壓濾泥餅調制泥漿及其在砂層渣土改良中的應用研究

游 智，鐘小春，張 洋，孫金鑫

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210000)

二十一世紀以來，盾構法施工技術在我國隧道建設領域中得到了飛速發展，泥水平衡盾構法施工因其良好的地層適應性被廣泛采用，目前大多數的越海越江大直徑隧道都采用泥水平衡盾構法進行施工[1]。隨著社會對環保節能要求的不斷提高，對泥水平衡盾構泥漿系統的棄漿處理提出了更高的要求[2-3]。壓濾機和泥水系統相結合，利用壓濾機處理盾構掘進產生的棄漿的方法近年來逐漸被推廣利用[4-5]。經壓濾產生的大量泥餅，若采用丟棄的方式處理，不僅運輸成本高，對環境也有很大污染。若能進一步處理，將其調制成泥漿，并能為鄰近區間土壓平衡盾構施工砂層渣土改良所用，這樣“變廢為寶”，不僅保護環境，減少浪費，還能保障土壓盾構順利掘進，節約工程成本，具有較好的社會效益和經濟效益。

對于土壓平衡盾構的砂層渣土改良，國內外學者進行了大量研究。目前常用的砂層渣土改良劑有水、泡沫劑、膨潤土泥漿等。Psomas等[6]在試驗中對盾構施工中砂層加入泡沫進行改良，發現加入泡沫后的混合砂抗剪強度和滲透系數大大減小。胡長明等[7]發現采用濃度為1∶10膨潤土泥漿，控制泥漿體積摻入比為1∶5進行掘進施工時，渣土呈比較理想的流塑態，螺旋機排土順暢且推進速度有所提升，刀盤的磨損程度明顯減小。

在利用工程廢棄材料改良渣土方面，也有學者進行了嘗試。王大永等[8]在哈爾濱地鐵3號線沿江車站區間盾構穿越富水砂層時，利用膨潤土摻加暗挖區間開挖的黏土改良渣土，效果與利用純膨潤土泥漿改良相似。目前，關于如何利用壓濾泥餅調制泥漿進而改良渣土的研究還是很少，工程實踐中也鮮有嘗試。本文通過一系列室內試驗，從泥漿的性質及用其改良渣土的效果兩方面，探究利用壓濾泥餅調制滿足砂層渣土改良需要的泥漿的可行性及方法。

1 壓濾泥餅調制泥漿試驗

土壓平衡盾構施工中，用于渣土改良泥漿應具有合理范圍內的密度和粘度以保證改良效果，同時也應具有較好的穩定性，使其便于拌制及運輸。下面就泥漿的密度控制、粘度控制、穩定性控制三個方面，開展壓濾泥餅調制泥漿的試驗研究。

1.1 壓濾泥餅調制泥漿的密度控制

根據之前有關渣土改良的研究，為了達到砂性土地層渣土改良的效果，其泥漿摻入量一般需要達到渣土質量的15%～25%[9]。為了減少泥漿的摻入量，可以通過提高泥餅調制泥漿的密度來實現[10]。壓濾泥餅如圖1，用其調制泥漿的試驗結果如表1所示。

圖1 壓濾泥餅Fig.1 Filter cake

從表1中可看出，泥漿蘇氏粘度與泥漿密度密切相關。當泥漿密度達到1.365 g/cm3以上時，泥漿流動性較低，不便于泥漿拌制和運輸。因此，為滿足渣土改良的要求，且考慮到減少泥漿的摻入量，壓濾泥餅調制的泥漿密度宜控制在1.29～1.34 g/cm3。

表1 壓濾泥餅調制泥漿性能試驗

現場進行壓濾泥餅拌制泥漿時，泥餅與水的摻入質量比與拌制泥漿的密度、泥餅的含水率有很大的關系。為此需要進行泥漿的二相體分析，建立相關物理模型，通過計算分析得到泥餅與水的摻入質量比、拌制泥漿的密度、泥餅的含水率三者之間的關系如公式(1)。

(1)

式中，m——單位質量的泥餅所需摻入水的質量，ρ——拌制泥漿的密度，w——壓濾泥餅的含水率，Gs——泥漿顆粒比重。

依據上述物理模型的計算結果，可以得到泥餅與水的摻入質量比與拌制泥漿的密度、泥餅的含水率的關系曲線如圖2所示。根據此理論計算結果，可以再結合現場實際情況，確定拌制泥漿時泥餅與水的質量摻入比。

圖2 壓濾泥餅拌制泥漿時泥餅與水摻入比變化曲線Fig.2 Relationship between mixing ratio of mud cake and water when filter cake is mixed with mud

1.2 壓濾泥餅調制泥漿的穩定性控制

在調制泥漿的過程中發現，采用純泥餅調制的泥漿穩定性較差，長時間靜置會出現明顯的泌水和分層現象，因此需要對其進行進一步改良，并進行穩定性試驗。

在密度分別為1.29 g/cm3和1.34 g/cm3的純泥餅調制泥漿中，分別摻入鈉基膨潤土、鈣基膨潤土(混入碳酸鈉分散劑)、CMC溶液(質量含量1‰)對其進行改良，用激光粒度分析儀測得其不同粒徑顆粒含量變化如圖3所示。

