城市高鐵隧道泥水盾構自造漿成膜技術研究

楊圣建

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司 江蘇南京 211899)

1 引言

隨著我國跨江公路、城市道路和鐵路的不斷建設，隧道建設進入了高峰期，泥水盾構逐漸成為大直徑盾構隧道的首選[1－3]。而隨著城市的建設發(fā)展，土地不斷開發(fā)利用，對泥水盾構施工所產生的廢漿處理要求也越來越嚴格[4]。如何將廢棄泥漿重新利用，使其進入到泥水循環(huán)進漿系統(tǒng)中，實現(xiàn)完整自造漿的泥水處理閉合系統(tǒng)，成為需要探索解決方法的問題之一。

泥水盾構以壓力泥漿支護開挖面，在開挖面上形成不透水或微透水的泥膜，將部分泥漿壓力轉化為有效應力從而平衡開挖面處的土水壓力[5]，保證開挖面的穩(wěn)定。而泥漿材料組成和泥漿性質對泥膜形成及泥漿濾失有重要的影響[6]。韓曉瑞[7]、閔凡路[8]等針對南京長江隧道穿越砂礫地層，進行了泥漿配比及滲透成膜試驗，認為泥漿的黏粒含量宜調節(jié)到20%。泥漿黏度高，物理穩(wěn)定性好，形成的泥膜薄、致密，濾水量小。張寧[9]、陳爽[10]針對淤泥質黏土地層中產生的廢漿進行了泥漿配制試驗，提供了砂卵石地層的配漿方案。袁大軍等[11－12]通過滲透試驗研究泥漿對砂卵石地層的適應性，發(fā)現(xiàn)泥漿密度越大，泥膜質量越好，在相對密度達到1.08 g/cm3時，增大泥漿的黏度并不能有效減少泥漿的滲流量。以上研究多基于泥漿對地層適應性的配制、成膜問題，如何對廢棄泥漿進行改良再利用，在粉細砂地層中形成質量良好的泥膜則有待研究。

本文通過外加HS-1、HS-3藥劑改良廢棄泥漿的泥漿配制試驗，明確配制所需各種泥漿材料的配比，并使用自制的泥漿滲透裝置驗證泥漿在粉細砂和中砂地層中的成膜效果，為廢漿重新循環(huán)進漿，實現(xiàn)完整自造漿的泥水處理閉合系統(tǒng)提供參考。

2 工程概況與問題分析

京沈客專望京隧道位于北京市東五、東六環(huán)之間，大致沿京承高速公路走行。采用雙單線盾構隧道，管片外徑10.5 m，內徑9.5 m，環(huán)寬2 m，盾構段全長3 190 m。隧道穿越地層表層為第四系人工堆積層素填土、雜填土；下伏地層為第四系全新統(tǒng)黏土、粉質黏土、粉土、粉砂等及第四系上更新統(tǒng)黏土、粉質黏土、粉土、粉砂、細砂、中砂等。

本工程盾構穿越的以粉質黏土、黏土為主的地層約1 590 m，斷面占比超過80%，粉細砂占比不足20%，隧道頂埋深12.97～18.6 m，隧道底埋深23.47～29.15 m。采用2臺大直徑盾構機并行施工，盾構開挖直徑10.87 m，每環(huán)挖土方量185.6 m3，需要2 200 m3泥漿攜帶出渣，廢棄440 m3(按20%廢棄)。泥漿集中排放量大，僅25 μm以下泥漿達到140.2萬m3。大量廢棄泥漿外運棄置會造成浪費，如能重新利用到泥水循環(huán)進漿系統(tǒng)中，將會極大地降低配漿的成本，減少對環(huán)境的影響。

3 廢棄泥漿配制泥水盾構用掘進泥漿試驗

根據(jù)前期施工經驗，本工程粉細砂地層對泥漿性質指標要求為密度1.13 g/cm3，蘇式漏斗黏度為20 s。為充分利用廢棄泥漿，以此泥漿密度和黏度指標為度量，進行廢棄泥漿自造漿基本性質試驗。

3.1 試驗材料與方法

廢棄泥漿取自京沈客專望京隧道盾構穿越的黏粉土地層，黏粒含量為22.35%。分別向密度為1.10 g/cm3、1.15 g/cm3、1.20 g/cm3、1.25 g/cm3的泥漿中添加濃度3%的HS-3(編號為A～D組)和HS-1的溶液(編號為E～H組)，混合后測試泥漿的密度、黏度等基本指標的變化。具體HS-3、HS-1干粉添加量見表1～表3。

