機(jī)械在隧道施工中起到支撐起周?chē)翆?，防止坍塌的作用，并通過(guò)施工建設(shè)鞏固挖掘后的部分，從而順利進(jìn)行隧道建設(shè)[2]。

雖然盾構(gòu)機(jī)降低了地下水對(duì)施工的部分影響，但由于在帶壓進(jìn)倉(cāng)時(shí)需要有高性能、高質(zhì)量的泥膜護(hù)壁來(lái)支撐開(kāi)挖面，而傳統(tǒng)泥漿存在粘度小、致密性差、易脫落等諸多缺點(diǎn)，因此提高泥漿的性能對(duì)盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展有重要意義[3，4]。

近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在泥膜護(hù)壁問(wèn)題中都做了相當(dāng)多的研究。在首個(gè)土壓平衡盾構(gòu)（EPB）隧道工程中，G.Wayne Clough驗(yàn)證了其沉降比傳統(tǒng)盾構(gòu)工程少且地下水位不會(huì)受隧道開(kāi)挖的影響[5]。并對(duì)華盛頓特區(qū)三個(gè)軟土地基隧道工程中的EPB盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行分析，在沒(méi)有進(jìn)行化學(xué)灌漿的砂土覆蓋區(qū)，頂部有粘土或者進(jìn)行化學(xué)灌漿的情況下可以減少地面沉降[6]。廣州地鐵盾構(gòu)技術(shù)研究所在富水復(fù)合地層進(jìn)行了歷時(shí)25年、數(shù)量在350臺(tái)次以上的實(shí)踐，表明在富水砂卵石地層中，由于地下水含量豐富以及土層中存在大直徑卵石導(dǎo)致土層的級(jí)配比差，盾構(gòu)機(jī)施工速度緩慢，出現(xiàn)超挖現(xiàn)象使開(kāi)挖面與管片之間形成空隙，導(dǎo)致地表沉降進(jìn)而影響到地面上部的建筑物及構(gòu)筑物[3]。而在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，有可能出現(xiàn)“滯排”現(xiàn)象[7]，需帶壓進(jìn)倉(cāng)，必須同時(shí)考慮噴涌、滲水問(wèn)題，針對(duì)這一問(wèn)題廣州軌道交通監(jiān)理公司與佛山市泰迪斯材料有限公司聯(lián)合在2015年研制出了盾構(gòu)施工輔助材料，并由竺維彬正式將其命名為“衡盾泥”[8]。李茂松結(jié)合蘭州軌道交通1號(hào)線(xiàn)，通過(guò)對(duì)“衡盾泥”的拌制、施工研究，提高了泥漿的穩(wěn)定性和隔水性[9]。謝鐵軍通過(guò)長(zhǎng)沙某電力隧道驗(yàn)證了“衡盾泥”在富水砂卵石底層輔助施工的可能性[3]。萬(wàn)維燕通過(guò)對(duì)廣州八號(hào)線(xiàn)8標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)研究，得出采用“衡盾泥”輔助帶壓進(jìn)倉(cāng)作業(yè)提高了施工安全性的結(jié)論[10]。

但由于在進(jìn)行帶壓進(jìn)倉(cāng)時(shí)需要同時(shí)考慮泥膜護(hù)壁、地下水的噴涌、滲水等問(wèn)題，因此文中在以上學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，對(duì)護(hù)壁泥漿進(jìn)行改良，沿用“雙液漿”的配制思路，采用膨潤(rùn)土、石粉作為主要原材料，摻入不同的助劑，以粘度、密度、泌水率為主要指標(biāo)，得到輔助漿料適用于不同環(huán)境下的最佳材料組成及最優(yōu)配合比。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由于試驗(yàn)中變量較多，如果進(jìn)行全面試驗(yàn)則會(huì)出現(xiàn)試驗(yàn)次數(shù)過(guò)多的問(wèn)題，所以通過(guò)控制變量法來(lái)進(jìn)行。

泥漿分為A液與B液，分別對(duì)A液與B液進(jìn)行研究，并測(cè)出在各種材料的不同配合比下新型防噴涌泥漿的物理性質(zhì)、工程性質(zhì)，從而得出適用于不同環(huán)境下的最佳材料組成及最優(yōu)配合比。首先通過(guò)控制變量法測(cè)出A液在用水量、膨潤(rùn)土及石粉用量等因素變化時(shí)粘度、密度、泌水率的變化，然后選擇合適的增稠劑摻入A液中并測(cè)量粘度指標(biāo)，以粘度為依據(jù)選擇合適的增稠劑；在選擇好增稠劑后同樣用控制變量法測(cè)出加入B液后的泥漿在增稠劑相對(duì)摻入量等因素變化時(shí)粘度、密度的變化，由此確定增稠劑的品種及用量。

