海水環境下盾構泥漿性能試驗研究

呂乾乾， 孫振川， 楊振興， 陳瑞祥， 張 兵

(1. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

隨著施工技術和機械制造水平的發展，大直徑泥水平衡盾構越來越多地應用于跨江越海隧道和城市地下道路建設中，如日本東京灣隧道、德國漢堡易北河隧道、荷蘭格累恩哈特隧道、上海長江隧道、廣深港客運專線獅子洋隧道等。泥水盾構在掘進中通過泥漿向地層滲透形成泥膜，建立有效的泥漿壓力來平衡開挖面水土壓力[1]。對于海底隧道施工，采用海水造漿便于就地取材，利于節約成本，但是由于海水中含有大量鹽分和金屬離子，對泥漿性能影響很大。與淡水泥漿相比，海水泥漿相對體積質量大、膠體率低、穩定性差[2]。此外，采用淡水泥漿時，在盾構掘進中海水會滲入到掌子面，使得泥漿產生凝聚和沉淀，降低泥漿的使用性能。海底隧道采用盾構施工時，海水泥漿的配制以及海水對淡水泥漿的滲入問題已經成為工程領域關注的重點。

國內外學者針對盾構泥漿配制問題已經開展了很多研究[3-5]。葉偉濤等[6]分析了制漿材料對泥漿性質的影響，以及不同泥漿參數、壓力、含砂率對成膜效果的影響規律； 閔凡路等[7]通過試驗發現泥漿中的黏粒越多，穩定性越好，濾失量越少，可作為泥漿調整的一個指標。這些研究主要在內陸淡水環境下開展，對海水環境下盾構泥漿的配制有重要的參考價值。目前關于海水泥漿配制的研究較多圍繞跨海橋梁樁基工程[8-9]，高超[10]采用不同材料配比和添加劑，針對不同地層配制了海水泥漿，并進行泥漿環保性能分析。對于盾構泥漿的研究主要側重于海水滲入對淡水泥漿成膜的影響方面，崔溦等[11]采用抗鹽膨潤土配制泥漿抑制海水的侵蝕，并通過滲透試驗驗證了泥漿在海水地層中的滲透成膜效果； 杜佳芮等[12]對海水滲入盾構泥漿后的泥膜性質變化進行了試驗研究，發現海水侵入會導致泥漿Zeta電位降低，影響泥漿穩定性能，并會導致泥膜形態發生變化。

綜上，現有研究中盾構泥漿均采用淡水配制，海水制漿則是以橋梁樁基工程為背景，缺少針對盾構用海水泥漿的研究。鑒于此，本文結合蘇埃通道盾構工程，開展海水環境下的泥漿配比研究，進行淡水泥漿與海水泥漿的性能對比，研究采用普通膨潤土進行海水制漿的可行性，以期為蘇埃通道的泥漿配比提供依據，并為類似工程提供參考。

1 工程概況和泥漿材料

1.1 工程概況

蘇埃通道工程盾構段掘進采用泥水盾構施工，刀盤最大開挖直徑為15.03 m。盾構隧道始發和到達段為淤泥層，海域段長距離穿越淤泥質軟土、砂層，區間存在花崗巖球狀風化分布區、基巖凸起段。蘇埃通道地質剖面如圖1所示。

圖1 蘇埃通道地質剖面圖

經檢測，蘇埃通道附近海水主要離子成分如表1所示。

表1 海水中主要離子成分

注： 海水pH值為7.11。

工程施工要求的泥漿性能指標如下： 相對體積質量 1.10～1.35； 蘇式漏斗黏度22～26 s； pH值 8～10； 膠體率≥95%； 失水量≤20 mL·30 min-1；泥皮厚≤3 mm·30 min-1；含砂率≤4%。其中，黏度、相對體積質量和膠體率是盾構泥漿的主要性能指標[13]。對本工程而言，始發加固區和基巖凸起段的泥漿需提高黏度以增強攜渣能力，海域段砂層需增大泥漿相對體積質量以提高地層孔隙填充速率，淤泥質軟土地層段則需降低泥漿相對體積質量。