表1 HS-3干粉添加量(A、B組)

表2 HS-3干粉添加量(C、D組)

表3 HS-1干粉添加量

3.2 試驗結果與分析

測試各密度泥漿添加HS-1、HS-3前后的2 h泌水率，泌水率均為增粘劑添加量最大時的觀測數(shù)據(jù)。測試結果見表4～表5。

表4 HS-3添加前后的2 h泌水率指標

表5 HS-1添加前后的2 h泌水率指標

可以看出，原泥漿2 h泌水率絕大部分超過了50%，添加HS-1、HS-3后泌水率顯著減小，能很好地抑制原泥漿的泥水分離。

試驗A組和B組廢棄泥漿中分別加入5%、10%、15%、20%的HS-3溶液，將混合后泥漿的密度、黏度等基本性質指標變化繪制成曲線，見圖1。

圖1 A、B組HS-3添加量與泥漿性質關系曲線

可以看出，漏斗黏度和泥漿密度均與HS-3添加量呈較好線性關系，兩種泥漿的起始漏斗黏度相近，隨著HS-3添加量增加，漏斗黏度逐漸升高，添加量最大時，泥漿密度均達到最小。密度為1.15 g/cm3添加10%以上的HS-3(3%的溶液)時，所得混合泥漿密度滿足要求，黏度適當，穩(wěn)定性較好。而密度為1.10 g/cm3添加15%以上的HS-3(3%的溶液)時，所得混合泥漿黏度較好，但密度不滿足要求，僅為1.08 g/cm3，補充添加占泥漿質量10%的膨潤土后，密度、黏度均滿足要求。在密度為1.20 g/cm3和1.25 g/cm3廢棄泥漿中分別加入3%、5%、8%，10%的HS-3溶液，同樣將混合后泥漿的密度、黏度等基本性質指標變化繪制成曲線，見圖2。

圖2 C、D組HS-3添加量與泥漿性質關系曲線

可以看出，漏斗黏度和泥漿密度均與HS-3添加量呈較好的線性關系。隨著HS-3添加量增加，漏斗黏度逐漸升高，密度為1.25 g/cm3泥漿黏度增長幅度較大。泥漿密度隨HS-3添加量增加逐漸減小，所得泥漿密度均大于1.15 g/cm3。當密度為1.20 g/cm3泥漿中添加5%以上的HS-3(3%的溶液)、密度為1.25 g/cm3泥漿中添加3%以上的HS-3(3%的溶液)時，所得混合泥漿黏度適當，穩(wěn)定性較好。

由圖3～圖4可以看出，漏斗黏度和泥漿密度均與HS-1添加量呈較好的線性關系。隨著添加量增加，漏斗黏度逐漸升高，添加量為20%時，泥漿密度均達到最小。E組和F組泥漿添加20%的HS-1后泥漿黏度仍較小，需要添加5%的HS-3溶液進行調節(jié)，以提高漏斗黏度。同時E組泥漿需補充添加泥漿質量10%的膨潤土，使泥漿密度滿足要求。G組泥漿添加15%以上的HS-1(3%的溶液)時，可配合添加5%以上的HS-3(3%的溶液)調節(jié)黏度至20 s，得到黏度適當?shù)哪酀{。H組泥漿起始黏度為19.21 s，起始黏度較大，只需添加5%的HS-1溶液，便可得到穩(wěn)定性較好的泥漿。

圖3 HS-1添加量與混合泥漿密度關系曲線

圖4 HS-1添加量與泥漿漏斗黏度關系曲線

綜合以上廢棄泥漿添加HS-3、HS-1后配制掘進用泥漿的試驗結果，得出各密度泥漿最優(yōu)添加量，見表6。

表6 各密度泥漿最優(yōu)添加量

4 廢棄泥漿成膜效果驗證試驗

(1)試驗儀器與方法

采用自主設計的泥漿滲透成膜裝置進行試驗，裝置示意圖見圖5。

圖5 泥漿滲透試驗裝置示意

試驗裝置主體為一高300 mm、內徑120 mm的有機玻璃滲透柱。進行試驗時，在滲透柱下部裝入高約3 cm、粒徑為2～5 mm的中粗砂作為濾層，然后裝入高度為5 cm的砂地層。采用先往滲透柱中注水再裝入濾層和地層的正向飽和法飽和濾層與地層，并控制地層干密度為1.5 g/cm3；然后注入一定高度的泥漿，密封法蘭盤，通過空壓機和穩(wěn)壓閥向滲透柱中施加0.2 MPa氣壓后，打開滲透柱底端的連通閥門，開始進行滲透試驗。試驗中記錄泥漿滲透過程中濾水量的變化，測量泥膜及滲透帶厚度。