內部控制體系是企業根據經營管理和發展需要，利用內部因分工產生的相互聯系、相互牽制的內在關系而形成的，包含一系列具有控制職能的制度、措施、程序等在內的運行系統。其目的是為了保證經濟資源的安全完整、經濟信息的正確可靠、經營行為的合理合法、經濟活動的有序進行，以及經營風險的有效規避。內部控制體系的核心內容是內部控制，其包含內部環境、風險評估、控制活動、信息與溝通、內部監督五大要素。目前，我國大部分企業的內控體系建設，都逐步確立了以“內部環境為重要基礎、風險評估為重要環節、控制活動為重要手段、信息與溝通為重要條件、內部監督為重要保證”的內部控制框架。

圖3 摻入不同外加劑泥漿顆粒粒徑變化情況Fig.3 Variation of particle size of mud mixed with different additives

從圖3可以發現，摻入不同外加劑后泥漿的最小粒徑(D3)均有不同程度減小；摻入鈉基膨潤土后，泥漿的平均粒徑(D50)明顯減小；摻入鈣基膨潤土和CMC溶液的泥漿平均粒徑(D50)無明顯變化，而最大粒徑(D97)明顯增大。將摻入不同外加劑的泥漿靜置12 h后，觀察其泌水率，結果見圖4、圖5、圖6。

圖4 密度1.29 g/cm3泥漿摻入不同外加劑的穩定性試驗Fig.4 Stability test of 1.29 g/cm3 mud mixed with different additives

圖5 密度1.34 g/cm3泥漿摻入不同外加劑的穩定性試驗Fig.5 Stability test of 1.34 g/cm3 mud mixed with different additives

圖6 摻入不同外加劑泥漿穩定性對比Fig.6 Stability comparison of mud mixed with different additives

試驗發現，摻入不同的外加劑對泥漿的穩定性有明顯影響，摻入鈉基膨潤土的泥漿，其泌水率明顯下降，當摻入量達到泥漿質量的1.7%時，泌水率降低至2.5%，當摻入量達到泥漿質量的3.4%時，泌水率降低至1%以下，幾乎看不到水層，泥漿表現出很好的穩定性；摻入鈣基膨潤土對泥漿穩定性的改良效果不明顯；摻入CMC溶液甚至會使泥漿泌水率增大、穩定性變差。

根據試驗結果，摻入鈉基膨潤土對泥漿穩定性的改良效果最好。針對摻入鈉基膨潤土的泥漿，為了達到渣土改良需要滿足的粘度，需進一步進行泥漿的粘度性能控制試驗。

1.3 壓濾泥餅調制泥漿的粘度控制

在密度分別為1.29 g/cm3和1.34 g/cm3的泥漿中摻入泥漿質量的1.7%、3.4%、5.1%的鈉基膨潤土，充分攪拌10 min，靜置24 h后，其粘度性能數據見表2。

從表2中可以看出，摻入鈉基膨潤土后泥漿改良后的粘度明顯提高，由于蘇氏漏斗粘度測試范圍有限，進一步開展泥漿的塑性旋轉粘度試驗，試驗儀器如圖7所示。

表2 摻入鈉基膨潤土改良后的泥漿粘度性能

圖7 NXS-11B旋轉粘度計Fig.7 NXS-11B rotational viscometer

試驗結果如圖8、圖9所示，根據試驗結果可以看出，密度為1.29 g/cm3和1.34 g/cm3的泥漿中摻入其質量3.4%以上的鈉基膨潤土，其泥漿粘度得到了大幅度提高，效果顯著，可以滿足砂層渣土改良的需要。考慮到現場施工中涉及大漿液流動性的問題，可以在本試驗結果的基礎上進一步開展試配試驗，摻入鈉基膨潤土質量在3%～5%之間。

圖8 密度為1.29 g/cm3純泥餅拌制的泥漿改良后塑性粘度曲線Fig.8 Plastic viscosity curve of mud mixed with 1.29 g/cm3 pure mud cake

圖9 密度為1.34 g/cm3純泥餅拌制的泥漿改良后塑性粘度曲線Fig.9 Plastic viscosity curve of mud mixed with 1.34 g/cm3 pure mud cake

2 砂土改良試驗

圖10 中粗砂樣本顆粒級配曲線Fig.10 Grain size distribution curve of medium coarse sand sample

2.1 流動性試驗

在配制好的砂層土樣中，分別摻入不同量的水和調制好的泥漿，研究分析其流動性隨摻水量和摻泥漿量的變化情況。

本試驗砂土和水及泥漿混合物的流動性通過塌落度和跳桌流動度來綜合評價。試驗方法依據為GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》和GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》，試驗儀器如圖11所示，試驗結果見圖12、圖13。

