佳木斯市江北水源工程松花江穿越隧道盾構施工泥漿性能研究

摘 要:在泥水平衡盾構施工過程中，針對佳木斯地質條件的具體情況，經過對泥漿的反復調配、試驗，找出了適合本地層的泥漿配比。解決了在富水砂礫石地層中采用膨潤土加粉質粘土混合漿液充當砂石輸送載體、土體開挖面護壁支撐介質的難題，為泥水平衡盾構在富水砂礫石地層中施工提供了一些思路。

關鍵詞:膨潤土CMS泥膜泥漿粘度泥漿比重PH值

中圖分類號:TP2文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(c)-0091-02

泥水平衡盾構是于20世紀60年代發展起來的一種隧道施工機械，它通過向盾構前端注入適當壓力的泥漿，使其在開挖面形成泥膜，從而支撐正面的土體。盾構掘進時，刀盤切削土體表層泥膜，切削下來的土砂裹在泥漿中，經由管道排送到地面。該種盾構能較好地穩定開挖面和防止地表隆陷，且適應性好，在一些無法使用土壓盾構的地層(例如本工程所處的砂礫石地層)也能正常工作。

在泥水平衡盾構施工過程中，泥漿是一個非常重要的因素。尤其是在含泥量極低的富水砂礫石地層中使用泥水盾構施工，對泥漿性能的要求是極為苛刻的，有必要對泥漿的性能進行深入的研究。

1 概述

1.1 工程概況

佳木斯江北水源松花江穿越工程，位于佳木斯市松花江公路大橋東側約200米處。隧道全長1300米，圓形斷面，凈直徑2.4米，采用直徑3.0米的泥水平衡盾構施工。始發井位于松花江南岸，地下水水位標高為73.9m，隧道洞口中心標高為66.22m。地質條件為透水性極強的砂卵石地層，卵石層最高滲透系數達150m/d，地下水與江水有著直接的水力聯系。

1.2 難點

本工程地層中的砂土比重為1.3kg/cm3，泥漿作為運輸載體，其比重不得低于1.3kg/cm3這一數值方能保證泥水輸送系統的正常運轉。

當地沒有性能良好的粘土，只能用粉質粘土代用，給泥漿調配帶來了一定的難度。

由于地層是完全透水性的砂礫石且含泥量極低，地層本身對泥漿不能夠提供任何的補充，泥漿消耗量大。這種地質條件，對泥漿各方面性能指標有著極為苛刻的要求，如泥漿的粘度、比重、PH值、泥膜厚度和失水量等，只有這些指標均達到設計要求，才能夠正常施工。

2 泥漿的組成

一般泥水平衡盾構所用泥漿主要由膨潤土、粘土、純堿及CMS組成。

2.1 膨潤土

膨潤土是構成泥漿的主要原材料，它是一種以蒙脫石為主要成分的粘土礦物，蒙脫石礦物的晶格構造具有晶層間的連接力弱、負電性大、水化能力強、分散性高等特性，故能制備性能較好的泥漿。膨潤土一般分為天然膨潤土、改性膨潤土、活性膨潤土三種，本工程選用了天然膨潤土，其性能指標如表1。

為了提高膨潤土性能，應對其進行鈉化處理，使它的水化能力和分散性得到提高。在本工程中選用純堿(Na2CO3)對膨潤土進行離子交換，并使漿液的pH值控制在8～9，有效地提高了泥漿的性能。

2.2 粘土

粘土的主要作用是提高泥漿的比重以及粘度。在一般地層中，泥漿的比重一般為1.05～1.15之間，但本工程地處砂礫石地層，為了使泥漿能順利地將大直徑的礫石送出地面，要求泥漿要有較高的粘度和比重。

本工程所用粘土取自施工現場南側，其中含有一定量的粉細砂，較好地起到了提高泥漿比重的目的。

2.3 泥漿處理劑

在加入膨潤土、粘土及純堿后，還需要加入其它化學試劑，才能配制出施工所需要的泥漿。本工程根據需要選用了CMS(羧甲基淀粉)，CMS是一種高分子聚合物，在溶于水后，其線性長鏈分子吸附大量水分子和土顆粒，使泥漿粘度迅速升高。表2是CMS的物理化學指標。

2.4 水

配漿用水一般可用自來水或清潔的江河水，并無特殊要求。但在本工程中，由于工地離市區較遠，配漿水取自現場地下水，水中鐵錳和氯化物含量非常高，且水的硬度達到了400，這直接影響到CMS水溶液的穩定性。為了解決這個問題，我們同CMS廠家聯系并做了大量的試驗，確定使用五氯酚鈉作為添加劑，從而有效地確保了CMS水溶液的穩定性(見表3)。同時有效的解決了CMS水溶液氧化變質問題。

3泥漿的性能和其參數的確定

評價泥漿性能的主要指標有粘度、比重、pH值、泥膜厚度和失水量，其中泥膜厚度和失水量主要根據粘度和比重決定，如果粘度和比重值大，則失水量小，形成的泥膜薄而致密，相反則失水量大，形成的泥膜厚而疏松。對于本工程所面對的地下水位較高的砂礫地層，需要泥漿的粘度和比重都較大，才易形成泥水平衡，從而保持開挖面的穩定。