通過(guò)控制變量法完成泥漿B液全部試驗(yàn)后，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)粘度等指標(biāo)選取合適的泥漿A液配合比及泥漿B液摻入量，配置出合適的和泥漿A液B液混合后泥漿，即完整的防噴涌泥漿，再測(cè)試其稠度、密度等指標(biāo)，并結(jié)合泥漿B液試驗(yàn)所得粘度等數(shù)據(jù)綜合考量其性能。

2 試驗(yàn)所用材料

2.1 膨潤(rùn)土

膨潤(rùn)土的主要礦物成分是蒙脫石，由于蒙脫石獨(dú)特的層漿晶體結(jié)構(gòu)，可以把游離水分子吸收到晶體層間，導(dǎo)致層間距增大，體積膨脹[11，12]。用于該類(lèi)泥漿時(shí)，可以吸收泥漿中的游離水，可以使泥漿在短時(shí)間內(nèi)稠化。文中選擇鈉基膨潤(rùn)土作為主要原材料之一，對(duì)兩種膨潤(rùn)土進(jìn)行粒徑分析，如圖1所示。

圖1 膨潤(rùn)土粒徑分析

由圖1可知，一級(jí)膨潤(rùn)土中粒徑在10μm以?xún)?nèi)的顆粒的占比超過(guò)50%，而二級(jí)膨潤(rùn)土中粒徑在10μm以?xún)?nèi)的顆粒的占比不足50%，且一級(jí)膨潤(rùn)土中粒徑在1～5μm的顆粒的占比二級(jí)膨潤(rùn)土中1～5μm的顆粒的占比要高。一級(jí)膨潤(rùn)土的中位徑為7.546μm，二級(jí)膨潤(rùn)土的中位徑為12.48μm。綜合判斷采用一級(jí)膨潤(rùn)土較好。

2.2 石粉

石粉在防噴涌泥漿中起到填充作用。由于石粉顆粒對(duì)水的吸附力較弱，加入石粉可以減小用水量；在不減小用水量時(shí)還可以增大泥漿的流動(dòng)性。石粉的粒徑分析如圖2所示。

圖2 石粉粒徑分析

由圖2可知，石粉中粒徑在20μm以?xún)?nèi)的顆粒的占比不足40%，小于一級(jí)膨潤(rùn)土與二級(jí)膨潤(rùn)土中20μm以?xún)?nèi)的顆粒的占比。石粉的中位徑為27.36μm，大于一級(jí)膨潤(rùn)土與二級(jí)膨潤(rùn)土的中位徑。

2.3 增稠劑和增粘劑

防噴涌泥漿試驗(yàn)中所用到的增稠劑有羧甲基纖維素（CMC）、羥丙基甲基纖維素（HPMC）、低分子量聚丙烯酸鈉、中分子量聚丙烯酸鈉、高分子量聚丙烯酸鈉、聚丙烯酰胺、黃原膠、瓜爾豆膠，這些增稠劑呈固體粉末狀或固體顆粒狀，在不同程度上提高了泥漿粘度。

2.4 無(wú)水乙醇

用水作為增稠劑的載體制作B液時(shí)，增稠劑快速吸水稠化。且少量的增稠劑就需要大量的水，無(wú)形中在混合泥漿中額外帶入了大量的水，對(duì)泥漿的最終稠化是不利的。因此試驗(yàn)中采用無(wú)水乙醇作為載體制備懸浮液作為B液，增稠劑不溶于乙醇，少量的無(wú)水乙醇即可攜帶較多的增稠劑，以更好地滿(mǎn)足材料制備及施工需要。所用無(wú)水乙醇中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.7%。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 防噴涌泥漿A液制備及性能

制備A液時(shí)，首先將膨潤(rùn)土與石粉等固體粉料充分混合，將粉料先快后慢倒入水中。為了保證A液的流動(dòng)性，便于泵送，通過(guò)探索性試驗(yàn)，確定A液中石粉與膨潤(rùn)土之比的合適范圍為6：4到8：2之間，各配比下加入相應(yīng)量的水，以確保粘度在合適的范圍。

3.1.1 A液組成對(duì)粘度的影響

試驗(yàn)采用NDJ-9S型粘度儀，采用3號(hào)轉(zhuǎn)子、30rpm轉(zhuǎn)速測(cè)量A液石粉與膨潤(rùn)土各適宜配比下的粘度如圖3所示。

圖3 各配比下粘度曲線(xiàn)（3號(hào)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速30rpm）