1.2 泥漿材料

試驗采用膨潤土和水按一定比例配制成基漿，通過在基漿中加入分散劑、增黏劑等制漿添加劑來調整泥漿性能參數。

膨潤土的主要礦物成分是層狀晶體結構蒙脫石，一般帶負電荷，吸濕性和膨脹性好，有較強的陽離子交換能力，在水中分散成懸浮狀或膠凝狀。本文試驗采用工程現場的鈉基膨潤土。

分散劑可在膨潤土粒子表面形成雙分子層結構，極性端與水有較強親合力，增加膨潤土粒子被水潤濕的程度，懸浮顆粒之間因靜電斥力而遠離，從而保持穩定的懸浮狀態。本文試驗用到的分散劑有純堿、鐵鉻鹽、聚丙烯酸銨、鉻木質素磺酸鹽、聚丙烯酸鉀。

增黏劑多為親水性高分子化合物，疏水主鏈與周圍水分子通過氫鍵締合，可提高聚合物本身的流體體積，減少顆粒自由活動的空間，從而提高體系黏度。本文試驗用到的增黏劑有羧甲基纖維素鈉(CMC)、生物黃原膠、聚陰離子纖維素、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、聚丙烯酸鈉、乙烯基單體多元共聚物。

1.3 泥漿配置方法

試驗采用SM-350G攪拌器對泥漿進行充分攪拌，攪拌時間為10 min，攪拌速度檔位為3； 采用100 mL量筒進行泥漿24 h膠體率測量； 采用1006型泥漿黏度計測量泥漿蘇式漏斗黏度。

試驗用海水取自項目現場。制漿時將膨潤土和添加劑在干燥狀態下拌和均勻后再加水攪拌，海水滲入試驗中淡水泥漿攪拌均勻后再加入海水。

2 淡水泥漿及海水泥漿對比

2.1 淡水泥漿

2.1.1 膨潤土比例對基漿性能影響

試配發現膨潤土比例超過30%后基漿呈膠凝狀，因此基漿質量分數取為6%～30%。 不同質量分數的基漿配比如表2所示。

表2 不同質量分數的基漿配比

得到不同質量分數基漿的相對體積質量、黏度、pH值、膠體率，如圖2所示。由圖2可以看出： 隨著膨潤土含量的增加，基漿pH值穩定在9，相對體積質量近似線性增加，黏度先平緩后迅速增加，基漿膠體率先直線增加后趨于穩定。當膨潤土含量達到18%時，基漿相對體積質量達到施工要求； 膨潤土含量增加到24%后，基漿黏度陡增；膨潤土含量增加到12%后，基漿膠體率達到指標要求。

圖2 基漿指標隨膨潤土含量變化曲線

Fig. 2 Variation curves of base slurry indices under different bentonite contents

可見，在不使用添加劑情況下，為了保證基漿的相對體積質量、黏度和膠體率在適用范圍內，膨潤土含量宜取為18%～24%。

2.1.2 膨化時間對基漿黏度影響

膨化時間對基漿性能的影響主要體現在黏度上[11]，配置質量分數為18%和24%的基漿，得到膨化時間對基漿的黏度影響曲線，如圖3所示。

圖3 基漿黏度隨膨化時間變化曲線

由圖3可看出： 質量分數為18%的基漿黏度在7 h內增加6 s； 質量分數為24%的基漿黏度則由24.13 s迅速增加至118.53 s，并在6 h后基本保持穩定?？梢娕蚧瘯r間對質量分數高的基漿黏度影響更顯著。

