一種新型泥水盾構綠色泥漿配制及其性能研究

張稱呈

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司隧道院，湖北 武漢 430063)

0 引言

隨著我國城市化的不斷發展，地鐵運輸成為緩解城市交通擁擠問題行之有效的途徑。泥水盾構法以其施工質量好、效率高、能有效控制地面沉降等優點而被廣泛應用于地鐵建設中[1]。然而，泥水盾構在施工中也暴露出一些問題，傳統泥水盾構泥漿的主要成分為自然黏土、膨潤土、水和其他化合物如增黏劑CMC，這種泥漿降解難度大，泥漿性能參數難以控制，且施工過程中會產生大量廢漿，泥漿在滲透過程中易造成水土污染，特別在水質要求高的地區容易污染地下飲用水，對人體造成危害。針對傳統泥漿存在的不足，國內外學者圍繞泥漿添加劑及配合比對泥漿進行了一系列研究：韋良文等[2-3]研究了聚合物和正電膠對泥漿的影響機理，并根據研究成果配制了一種新型泥漿，該新型泥漿具有很強的穩定性，能迅速形成質量較好的泥膜。Heinzti[4]通過實驗發現聚合物對膨潤土泥漿的流動性有很大影響，小顆粒泥漿漿液在粉砂土地層中滲透性更強。Fritz[5]通過泥水加壓模擬試驗得到：在泥漿中加入0.7～4mm的蛭石，適量粒徑<1mm的細砂及少量的高分子聚合物添加劑，有助于泥漿在強滲透地層中形成質量較好的泥膜。王春河等[6]提出了一種以廢棄泥漿為原料，以高分子材料為添加劑，通過試驗配合比調制出新的盾構泥漿，該新型泥漿在復雜地層泥水盾構施工中應用效果良好。張子新等[7]研究發現了以天然黏土、碳酸鈉、淀粉和淡水為成分的綠色泥漿，并通過微觀試驗研究了該綠色泥漿在復雜應力下的力學特性變化，發現該綠色泥漿形成泥膜時間短，致密性好。蔣龍[8]基于砂土懸浮試驗研究了泥漿配制中黏土和膨潤土的最佳比例，并分析了聚丙烯酸鈉等6種添加劑對泥漿性能指標的影響。王廷等[9]以預膠化淀粉為添加劑，采用正交試驗的方法研究了預膠化淀粉含量對泥漿性能的影響，并通過泥漿滲透試驗裝置研究了泥漿在地層中的滲透現象及規律，分析了泥漿的適應性。王森[10]以瓜爾膠和黃原膠作為泥漿添加劑，分析了不同添加劑含量對泥漿性能的影響及綠色泥漿在砂土地層中的滲透規律和適應性。黃小龍[11]以海底隧道項目為工程背景，提出了一種新型的綠色抗鹽泥漿。周中等[12]研究了斷層破碎帶泥水盾構施工泥漿配比問題，并利用室內模型試驗分析了泥漿的適應性。

1 綠色泥漿基漿配制研究

綠色泥漿配制的首要環節是確定綠色泥漿添加劑。泥漿添加劑是泥漿的重要組成成分，其在泥漿中的含量相對較小，但其對泥漿性能的作用效果十分顯著，許多泥漿特性指標的調節均需要通過添加劑來實現。目前，國內外的泥水盾構隧道廣泛采用CMC作為泥漿添加劑。但使用該種添加劑泥漿性能參數難以控制、廢漿處理成本高、制漿材料用量過多，對環境污染性強。因此，研究對環境友好無污染、節約材料且對地層適應性好的綠色泥漿添加劑具有十分重要的意義。白糊精是淀粉原料在高溫高壓下蒸煮得到的產品，是一種對環境綠色無污染的材料。白糊精通常為黃白色粉末，易溶于水，水溶液具有很強的黏性，常用作穩定劑和增稠劑，可作為很好的泥漿添加劑。

泥水盾構所選泥漿的基本配合比材料包括黏土和膨潤土。參考已有強滲透地層泥水盾構泥漿基本材料配合比：水∶黏土∶膨潤土=720∶115∶73，通過單因素分析法分析黏土、膨潤土對泥漿性能的影響，確定基漿配合比。

1.1 膨潤土含量對泥漿性能的影響

分析膨潤土含量對泥漿性能的影響時，控制水和黏土的質量比為700∶100，其中黏土的粒徑≤0.075mm，然后依次分別向漿液中加入膨潤土15，30，45，60，75g，測定泥漿指標，如圖1～4所示。