(2)泥膜質量評價

本工程勘察報告中的盾構主要穿越地層為粉細砂地層和中砂地層，粉細砂層的滲透系數(shù)為5.0×10－3cm/s。依據(jù)各類土層的滲透系數(shù)大小，分別選取兩種單一粒徑砂地層作為試驗地層:0.1～0.25 mm，代表滲透系數(shù)5×10－3～9×10－3cm/s的地層；0.25～0.5 mm，代表滲透系數(shù)1×10－3～6×10－2cm/s的地層。

采用B組試驗泥漿在粒徑為0.1～0.25 mm的細砂地層、0.25～0.5 mm的中砂地層以及盾構掘進的原粉細砂地層中進行三組泥漿滲透試驗。濾水量隨時間的變化曲線如圖6所示。

圖6 泥漿在不同地層中的濾水量曲線

由圖6可以看出，在粒徑為0.25～0.5 mm的中砂地層中，泥漿滲透開始時，濾水量急劇增大；在粒徑為0.1～0.25 mm的細砂地層以及粉細砂地層中，泥漿滲透開始時，濾水量緩慢增加。隨著滲透的進行，濾水量的增加量逐漸減小，直至最后穩(wěn)定。以上變化規(guī)律說明，廢棄泥漿中的細顆粒含量較多，泥漿滲透時，細顆粒向地層中滲透，堵塞地層孔隙，使得泥漿在砂層中滲透時可以形成致密的泥膜。實際形成的泥膜見圖7。

圖7 粒徑為0.25～0.5 mm地層中形成的泥膜

泥膜滲透系數(shù)能衡量泥膜透水性強弱，泥膜滲透系數(shù)越小，說明泥膜透水性弱，自身結構致密，相應的閉氣能力強。根據(jù)泥膜形成穩(wěn)定后在一段時間內的濾水量以及泥膜的厚度，采用達西滲透定律計算泥漿在三種地層中形成的泥膜的滲透系數(shù)，結果見表7。

表7 泥膜性質指標

可以看出在三種地層中泥漿滲透形成的泥膜滲透系數(shù)差異不大，泥膜滲透系數(shù)很小。這說明京沈客專望京隧道中盾構在黏土層中掘進時產生的泥漿形成的泥膜結構致密，能滿足工程上在粉細砂、中砂地層中的盾構開艙要求。

5 工程應用經濟效益分析

本工程盾構在長達1 670 m的粉質黏土、黏土為主地層掘進，每環(huán)開挖土體需2 200 m3泥漿完成攜帶出渣，正常施工階段每臺盾構機每天進度為8環(huán)，則兩臺盾構機可掘進16環(huán)/d。

采用B組試驗泥漿配比，向密度1.15 g/cm3廢棄泥漿加入10%以上HS-3增黏劑，每1 000 m3廢棄泥漿需要3.1 t增黏劑。與完全利用膨潤土制備上述體量泥漿，配制每1 000 m3泥漿至少可節(jié)約膨潤土 238.24 t、增黏劑 3.1 t、水 894.36 t，且不考慮場地存儲、耗電、人員等成本，一天可節(jié)約施工成本約41.6萬元，經濟效益顯著。

6 結論

(1)使用增黏劑HS-1、HS-3對廢棄泥漿改良，HS-1、HS-3能提高泥漿的漏斗黏度，漏斗黏度和泥漿密度均與HS-1、HS-3添加量呈較好的線性關系。

(2)使用廢棄黏土泥漿配制而成的泥水平衡盾構泥漿可以在細砂、中砂地層形成結構致密的泥膜，能滿足工程上在細砂、中砂地層中的盾構開艙要求。

(3)京沈客專望京隧道工程中通過對廢棄泥漿改良再利用，大大減少了泥水盾構施工中泥漿配制的成本，提出了泥水盾構廢棄泥漿處理的新思路。