2.1.3 純堿對基漿性能影響

純堿對泥漿有分散性。為便于對比，基漿質量分數分別取為30%和21%，純堿添加量取為0%～1.8%。

試驗發現，隨著純堿含量的增加，基漿的相對體積質量變化幅度均在2%之內； pH值由9增加到12； 黏度和膠體率變化如圖4和圖5所示。

圖4 純堿含量對基漿黏度影響

Fig. 4 Effect of sodium carbonate content on viscosity of base slurry

由圖4和圖5可以看出： 隨著純堿含量的增加，質量分數為30%的基漿黏度由113.53 s降低至19.23 s，膠體率不變； 質量分數為21%的泥漿黏度沒有明顯變化，膠體率先不變后線性降低。對于質量分數為30%的基漿，添加純堿可在不影響膠體率的同時有效降低黏度。

圖5 純堿含量對基漿膠體率影響

Fig. 5 Effect of sodium carbonate content on colloid fraction of base slurry

可以看出，純堿對質量分數為21%的基漿的黏度影響有限，過量反而會降低膠體率。由于基漿中的膨潤土膠體與純堿電解質相互作用，與膠體表面電荷極性相反的陽離子被吸附，陰離子被排斥，隨著純堿量的增加，陽離子質量分數增大，擴散層中的自由陽離子由于靜電斥力被迫進入束縛反離子層，雙電層被壓縮，Zeta電位下降，電荷排斥力減小[12]，膠體率降低。

2.1.4 CMC對泥漿性能影響

羧甲基纖維素鈉(CMC)是一種常見的泥漿增黏劑。在質量分數為18%～24%的基漿中加入0.05%的CMC，攪拌均勻后即觀察溶液狀態，發現泥漿均產生絮狀凝聚，離析明顯，這可能是由于現場膨潤土中含有多價金屬鹽，與CMC反應后出現了沉淀。

2.2 淡水基漿與海水基漿對比

由于水質不同，淡水泥漿和海水泥漿的性能有較大差異。配制淡水基漿和海水基漿進行性能對比，膨潤土含量取為6%～30%，泥漿材料配比如表3所示。

表3淡水基漿和海水基漿配比表

Table 3 Mixing proportions of fresh water base slurry and seawater base slurry

基漿質量分數/%淡水基漿/g膨潤土淡水海水基漿/g膨潤土海水6940609406012880120880120188201808201802476024076024030700300700300

試驗得到不同質量分數海水泥漿的pH值均為7，淡水泥漿的pH值均為9。其他指標變化規律如圖6—8所示。

由圖6—8可以看出： 隨著膨潤土含量的增加，海水基漿和淡水基漿相對體積質量近似線性增大，且海水基漿的相對體積質量略大于淡水基漿； 淡水基漿黏度由15.95 s增加至113.53 s，海水基漿的黏度穩定在(17±1)s； 淡水基漿的膠體率由45%迅速增加后基本穩定在100%，海水基漿的膠體率由15%近似線性增加至69%。

圖6 膨潤土含量對基漿相對體積質量影響

Fig. 6 Effect of bentonite content on relative volume mass of base slurry

圖7 膨潤土含量對基漿黏度影響

圖8 膨潤土含量對基漿膠體率影響

可見海水基漿的膠體率遠小于同比例淡水基漿。這是由于海水中含有大量陽離子，擠壓雙電層現象嚴重，使得Zeta電位降低，膨潤土顆粒水化膜變薄，當顆粒間吸引力超過排斥力，分散體系被破壞而發生凝聚下沉，泥漿膠體率降低[14]。因此，在無有效添加劑的情況下，不宜采用海水造漿。