圖1 膨潤土含量對泥漿黏度的影響

圖2 膨潤土含量對泥漿密度的影響

圖3 膨潤土含量對泥漿濾失量的影響

圖4 膨潤土含量對泥漿pH值的影響

由上圖可知，當泥漿中水和黏土的含量一定時，隨著膨潤土含量增加，泥漿黏度、密度、pH值不斷增加，泥漿濾失量逐漸減小，膨潤土含量對泥漿密度的影響很小。隨著泥漿濾失量逐漸減少，對應形成的泥膜越來越致密，泥膜厚度越來越薄。

結合上述試驗結果，綜合考慮不同膨潤土含量對泥漿各參數的影響結果，為使得配制的泥漿容易形成泥膜且形成的泥膜致密良好，初步確定水∶膨潤土=700∶75。

1.2 黏土含量對泥漿性能的影響

根據1.1節中的試驗結果，控制水∶膨潤土=700∶75，依次向漿液中加入黏土25，50，75，100，125g，分別測定泥漿的參數，如圖5～8所示。

圖5 黏土含量對泥漿黏度的影響

圖6 黏土含量對泥漿密度的影響

圖7 黏土含量對泥漿濾失量的影響

圖8 黏土含量對泥漿pH值的影響

由上圖可知，隨著黏土含量增加，泥漿黏度出現了明顯的增加，泥漿濾失量、pH值逐漸減小；黏土含量與泥漿密度呈正相關，但相關系數很小。黏土對泥漿濾失量的影響很小，試驗發現各組泥漿對應形成的泥膜厚度差距很小。

綜合上述試驗結果，考慮黏土含量對泥漿性能指標的影響，初步確定黏土含量為125g。最終得到的泥漿基漿質量配合比為水∶黏土∶膨潤土=700∶125∶75。

2 綠色泥漿性能研究

泥水盾構泥漿配制中通常加入一些添加劑來增強泥漿的黏性、密度或穩定性，改善泥漿的性能，以便于泥漿在開挖面滲透時快速形成泥膜。本節通過在泥漿中引入無水碳酸鈉和CMC，研究綠色泥漿性能變化。根據1.2節得出的基漿配合比，控制水∶黏土∶膨潤土=700∶125∶75，然后分別向泥漿溶液中加入無水碳酸鈉0.5，1.0，1.5，2.0，2.5g，研究無水碳酸鈉含量對泥漿性能的影響，如圖9～12所示。

圖9 無水碳酸鈉含量對泥漿黏度的影響

圖10 無水碳酸鈉含量對泥漿密度的影響

圖11 無水碳酸鈉含量對泥漿濾失量的影響

圖12 無水碳酸鈉含量對泥漿pH值的影響

由上圖可知，隨碳酸鈉含量的增加，泥漿黏度、密度、pH值逐漸變大，濾失量逐漸減小，對應形成的泥膜越來越致密，泥膜厚度越來越薄，泥膜質量也逐漸變好。

綜合上述試驗結果，考慮無水碳酸鈉含量對泥漿性能指標的影響，初步確定無水碳酸鈉含量為2.5g。最終得到的泥漿質量配合比為水∶黏土∶膨潤土∶無水碳酸鈉=700∶125∶75∶2.5。

同上述研究方法，控制泥漿配合比水∶黏土∶膨潤土∶無水碳酸鈉=700∶125∶75∶2.5，按此配合比分別加入白糊精50，70，90，110，130g，分析白糊精對泥漿性能的影響，如圖13～16所示。

圖13 白糊精含量對泥漿黏度的影響

圖14 白糊精含量對泥漿密度的影響

圖15 白糊精含量對泥漿濾失量的影響

圖16 白糊精含量對泥漿pH值的影響

由上圖可知，泥漿黏度隨白糊精含量的增加而增加；初期加入白糊精后，泥漿密度急劇減小，隨后隨著白糊精含量的增加，泥漿密度處于不斷波動狀態，且波動幅度較小。白糊精含量的增加引起泥漿濾失量大幅降低，白糊精對泥漿pH值影響很小，pH值變化范圍不超過0.1。白糊精能有效地改善泥漿性能，12.4%的白糊精泥漿pH值為9.4，密度為1.141g/cm3，濾失量為12.46ml，黏度為25.93s，且白糊精泥漿形成的各泥膜表面光滑致密，泥膜厚度均很薄。