由圖3可以看出，在一定范圍內(nèi)各配比下水固比越大，即水的相對(duì)用量越多，粘度越小。當(dāng)膨潤(rùn)土和水的用量比為1：6時(shí)，石粉的用量為自變量（分別為240、140、90g），再加兩組石粉用量為40、65g，做出粘度隨石粉用量的變化曲線(xiàn)，如圖4所示。

圖4 泥漿A液粘度隨石粉用量關(guān)系曲線(xiàn)（3號(hào)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速30rpm）

當(dāng)石粉用量40g時(shí)，經(jīng)充分?jǐn)嚢韬竽酀{仍不具有流動(dòng)性，其粘度極大，因此認(rèn)為不符合實(shí)際要求，不進(jìn)行粘度分析；石粉用量65g時(shí)，經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢韬竽酀{具有一定流動(dòng)性，但其自然流下時(shí)呈扁平狀，不能成股流下，可近似認(rèn)為此石粉用量是使泥漿初具流動(dòng)性的臨界點(diǎn)。由圖4可以看出，其他組分不變時(shí)，在一定范圍內(nèi)石粉用量越多，泥漿粘度越小。

3.1.2 密度

由于對(duì)A液和B液分開(kāi)制備，但施工時(shí)需要將二者混合，混合后的密度、粘度都會(huì)增大，需要具有一定的流動(dòng)性，否則影響泵送，因此需要研究密度和膨潤(rùn)土與石粉的比例關(guān)系。

采用NB-1型泥漿比重計(jì)測(cè)量泥漿密度，進(jìn)行密度分析。由文中粘度試驗(yàn)可知石粉與膨潤(rùn)土之比為8：2時(shí)，粘度和水固比基本呈線(xiàn)性變化，因此來(lái)進(jìn)行密度分析試驗(yàn)，分組測(cè)得各組如表1所示。

表1 泥漿A液密度測(cè)試數(shù)據(jù)

將1～3組做對(duì)比，即石粉與膨潤(rùn)土用量固定，可以看出在一定范圍內(nèi)用水量越大，泥漿密度越小。

將1、4、5組做對(duì)比，即固體粉料和為300g、水量為300g時(shí)，可以看出在一定范圍內(nèi)膨潤(rùn)土和石粉的比例越大，泥漿密度越大。

3.1.3 泌水率

由于在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)泥漿A液出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，因此需要測(cè)量泌水率。

設(shè)置五組試驗(yàn)，分別測(cè)量泌水率和用水量的關(guān)系及膨潤(rùn)土與石粉的比例和泌水率的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 泥漿A液泌水率測(cè)試數(shù)據(jù)

將1～3組數(shù)據(jù)做對(duì)比，可以看出在一定范圍內(nèi)用水量越大，泥漿泌水率越小。

將1、4、5組數(shù)據(jù)做對(duì)比，可以看出在一定范圍內(nèi)膨潤(rùn)土和石粉的比例越大，泥漿泌水率越小。

3.2 防噴涌泥漿B液制備

B液主要起到使A液稠化的作用，由增稠劑和載體物質(zhì)組成。當(dāng)以水作為載體時(shí)，由于增稠劑快速溶于水，并使大量的水稠化，所以少量的增稠劑就需要大量的水，而大量的水與A液混合后并不利于混合泥漿的稠化。因此試驗(yàn)中嘗試用無(wú)水乙醇作為B液的載體。

試驗(yàn)表明無(wú)水乙醇與B組分粉料混合形成懸浮液，因?yàn)锽組分粉料不溶于無(wú)水乙醇因此不會(huì)增大B液粘度，能夠達(dá)到泵送要求；同時(shí)又使得B液本身不具有水分，相當(dāng)于減少了A液與B液摻和后泥漿中的水分，增強(qiáng)了泥漿性能；而且僅需要少量無(wú)水乙醇就可以制得B液。

值得注意得是，由于B液在配置完成后是懸浮液，因此在泵送之前需要攪拌使粉料均勻分布在液體中，然后盡快泵送，同時(shí)要注意無(wú)水乙醇具有揮發(fā)性。

此外，為了使B液更粘稠，通過(guò)分別加入羧甲基纖維素（CMC）、羥丙基甲基纖維素（HPMC）觀(guān)察B液泥漿粘度，如圖5所示，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)HPMC增粘性能優(yōu)于CMC，決定加入HPMC。

圖5 加入CMC和HPMC對(duì)比曲線(xiàn)

3.3 防噴涌泥漿B液加入A液

在確定了A液合適的配合比及B液合適的配料后，因?yàn)锽液中固體粉料成分單一，且A液合適的配合比范圍較小，因此采用控制變量法，選出3種合適的A液配合比，在每種配合比下加入三種不同量的B液，進(jìn)行9組試驗(yàn)。