2.3 淡水泥漿的海水滲入試驗

海水滲入會降低淡水泥漿的使用性能，考慮到海水稀釋，配制質量分數為12%～30%的淡水基漿。海水滲入試驗泥漿配比如表4所示。

表4 海水滲入試驗泥漿配比表

試驗得到不同比例海水滲入后泥漿pH值均為8；隨著海水滲入比例增加，泥漿的相對體積質量略有降低，黏度和膠體率變化規律如圖9和圖10所示。

圖9 不同比例海水滲入時泥漿黏度

由圖9和圖10可以看出： 泥漿黏度和膠體率均隨海水滲入比例的增加而減小，泥漿質量分數越大，滲入量對黏度的影響越顯著，對膠體率的影響越小。

試驗還發現，對于質量分數同為21%的泥漿，淡水基漿的黏度和膠體率分別為23.61 s和100%； 海水滲入泥漿(30%淡水基漿+40%海水)的黏度和膠體率分別為20.99 s和97%。滲入海水的泥漿黏度和膠體率均小于同質量分數的淡水基漿。

圖10 不同比例海水滲入時泥漿膠體率

Fig. 10 Slurry colloid fraction under different seawater infiltration ratios

由于膨潤土的層狀硅酸鹽結構可吸附8～15倍于自身體積的水量[13]，在質量分數大的基漿中與水結合成膠狀體，并釋放出帶電微粒，懸浮分散性好，膠體率和黏度大。海水滲入后，泥漿質量分數降低，液層間切應力減小，黏度降低； 海水中的陽離子將帶負電的膨潤土顆粒聯結在一起，制約了土顆粒的分散，膠體率減小。

3 海水泥漿配比試驗

3.1 HPMC對海水泥漿性能影響規律

為改善海水泥漿膠體率，在海水泥漿中分別加入1.2節所述的分散劑和增黏劑。膨潤土比例取為18%，添加劑比例均取為0.2%。

試驗發現加入羥丙基甲基纖維素(HPMC)之后，海水泥漿的膠體率由38%提高至59%。其他添加劑對海水泥漿膠體率均無明顯改善。

可見，由于海水中陽離子豐富，通過分散劑的電荷排斥原理提高海水泥漿穩定性作用不大。海水作為復雜多組分的多相體系[10]，其中的多價金屬鹽、非金屬陰離子等容易與高分子化合物發生反應，降低增稠劑的使用性能。

HPMC是非離子型纖維素醚，具有增稠能力、排鹽性、pH穩定性以及優良的成膜性，受海水成分影響較小。為得到HPMC對海水泥漿黏度和膠體率的影響規律，取膨潤土比例為18%，由于試配發現HPMC比例超過0.6%后泥漿呈膠凝狀，取HPMC比例為0%～0.6%。試驗得到 HPMC含量對海水泥漿性能的影響規律，如圖11所示。

由圖11可以看出： 隨著HPMC含量的增加，海水泥漿膠體率由38%近似線性增加至99%，黏度由16.33 s增加至69.41 s?？梢奌PMC在提高海水泥漿膠體率的同時對黏度有不利影響。

靜置觀察得到24 h內海水泥漿膠體率隨時間變化的曲線，如圖12所示。

圖11 HPMC含量對海水泥漿性能影響

圖12 海水泥漿膠體率隨時間變化曲線

Fig. 12 Variation curves of seawater slurry colloid fraction with time

由圖12可見： 隨著HPMC比例的增加，海水離析速率降低； 在未使用HPMC時，海水泥漿離析主要發生在前1 h內，加入HPMC后前期離析速率明顯降低。

為降低加入HPMC后海水泥漿的黏度，在上述泥漿中添加0.2%純堿，得到純堿對泥漿黏度和膠體率的影響曲線，如圖13所示。

圖13 加入純堿后HPMC含量對海水泥漿性能影響

Fig. 13 Effect of HPMC content on seawater slurry property after adding sodium carbonate

對比圖11和圖13可以發現： 加入純堿后，HPMC對泥漿膠體率和黏度的影響趨勢不變，膠體率和黏度值均降低。靜置得到加入純堿后海水泥漿膠體率隨時間變化的曲線，如圖14所示。

圖14 加入純堿后海水泥漿膠體率隨時間變化曲線

Fig. 14 Variation curves of seawater slurry colloid fraction with time after adding sodium carbonate

