泥水盾構施工中的新型泥漿應用研究

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

0 引言

伴隨各國對城市交通基礎設施建設投資的持續大力投入，國內外已興建了許多大型跨海越江盾構隧道工程（如日本東京灣海底隧道、荷蘭“綠心隧道”、武漢長江隧道、南京長江隧道等），大直徑隧道已經成為隧道工程發展的趨勢之一[1]。泥水盾構施工技術因具有無需特殊土體改良、地質適應性強、依靠泥水在開挖面形成泥膜抵抗土水壓力、開挖面穩定性高等優點，在城市大型隧道及大型過江過河隧道修建中均得到了廣泛應用，如上海地區已經建成的上海長江隧道、大連路隧道、復興東路隧道等[2]，都屬于泥水盾構隧道。

1 泥水平衡盾構工作原理

泥水平衡盾構的工作原理主要在盾構機前部刀盤后設置隔板，在刀盤和隔板之間形成一個密封的泥水壓力室，盾構掘進施工時將加壓的泥水輸送到泥水壓力室；泥水在一定壓力下在開挖面上形成一層泥膜，平衡開挖面的水土壓力。與此同時，刀盤在泥水環境中旋轉切削和推進，切削下的土體與泥水壓力室內的泥水混合形成高濃度的泥水，然后由泥水泵抽出并經排泥管道輸送到地面。同時，新鮮泥水通過循環的泥水系統處理添加，保持開挖面的平衡穩定性并控制地面沉降。

2 泥水盾構泥漿作用

泥漿在泥水盾構掘進施工過程中具有重要作用，泥漿猶如泥水盾構掘進的血液，泥漿循環停止，泥水盾構掘進工作就不能進行。泥漿在泥水盾構施工中的作用主要是維持開挖面穩定和攜帶土渣出地面。

2.1 維持開挖面穩定

泥漿維持泥水盾構開挖面穩定主要依靠泥漿平衡開挖面土壓力和水壓力。首先泥漿作為流體，其壓力類似水壓，為平衡水壓力必須要求泥漿壓力大于開挖面水壓力；其次在開挖面上形成不（微）透水的泥膜，將部分泥漿壓力轉化為作用在開挖面上的有效應力以平衡開挖面土壓力，因此開挖面上不透水泥膜的形成是核心因素。此外，泥漿滲透到開挖面前方一定范圍的地層中，增強了土體黏聚力。

2.2 攜帶土渣

泥水與掘削下來的渣土在泥水倉內混合、攪拌之后，泥水懸浮裹挾渣土并保持一定的流動性，由排泥管送至地面盾構泥水處理系統。

3 泥水盾構新型泥漿工程應用進展

泥漿作為泥水盾構的“血液”，其性能質量的好壞將直接影響隧道盾構施工的速度及安全。新型的泥水盾構隧道泥漿體系的研發與應用，將推動泥水盾構隧道工程進一步發展。

目前，國內外泥水盾構隧道大多采用由自然黏土、膨潤土、水、外加劑（CMC）所組成的分散泥漿體系。該泥漿體系具有以下顯著缺點[3]：廢棄泥漿排放量大、環境污染嚴重、泥漿性能評價指標不易控制、新漿制作材料用量大等。此外，在復雜地質情況和泥水盾構推進速度較快時，開挖面穩定性和地面沉降較難控制。

為此，針對分散泥漿體系的以上缺點，泥水盾構工程中為節約材料、保護環境，研發了不分散泥漿體系，并應用于泥水盾構施工。

上海復興東路越江隧道南線工程首次成功應用PMS泥漿[4,5]。PMS泥水體系是典型的不分散體系，泥漿使用高分子聚合物（相對分子質量為1.5×107的高分子、相對分子質量為1×106的中分子、相對分子質量為2×105的小分子合理配置）和帶正電荷的MMH正電膠、高分子聚合物對盾構泥水壓力室中的切削土體與泥水形成的高濃度混合物進行選擇性化學絮凝，得到凈化泥漿和劣化泥漿；MMH正電膠與凈化泥漿形成復合體，使泥漿具有良好的剪切稀釋特性和一定結構強度，便于攜帶和懸浮土渣。在復興東路越江隧道南線工程的成功應用表明：PMS泥水體系的泥水廢漿排放量少，抑制黏土地層分散能力強，可在砂土層中形成網狀結構，開挖面穩定性強。

楊繼范[6]針對泥水盾構的特點，開發了一種新的聚合物正電膠盾構泥水體系（Polymer-MMH Shield Slurry System）。新型泥漿體系采用高分子聚合物和MMH正電膠制備及泥漿固控工藝，應用于復興東路隧道工程南線隧道641～804環工程性試驗。聚合物正電膠盾構泥水體系也是一種不分散泥水體系，具有泥膜質量好、泥水性能穩定、不容易受黏土、泥沙和可溶性鹽類等的污染的典型特點。工程性試驗表明：新型泥漿體系可快速形成泥膜，提高盾構推進速度，減少刀盤扭矩和同步注漿量，降低了工程成本；針對上海地區地層特性，該泥漿體系具有較好的地層適應性，較好地抑制⑤土層造漿、棄漿現象，解決了⑥土層堵管情況，堵塞②土層孔隙，克服了淺表雜填土層的冒漿和地面沉降控制問題；新型泥漿體系減少了泥水廢漿排放，實現了泥水零排放，降低了盾構泥水成本，保護了環境。

黃德中[7]針對上海軟土層的特點，研制了新型不分散泥水材料，其組分主要包括水、活性顆粒、化學處理劑，該材料具有不分散性、觸變性、抑制性和攜帶性的特點，具體表現在不同施工階段造漿能力強，在黏土層有強的網結能力和抑制分散能力，在砂土層要有強的網結能力和增黏效果，并適用于不同土層、不同孔隙的封堵能力等。該泥漿成功應用于上海上中路越江隧道，應用表明：經過循環后泥水黏度值基本不變，泥漿回收率達到90%以上。

張子新等[8]發明了一類特殊的泥水盾構穿越砂質地層的綠色泥漿，該泥漿的主要組分包括普通水、增效土（天然黏土）、淀粉和微量固體堿。該泥漿主要利用了淀粉的膠凝化特性，克服了不分散泥漿體系中廢棄泥漿降解難度大和添加化合物和聚合物多， 容易造成較嚴重的水土環境污染的缺點。此新型綠色泥漿材料來源廣泛、抗污染能力強、無化學添加、綠色無污染。同時，試驗結果表明綠色泥漿具有良好的力學特性，在不同地層和應力狀態下泥膜形成迅速、結構致密、抗滲能力強、泥漿壓力轉化為有效應力范圍廣，有利于維持開挖面穩定。

4 結語

本文簡要介紹了泥水盾構的原理和泥漿體系的作用，詳細論述了泥水盾構新型泥漿體系的特點，主要結論如下：

1）目前，泥水盾構泥漿體系在我國仍是一個新的領域，新型泥水盾構隧道泥漿體系的研發與應用，將推動我國泥水盾構施工取得長足發展。

2）不分散泥漿體系是目前泥水盾構施工中應用較廣泛的一種體系，但是也具有廢棄泥漿降解難度大和添加化合物和聚合物多， 容易造成較嚴重的水土環境污染的缺點。

3）應針對不同地區地層特性，滿足土木工程建造領域“綠色、節能、安全、高效”的實踐要求，研發新型綠色泥漿，實現泥漿處理的污染零排放和泥漿處理產物的再利用。