泥水盾構穿越高滲透性地層泥漿配制研究

王 勇 沈 慧

（江蘇省交通科學研究院股份有限公司，南京 211112）

泥水盾構穿越高滲透性地層泥漿配制研究

王 勇 沈 慧

（江蘇省交通科學研究院股份有限公司，南京 211112）

本文從泥水盾構基本原理、泥漿的作用出發，系統地闡述了適合泥水盾構掘進用泥漿的基本性質及測定方法，泥漿材料的種類與選取原則、制配情況。該研究對類似工程中泥漿配制有重要的指導意義。

泥水盾構泥漿配制泥漿材料

1.引言

近年來，隨著社會經濟的高速發展和工程技術的突飛猛進，泥水盾構技術在這些大直徑、長距離的水下隧道建設過程中應用越來越多。合理的泥漿材料、適宜的泥漿配比，不僅直接關系到工程成本，更有可能危及工程安全因此，進行泥水盾構施工中關鍵技術的研究和總結對我國的水下隧道的建設有重要的意義。

本文結合南京緯三路過江通道工程泥水盾構穿越高滲透性的砂卵石地層實例，介紹砂卵石地層的泥漿配制及注意事項。

2.工程概況及施工工藝

南京市緯三路過江通道在江中段采用左右線分離兩管盾構隧道N線（北線）盾構段3537m。工程采用Φ14.93m泥水加壓盾構施工。泥漿在泥水盾構施工中起保持開挖面穩定、攜渣排土、冷卻和潤滑刀頭等作用，泥漿的配制和管理也是泥水盾構工法中最重要的工序之一。因此，選擇合理的泥漿材料和泥漿配比對工程的施工效果和經濟成本有重要的意義。

3.泥水盾構泥漿配制基本性質指標及測定方法

泥漿被稱為泥水盾構的血液，泥漿參數合理與否，不僅影響工程成本，很大程度上也影響著泥水盾構的施工安全及施工效率。泥水盾構的泥漿配制主要考慮泥漿的密度、粘度、泥漿顆粒級配、泥漿的物理穩定性、pH值等。

1）泥漿密度泥漿密度是泥水盾構施工中泥漿管理的重要指標。通常密度越大的泥漿成膜性能越好，對掘削渣土的浮力作用越大，運輸渣土的效果也越好。但泥漿密度越大的泥漿其流動性會變差，流動摩阻力增加，易使泥漿運送泵超負荷運轉、泥水分離難度增加。因此，泥漿要具有合適的密度，要在保證開挖面穩定和出渣能力的基礎上盡量小。

2）泥漿粘度一般情況下，泥漿的粘度越大，泥膜越容易形成，泥膜質量也越好；泥漿的粘度越大，泥漿的懸浮能力越好，渣土在泥水艙底部或排泥管道中沉淀越少，泥漿的出渣能力越強。

3）泥漿顆粒級配泥漿的密度表征泥漿中固相顆粒的多少，而泥漿的顆粒級配則表征著泥漿中固相顆粒的粒徑大小及比例關系。不同的地層孔隙需要不同粒徑的顆粒去堵塞，所以盾構機在不同的地層中掘進時需要泥漿中具有不同級配的固相顆粒，以滿足成膜的要求。目前，泥漿的級配一般由激光顆粒分析儀測得。另外，工程中也通過測定含砂量，來反映泥漿中粗顆粒的含量，進而在某種程度上反映泥漿的級配。

4）物理及化學穩定性泥漿的物理穩定性是指泥漿中固相顆粒保持浮游散懸物理狀態的能力，工程中常用泥漿膠體率來衡量泥漿的物理穩定性。

化學穩定性是指泥水中混入帶正電的雜質（含Ca2+、Na+、Mg2+等）時，泥漿成膜功能減退的化學劣化現象。工程中常用pH試紙來檢驗該指標，如圖6，pH值在8-10之間的泥漿化學穩定性好。

4.泥水盾構用泥漿材料類型及泥漿的種類

泥水盾構工程中常用于制備泥漿的材料，按照主要功能可以分為造漿材料、填充材料和添加劑三大類。

1）造漿材料用于配制基礎泥漿的材料，使用最多的是膨潤土。膨潤土中蒙脫石含量、膨脹指數是造漿材料最重要的指標，顆粒級配和含水率反映膨潤土的磨制工藝，pH值反映膨潤土中純堿等的添加量。