圖11 流動性試驗Fig.11 Fluidity test

圖12 摻入不同水量渣土流動性變化情況Fig.12 Fluidity change of slag soil mixed with different amount of water

圖13 摻入不同泥漿量渣土塌落度變化情況Fig.13 Variation of slump of slag soil mixed with different amount of mud

試驗發現，隨著摻入水量的增加，砂土流動性明顯提高，當摻入渣土質量的14%以上的水時，水-砂土混合物塌落度和跳桌流動度均能達到100 mm以上，呈現較好的流動狀態；摻入調制的泥漿后，水-砂土-泥漿混合物的流動性和整體性進一步提高；當摻入渣土質量的6%以上的泥漿時，改良后的渣土呈較好的流塑狀態。

2.2 滲透試驗

滲透試驗的目的是分析砂土地層渣土改良前后的滲透系數變化情況，確保改良后的渣土能滿足盾構施工要求[13-14]。本試驗利用的是空壓機+可密閉滲透儀組成的帶壓滲透儀裝置，裝置及試驗過程如圖14所示。其中，空壓機提供的氣壓可以換算成常水頭滲透試驗的水頭高度，滲透系數按照式(2)計算。

圖14 帶壓滲透試驗Fig.14 Permeability test under pressure

(2)

式中，k——滲透系，m/s；V——滲出水的體積，m3；L——渣土的高度，m；A——滲流橫截面面積，m2；H1,H2——水頭高度，m；H3——氣壓換算水頭高度，m；t——滲流時間，s。

摻入不同量泥漿渣土的滲透系數見表3。根據試驗結果，未摻入泥漿的渣土滲透性較強，滲透系數達到2.33×10-2，摻入調制的泥漿后，滲透系數明顯下降，達到10-4數量級，可以滿足土壓平衡盾構施工的要求[15-17]。試驗發現，當摻入泥漿量達到6%以上，隨著泥漿摻入量的增加，渣土泥漿混合物的滲透性降低程度逐漸減緩。綜合考慮改良效果和經濟性，泥漿最優摻入量為渣土質量的6%～10%。

表3 摻入不同量泥漿渣土的滲透系數(單位：cm/s)

實際施工過程中，盾構機穿越全斷面中粗砂地層時，單采用泡沫劑進行渣土改良時，盾構機推力達到40 000 kN左右，刀盤扭矩達到12 000 kN·m，刀具磨損較為嚴重，并且渣土易排水固結，引發在土艙及螺旋機內“結泥餅”現象，后果嚴重時會導致盾構機無法順利排土，掘進困難[18-21]。采用泡沫劑+調制泥漿進行渣土改良，盾構機推力和刀盤扭矩均能下降20%以上，螺旋機排土順暢，推進速度也有所提高且穩定。因此，從實際施工的情況來看，利用泥水平衡盾構壓濾泥餅調制泥漿，用于土壓平衡盾構砂層渣土改良，能取得不錯的效果，同時節約了工程成本，保護了環境。

3 結論

1)利用泥水平衡盾構壓濾泥餅調制泥漿用于土壓平衡盾構渣土改良時，泥漿密度宜為1.29～1.34 g/cm3。密度過小則泥漿摻入量過大，不經濟；密度過大則泥漿粘度過大，流動性較差甚至無法流動，在施工中無法運輸和使用。

2)壓濾泥餅調制泥漿，若不摻入外加劑，泥漿泌水率較大，穩定性較差，不便于施工。比較摻入鈉基膨潤土、鈣基膨潤土、CMC溶液(質量含量1‰)三種外加劑效果，鈉基膨潤土對其穩定性提高作用明顯，當摻入3%質量以上的鈉基膨潤土時，靜置24 h以上，泌水率降到1%以下，漿體幾乎沒有水層，具有較好的穩定性。

3)摻入鈉基膨潤土對調制泥漿粘度的提高有明顯效果，摻入泥漿質量3.4%以上的鈉基膨潤土時，泥漿粘度大幅提高，效果顯著。實際施工中，考慮到現場涉及大漿液流動性的問題，可以在鈉基膨潤土摻入量3%～5%范圍內進一步開展試配試驗，以進一步明確鈉基膨潤土的摻入量。

4)將利用壓濾泥餅配制的密度為1.34 g/cm3并摻入4%質量鈉基膨潤土的泥漿，運用到土壓平衡盾構中粗砂地層渣土改良中，取得了不錯的效果。泥漿摻入量僅需達到渣土質量的6%～10%，就可以接近純膨潤土泥漿的改良效果，渣土呈現較好的流動性和較低的滲透性，能滿足施工要求。

5)在使用壓濾機處理泥水平衡盾構棄漿的基礎上，進一步考慮如何利用壓濾泥餅調制泥漿，并運用到臨近區間土壓平衡盾構施工中，是一個泥漿廢棄物回收利用的節能環保新思路，有一定的參考價值。