3.3.1 粘度

第一種A液石粉與膨潤(rùn)土的質(zhì)量比為6：4，泥水比為1：2.6，B液無(wú)水乙醇與HPMC的質(zhì)量比為5：1。第一種3組A液和B液摻和后測(cè)得泥漿粘度見(jiàn)表3。

表3 第一種A液B液摻和后測(cè)得的泥漿粘度（轉(zhuǎn)子：4號(hào)）

第二種情況為A液石粉與膨潤(rùn)土的質(zhì)量比為7：3，泥水比為1：1.8，B液無(wú)水乙醇與HPMC的質(zhì)量比為6：1。第二種3組A液和B液摻和后測(cè)得泥漿粘度見(jiàn)表4。

表4 第二種A液B液摻和后測(cè)得的泥漿粘度（轉(zhuǎn)子：4號(hào)）

第三種情況為A液石粉與膨潤(rùn)土的質(zhì)量比為8：2，泥水比為1：0.9，B液無(wú)水乙醇與HPMC的質(zhì)量比為16：3。第三種3組A液B液摻和后測(cè)得的泥漿粘度見(jiàn)表5。

表5 第三種A液B液摻和后測(cè)得的泥漿粘度（轉(zhuǎn)子：4號(hào)）

由表3～表5可知在A(yíng)液中石粉占比相對(duì)其他組較多，水占比相對(duì)其他組較少的情況下，在不增加HPMC的用量的基礎(chǔ)上，泥漿粘度相對(duì)較大，性能也更好，同時(shí)泥漿中水分較少也有利于充分發(fā)揮泥漿性能，因此認(rèn)為第三種配合比較為適宜。第三種A液B液摻和后測(cè)得的泥漿粘度和B液與A液質(zhì)量比關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6 泥漿粘度和B液與A液質(zhì)量比關(guān)系曲線(xiàn)

由圖6可得，在一定范圍內(nèi)B液與A液質(zhì)量比越大，泥漿粘度越大，且該組泥漿的粘度明顯大于第一種泥漿和第二種泥漿的粘度。

3.3.2 密度

由于在一定范圍內(nèi)B液中HPMC越多會(huì)導(dǎo)致泥漿密度越小，體積越來(lái)越大，因此要控制HPMC的含量，防止出現(xiàn)密度過(guò)小的情況，同時(shí)也要考慮粘度即HPMC含量少導(dǎo)致粘度過(guò)小，從而無(wú)法滿(mǎn)足工程要求。往含有240g石粉、60g膨潤(rùn)土、300g水的A液中摻入無(wú)水乙醇摻入量固定的B液后測(cè)得的泥漿密度與B液中HPMC的含量關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

圖7 泥漿密度與B液中HPMC的含量關(guān)系曲線(xiàn)

由圖7可以看出一定范圍內(nèi)B液中無(wú)水乙醇與HPMC的質(zhì)量比為16：3較為適宜。

綜上可得，防噴涌泥漿A液中膨潤(rùn)土與石粉的最佳比例為8：2，泥漿中A液的最佳泥水比在1：0.8到1：1.0之間，在泥漿滿(mǎn)足A液膨潤(rùn)土與石粉的比例為8：2、泥水比在1：0.8～1：1.0之間、B液中無(wú)水乙醇與HPMC的質(zhì)量比為16：3的情況下，防噴涌泥漿B液與A液的質(zhì)量比在0.03～0.05之間較為適宜。

4 結(jié)語(yǔ)

文中沿用“雙液漿”的配制思路，采用膨潤(rùn)土、石粉作為主要原材料，石粉在制備泥漿A液時(shí)不僅能夠起到增大泥漿流動(dòng)性、減小泥漿粘度的效果，還能充分利用工業(yè)廢棄物，減少污染物排放。在防噴涌泥漿B液中用無(wú)水乙醇代替水既增強(qiáng)了泥漿性能，且B組粉料不溶于乙醇進(jìn)而不會(huì)導(dǎo)致粘度增加，能夠達(dá)到泵送要求。

得到防噴涌泥漿中A液中膨潤(rùn)土與石粉的最佳比例為8：2，A液的最佳泥水比在1：0.8～1：1.0之間，當(dāng)在滿(mǎn)足A液膨潤(rùn)土與石粉的比例為8：2、泥水比在1：0.8～1：1.0之間、B液中的無(wú)水乙醇與HPMC的質(zhì)量比為16：3的情況下，泥漿中B液與A液的質(zhì)量比在0.03～0.05之間較為適宜。