2）填充材料主要起填充作用，用于調節泥漿中固相顆粒的粒徑及泥漿的密度，常用的泥漿填充材料有粘土、粉土、粉細砂、蛭石。

3）添加劑是指除了膨潤土、粘土、粉土等泥漿材料以外的一類人工合成的材料，以很少的添加量即可以改善泥漿的性能，擴展泥漿的適用范圍。按照添加劑的主要功能，常用的泥漿添加劑可以分為五類：增粘劑、造漿劑、分散劑、絮凝劑、堵漏劑。

泥漿的調制需要根據泥水盾構掘進地層的工程地質條件綜合考慮，選取以上三類制漿材料的一種或幾種進行調制。通常情況下，純膨潤土泥漿和純粘土泥漿適用于細砂層等滲透系數較小的地層；混合泥漿（如膨潤土+制漿劑、膨潤土+粘土、粘土+制漿劑）適用于粗砂、礫砂層等滲透系數較大的地層；純制漿劑溶液（如CMC漿、水玻璃、堵漏劑泥漿）適用于堵漏、加固等特殊工況。

5.南京緯三路過江通道泥水盾構穿越砂卵石地層泥漿配制實例

南京緯三路過江通道穿越地層上部為填土和第四系全新統沖淤積流塑淤泥質粉質粘土、粉質粘土、粉土、粉砂等，中部為第四系全新統中密～密實粉細砂組成，下部為上更新統密實狀礫砂、圓礫等；巖石地層主要為白堊系泥巖、粉砂質泥巖。從上述地質條件，盾構所穿越的粗砂地層、礫砂地層及圓礫卵石地層屬于高滲透地層，加上開挖面巖性有明顯差異、上下軟硬不均，掘進參數控制極為復雜，在開挖面難以形成穩定的泥膜，難以維持開挖面的穩定，稍有不慎，極易出現塌方冒頂、漿液漏失。因此，本工程需要根據礫砂地層的特點，同時考慮開挖面優質泥膜的形成條件和泥水輸送設備的輸渣能力，綜合確定泥漿的性能參數?？紤]到地層的粘粒含量少（約為5%左右），且地層的滲透系數達到3.4×10-4m/s，掘進過程中泥漿濾失量較多，因此，泥漿中需要有一定量的粘土粉土顆粒。

過程1：取回漿池泥漿，測得比重為1.08g/cm3,馬氏漏斗粘度為23秒。

過程2：取膨潤原土做顆粒分析試驗

膨潤土顆粒粒徑分析

其中，d15=5.9μm，d50=20.9μm，d85=43.9μm

過程3：在回漿池中加入原土及增粘劑后測得指標如下∶

比重為1.18，馬式漏斗粘度為27秒。

該泥漿小于5μm的粘粒含量占40%左右，小于75μm的顆粒占到98%。

在實驗室內的濾失量為10-20m3/h，實際施工中，根據壓力艙中泥漿液位的下降量推算得，泥漿實際的濾失量約為16-22m3/h。從壓力艙前方拍攝到的泥膜的照片來看，該泥漿在砂卵石地層中形成了致密的泥膜。可見，在南京緯三路過江通道砂卵石地層中，以膨潤土為主要的造漿材料，輔以粘土和增粘性添加劑在工程中應用良好，保證了施工的順利進行。

6. 總結

（1）泥水盾構用泥漿的密度一般為1.05-1.20g/cm3，蘇式漏斗粘度20-25s，泥漿的級配要與地層孔隙相匹配，含砂量小于5%，24小時膠體率大于90%，pH值8-10。具體工程的泥漿性質還要根據地層的性質、泥漿分離設備等來進行調整。

（2）在高滲透性地層中進行泥水盾構施工，需要向純膨潤土泥漿中需要添加一定量的粘粉土顆粒，以堵塞地層孔隙，保證泥漿在開挖面上形成致密的泥膜，以保持開挖面的穩定。

（3）南京緯三路過江通道穿越粘粒含量少、滲透性高的砂卵石地層時，以膨潤土為主要的造漿材料，輔以粘土和增粘性添加劑，調整泥漿密度至1.15-1.20g/cm3，漏斗粘度為20-25s，該泥漿在砂卵石地層中形成了致密的泥膜，泥漿在地層中實際的濾失量約為16-22m3/h，保證了施工的順利進行。

[1]郭信君, 閔凡路, 鐘小春, 等. 南京長江隧道工程難點分析及關鍵技術總結[J]. 巖石力學與工程學報, 2012, 31(10)∶ 2154-2160.

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[3]朱偉譯. 日本土木協會編. 盾構標準規范（盾構篇）及解說[M]. 北京∶ 中國建筑工業出版社, 2011.

[4]張士龍. 南京緯三路過江通道工程技術難點分析[J]. 隧道建設, 2013, 33(2)∶147-150.

TU75

B

1007-6344（2015）06-0300-01