綜合上述的試驗結果及其分析，初步確定適用于砂卵石地層的綠色泥漿質量配合比為水∶黏土∶膨潤土∶無水碳酸鈉∶白糊精=700∶125∶75∶2.5∶110。

3 綠色泥漿在砂卵石地層中的滲透性能研究

本節利用自行設計改進的泥漿滲透試驗裝置對綠色泥漿在砂卵石地層的滲透性能進行研究，泥漿滲透裝置如圖17所示。

圖17 泥漿滲透裝置示意

試驗裝置主要包括3個部分：泥漿滲透模擬系統、泥漿加壓輸送系統、測量系統。其中，泥漿滲透模擬系統是本此試驗的核心部分，主要研究泥漿在地層中滲透成膜現象和規律。泥漿加壓輸送系統由泥漿儲存罐、泥漿輸送管、壓力調節閥、空氣壓力輸送管和空氣壓縮機組成。其中泥漿儲存罐主要作用是攪拌泥漿，使泥漿保持均勻并將泥漿輸送到滲透系統；空氣壓縮機主要為泥漿提供壓力；壓力調節閥(精度0.01MPa，量程0.5MPa)控制泥漿在地層中的滲透壓力。測量系統包括U形壓力計、量筒、刻度尺。測量內容包括地層超靜孔隙水壓力、泥膜厚度和泥漿濾失量等。試驗材料布置如圖18所示。

圖18 試驗材料布置(單位：cm)

在泥漿壓力作用下，泥漿向地層內發生很小滲透，很快在地層表面形成1層致密的泥皮和小于2cm的滲透帶，泥皮與滲透帶有明顯的分界。泥漿壓力越大，泥皮越厚，滲透帶越長。由于泥皮的快速形成阻止了泥漿進一步向地層中發生滲透，地層中沒有很長的滲透帶形成。泥漿濾矢量變化如圖19所示。

圖19 地層泥漿濾失量變化

由圖19可知，泥漿在3種壓力下濾失量初始時線性增加，隨后達到穩定緩慢增加，最終的濾失量分別為185，238，328mL，泥漿壓力越大，濾失量增加越快，達到穩定的時間越長。這是由于泥漿在地層表面形成了一層微透水的泥膜，阻止了泥漿的滲透，因此泥漿濾失量很小。地層超靜孔隙水壓力變化如圖20所示。

圖20 地層超靜孔隙水壓力變化

由圖20可知，在泥漿壓力作用下，超靜孔隙水壓力在20s左右達到穩定，變化區間為2～9kPa；在一定的泥漿壓力作用下，越靠近泥漿壓力作用面，超靜孔隙水壓力越大，隨著泥漿壓力的增大，超靜孔隙水壓力達到穩定值的時間逐漸減緩。這是由于泥漿顆粒在地層表面沉積形成一層不透水的泥膜，阻止了泥漿繼續向地層滲透，使得超靜孔隙水壓力快速消散。

地層有效泥漿壓力轉化率如圖21所示。由圖21可知，在泥漿壓力作用下，有效泥漿壓力轉化率在10s左右達到穩定，變化區間為90%以上；在一定的泥漿壓力作用下，越靠近泥漿壓力作用面，有效泥漿壓力轉化率越小，即測壓孔1<測壓孔2<測壓孔3<測壓孔4<測壓孔5。隨著泥漿壓力的增大，有效泥漿壓力轉化率達到穩定值的時間逐漸減緩。這是由于滲透泥漿與砂卵石地層的適應性更好，泥漿顆粒在地層表面沉積形成一層不透水的泥膜，阻止了泥漿繼續向地層滲透，使得泥漿壓力可以更為有利地轉化為有效泥漿壓力。

圖21 地層有效泥漿壓力轉化率

4 結語

針對傳統泥漿在施工中存在的污染問題，本文提出了一種綠色泥漿，并進行了綠色泥漿配合比試驗，研究了綠色泥漿性能。最后通過自主設計改進的泥漿滲透裝置研究了綠色泥漿在砂卵石地層的滲透性能，得到的主要結論如下。

1)白糊精作為泥漿添加劑對泥漿性能具有顯著影響，可以有效改善泥漿的性能指標。12.4%的白糊精泥漿pH值為9.4，密度為1.141g/cm3，濾失量為12.46mL，黏度為25.93s，能很好滿足施工要求。

2)基于室內泥漿性能試驗，研究了無水碳酸鈉和白糊精對泥漿性能的影響，確定了綠色泥漿配合比為水∶黏土∶膨潤土∶無水碳酸鈉∶白糊精=700∶125∶75∶2.5∶110。

3)通過自主設計改進的泥漿滲透裝置，研究了綠色泥漿在砂卵石地層的滲透性能：在泥漿壓力作用下，泥漿濾失量初始時候線性增加，隨后達到穩定緩慢增加；泥漿壓力越大，濾失量增加越快，達到穩定的時間越長；在一定的泥漿壓力作用下，越靠近泥漿壓力作用面，超靜孔隙水壓力越大，有效泥漿壓力轉化率越小，隨著泥漿壓力的增大，超靜孔隙水壓力和有效泥漿壓力轉化率達到穩定值的時間逐漸減緩。