對比圖13和圖14可知： 加入純堿后，HPMC對海水泥漿離析速率的減緩作用有所降低，但并不明顯。因此加入適量純堿可改善含HPMC海水泥漿黏度過大的問題。

3.2 黏土對海水泥漿指標影響規律

黏土可作為泥漿的固相材料，對泥漿相對體積質量有調節作用。海水泥漿固相比例為30%時，膠體率較高，因此配制固相比例為30%的海水泥漿，具體的材料配比如表6所示。

表6海水固相配比試驗泥漿配比表

Table 6 Slurry mixing proportions of seawater solid phase proportioning test

固相比黏土/g膨潤土/g海水/g6∶030007005∶1250507002∶12001007001∶11501507001∶21002007001∶5502507000∶60300700

得到黏土和膨潤土比對海水泥漿性能的影響結果，如圖15和圖16所示。

由圖15可看出： 隨著膨潤土的增加、黏土的減少，海水泥漿膠體率增大，加入HPMC后泥漿膠體率增速加快，膠體率顯著提高，再加入純堿后，膠體率有所降低。

圖15 不同黏土和膨潤土比例對海水泥漿膠體率影響

Fig. 15 Effect of different clay and bentonite ratios on seawater slurry colloid fraction

圖16 不同黏土和膨潤土比例對海水泥漿黏度影響

Fig. 16 Effect of different clay and bentonite ratio on seawater slurry viscosity

由圖16可看出： 未使用添加劑時，黏土和膨潤土比例的變化對海水泥漿黏度影響較??； 添加HPMC后，隨著膨潤土的增加及黏土的減少，泥漿黏度先緩慢后快速增大； 再將純堿加入后，泥漿黏度降低。

可見海水泥漿中加入黏土可改善膨潤土與HPMC反應黏度過大的問題。此外，試驗還發現，相比于淡水，膨潤土在海水中的親水性和膠結性降低，泥漿濾失量增大，加入黏土后更為顯著。

4 海水環境泥膜形成試驗

為模擬泥水盾構在海域段砂層開挖面形成泥膜的過程，以蘇埃通道海域段砂層作為試驗地層，在自制的泥膜形成試驗裝置中，采用海水進行地層滲透，采用膨潤土含量為18%的淡水泥漿開展泥膜試驗。

試驗中采取分級加載[15]的方式，每次加壓0.02 MPa，待滲透穩定后進行下一級加載，最終加載至0.06 MPa。各級壓力下的滲透流量曲線以及最終泥膜形態如圖17和圖18所示。

圖17 泥漿滲透流量隨時間變化曲線

(a) 泥膜形成裝置

(b) 最終泥膜形態

如圖17所示，泥漿在各級壓力作用下迅速達到了滲透穩定狀態，且濾水量較小，在開挖面形成了質量較好的微透水泥膜。由圖18可以看出，泥漿在壓力作用下形成了厚度約為5 mm的泥皮型泥膜?？梢娕驖櫷梁繛?8%的淡水泥漿與海域段砂性地層的匹配性較好。

5 結論與討論

1)無添加劑時膨潤土基漿比例宜取為18%～24%，對質量分數較高的基漿可通過添加純堿來降低黏度。

2)淡水泥漿膨潤土含量越高，海水滲入量對膠體率的影響越小，對黏度的降低越顯著。

3)HPMC可提高海水泥漿的膠體率，降低海水泥漿的離析速率，但會提高泥漿的黏度； 海水泥漿中加入黏土可改善膨潤土與HPMC反應黏度過大的問題，但會提高濾失量。

4)18%比例的膨潤土淡水泥漿在蘇埃通道工程砂性海水地層環境下快速形成了微透水的泥皮型泥膜，成膜效果較好。

5)本文著重對海水環境下的泥漿配比開展規律性試驗，后續可開展不同配比泥漿在不同海水地層中的成膜效果研究，進行泥漿和地層的進一步匹配。