3.1 泥漿的粘度

泥漿的粘度對泥漿工作壓力和開挖面穩定有著重要影響。泥漿具有一定的粘度有利于保持開挖面壓力，并且可以防止泥漿中的砂礫在刀盤土艙內或管道中沉淀，以便將開挖下來的砂礫以流體形式輸送到地表。

所選用泥漿的粘度應能使開挖面較快地形成泥皮。粘度過高，泥漿壓力稍有波動就容易造成噴漿，使開挖面嚴重變形，不利于開挖面穩定;粘度過低，則不利于在開挖面形成穩定的泥皮。控制泥漿壓力有效地作用于開挖面比較困難，也就難以抵抗地層的壓力(特別是側面壓力)，同樣對開挖面穩定不利。

由試驗得出，在本工程所處的這種砂礫層中，泥漿的粘度以40～50s(漏斗粘度計測量值)為宜。

3.2 泥漿的比重

較高的泥漿比重可以增加對開挖面的壓力，不僅可以防止工作面坍塌，而且可以平衡地下水壓力，由于砂土比重為1.9，要保證砂土靠泥漿為載體順利的運至地上。從而維護開挖面穩定。如果泥漿比重較低，會引起泥漿向砂礫層的大量滲透，不僅使泥漿壓力不能有效地作用于開挖面，而且泥皮形成慢，對開挖面穩定不利。但泥漿比重也不宜太高，否則會使所形成的泥皮厚度增加，不利于泥皮穩定，而且加大了泥漿的輸送、處理的難度。

通過試驗得出，在砂礫石地層中，泥水平衡盾構所用泥漿比重以1.25～1.32之間。

3.3 pH值

較大的pH值可以增加泥漿的粘度、穩定性，從而提高泥漿的性能。如果pH值過大，則會腐蝕機械設備，而且會對環境造成污染。在本工程中，利用純堿(Na2CO3)來提高泥漿的pH值，同時對膨潤土進行納化。

通過試驗，本工程泥漿的PH值以7～9為宜。

3.4 泥膜厚度與失水量

泥漿失水量是指泥漿在一定壓力作用下部分水滲入開挖面的現象，同時，它與泥膜質量是相互關連的，泥膜致密，則泥漿失水量小，而泥漿失水量大則證明泥膜疏松，它們取決于膨潤土質量的好壞。

一般要求在開挖面上形成薄而致密的泥膜，厚而疏松的泥膜不利于刀盤切削，影響掘進速度。

總的來說，影響泥漿性能的主要參數是粘度、比重和pH值，前期針對本工程做了大量試驗，確定泥漿的參數如表4。

4 泥漿配制

泥漿的配制要分成兩部分，一是新漿配制，另一部分是回收漿配制。

4.1 新漿配制

在工程初期，需要在沉淀池中預先配制200m3左右的泥漿(新漿)，以便能建立起泥水循環。根據試驗結果，新漿配合比見表5。

4.2 新漿配制注意事項

在進行新漿配制時，要注意以下幾點:

A、大量CMS不易溶于水，在配制時要先將CMS配制成2％或3％濃度溶液(需要做CMS攪拌槽，葉片轉速為0～200nps)，再將溶液加入膨潤土漿中;

B、配制時，要分別配制膨潤土漿和粘土漿，配比如表五，然后以1:1的比例混合，這樣在實際配制泥漿時能更易于操作，而且在利用回收漿配制泥漿時能根據情況加入膨潤土漿或粘土漿;

C、表五的配合比是試驗室配合比，在實際中由于配漿條件無法于實驗室相比，應根據實際情況加以調整。

4.3 利用回收漿配制泥漿

在施工中，為了節省成本，泥漿需要循環利用，首先要對回收漿進行分離，然后對分離出的泥漿進行量測，并作試驗。根據試驗結果來決定要向回收漿中加入多少膨潤土漿、粘土漿、CMS等才能夠達到新漿標準，重新配制出合格的泥漿。

5 泥漿質量的控制

在工程施工過程中，由于泥漿配制量較大，而且拌漿設備的質量也存在著一定的問題，通過對材料的控制不能完全保證泥漿的質量，為了配制出合格的泥漿，必須加強對泥漿的監測。

5.1 膨潤土漿及粘土漿

膨潤土漿及粘土漿的質量還是主要通過對材料的監控來實現，但同時加強了對成品的檢測，每拌制5槽漿液要抽查1槽。

5.2 調整槽漿液

調整槽的漿液通過P1－1泵直接送至井下，所以必須保證它的質量，在調整槽下部安裝有取漿孔，以便隨時能對其進行檢查。

5.3 在施工時，每前進一環，要對沉淀池前部、尾部、泥漿槽、調整槽的泥漿進行測量，掌握最新的數據，以便進行調整

5.4 檢測出不合格的泥漿后，要馬上進行相對應的試驗，根據試驗結果進行調整

6 泥漿的凈化與處理

由于泥漿在施工中會不停帶出砂石，為了使泥漿能夠循環利用，必須對泥漿進行分離凈化。本工程為砂礫石地層，施工中首先利用滾動篩和沉淀池除去直徑2mm以上的砂石，然后送入旋留器進行進一步分離，再在此回收漿中加入膨潤土漿、粘土漿或直接加入CMS水溶液(根據試驗結果)進行調整，以便循環利用。

對于施工過程中產生的廢棄泥漿，對其進行檢查和調整PH值后再排放，以防污染。

參考文獻

[1]程驍、張鳳祥，土建注漿施工與效果檢測，同濟大學出版社，1998-01-01.