泥水盾构循环泥浆制备工艺技术——以甬台温天然气输气管道瓯江盾构工程为例

王 乐，刘小林，郝立钊，李 博，吉文龙

中国石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

1. 工程概况

甬台温管道瓯江盾构穿越工程(以下简称“瓯江盾构工程”)隶属于浙江省甬台温天然气输气管道工程，是浙江省天然气管网的重要组成部分，隧道全长834.5 m，主要穿越地层的岩性为中砂岩、卵石、中–强风化流纹英安玢岩、中风化角砾岩。隧道建成后铺设一条管径为813 mm的天然气管道，全长467.732 km，设计输气规模为95 × 108m3/a，设计压力6.3 MPa。

瓯江盾构工程穿越卵石层长度超过300 m，勘探最大卵石粒径小于200 mm，实际施工过程中最大卵石粒径达到450 mm，60%卵石粒径超过150 mm，卵石占比超过90%以上。工程需要配制优质泥浆进行护壁和携渣，在稳定开挖面的基础上，进行卵石携带，由此需要研究出一套泥浆制备的新工艺，确保大粒径卵石层掘进对泥浆质量和数量的要求。

2. 泥浆性能指标

在同步注浆填充不足、管片渗漏水、地面变形过大、通过建筑物或有特殊要求的重要地段时，根据地面监测数据、地质雷达探查，同步注浆未能达到效果时需进行二次注浆。

泥浆在泥水盾构中的主要有3点：形成泥膜及稳定开挖面；运送排放切削渣土；减小刀具与地层的摩擦，保护刀具。如在泥水盾构掘进施工时泥浆应用不当，会造成刀具磨损速度加快、寿命减短，管路堵塞、磨损，泥浆循环系统不流畅，甚至还会造成开挖面坍塌、地表沉降、建筑物塌陷等安全事故，影响工程的顺利贯通。

2.1. 泥浆主要材料组成

1) 黏土。主要作用是提高泥浆的密度及黏度，一般黏土可以从施工现场就地取材。

2) 膨润土。是一种以蒙脱石为主要成分的黏土矿物，具有负电性大、水化能力强、分散性高等特性，一般分为天然膨润土、改性膨润土、活性膨润土3种，工程上一般选用天然膨润土，其相对密度为2.4～2.9 t/m3，液限为330%～600%，遇水体积膨润10～15倍。

3) 纯碱(Na2CO3)。可以对膨润土进行离子交换，并使浆液的 pH值控制在 8～9，有效地提高了泥浆的均匀性。

4) 水。泥浆中增加或减小清水的比例，可以调整泥浆pH值、密度、黏度等。

5) CMC(添加剂)。CMC为羟甲基纤维素，溶于水时呈现极高的黏性，故多用来做增黏剂，可以降低滤失水量和防止逸泥，也可抵抗阳离子污染。

6) 正电胶干粉。用来做增黏剂，把黏土颗粒胶结在一起，产生一定厚度的加固地层，从而阻止逸泥和地下水涌入[1]。

2.2. 泥浆关键性能参数

1) 黏度。黏用于估算泥浆中膨润土含量最有效和便捷的指标，标准条件下用苏式漏斗测量水的黏度为 15 ± 0.5s。

2) pH值。用于测定搅拌泥浆用水的酸碱度，酸性水质会中和泥浆中膨润土的碱基离子，降低膨润土的使用效率。

3) 滤失水量。泥浆的滤失水量与泥膜质量具一定相关性，泥膜致密，则泥浆的滤失水量小；反之，则泥浆的滤失水量大。滤失水量取决于膨润土质量及净化设备处理精度。泥浆滤失水量与泥膜厚度共同作为掘进面防塌的重要指标。

4) 密度。泥浆的密度在一定程度上反映了其密度的大小。在循环过程中，相同黏度下，泥浆的密度可反映出其杂质的含量，是评价泥浆质量优劣的重要指标。

5) 含砂量。在大多数地层中，含砂量的变化决定着泥浆的密度变化，同时影响泥浆循环中的泵送能力和泥浆携渣能力。

6) 泥膜厚度。指在一定压力下，一定体积的泥浆在一定面积滤纸上所形成的泥饼厚度。在掘进过程中，形成的泥膜对掘进面有一定的支护作用。

2.3. 泥浆指标要求

2.3.1. 各项材料对泥浆性能影响

试验显示，膨润土与水的质量比为4%、5%、6%和8%时，泥浆黏度分别可达到26、33、40和90 s，泥膜厚度分别为1.58、1.71、1.79和1.81 mm。

为确保泥膜厚度不小于1.5 mm，选择使用质量比不低于4%的泥浆作为基浆，添加CMC和纯碱，试验数据表明：4%基浆 + 0.02% CMC时，泥浆黏度为32 s；4%基浆 + 0.03% CMC时，泥浆黏度为50 s；4%基浆 + 0.02%纯碱时，泥浆黏度为30 s；4%基浆 + 0.03%纯碱时，泥浆黏度为45 s。

2.3.2. 泥浆性能参数确定

在固定配比下，膨润土含量对泥浆的黏度影响非常明显，随着膨润土含量的增大，泥浆的黏度先缓慢增长，后急剧增长。CMC的加入对泥浆的其他性能指标，诸如泥膜厚度等几乎没有影响。纯碱的加入对泥浆的pH值有一定影响(基浆约为9，随着纯碱的加入逐渐升高)。

通过试验和配比尝试，确定泥浆的性能标准：黏度 ≥ 30 s；密度 ≥ 1.05 g/cm3；含砂量约为1.5%；滤失水量(FL7.5 min) < 20 mL；泥浆pH值为8～10；泥膜厚度 > 1.5 mm。

在泥水分离设备现场操作过程中，受搅拌不均匀和沉淀浪费等因素影响，实际添加的膨润土和添加剂均略大于试验用量。最终泥浆配比为100%水 + 4%膨润土 + 0.2% CMC。

考虑到泥水处理人员在实际配制泥浆中的检测因素，卵石地层掘进需重点控制泥浆黏度和密度，以此来控制泥浆性能指标，其他参数通过实验室取样检测进行控制[2]。

3. 泥浆制备工艺介绍

3.1. 技术要求

制浆装置主要由一台射流泵(采用功率55 kW渣浆泵)、射流混浆装置、Ø108 mm管路及配套阀门组成，通过射流泵抽取泥浆底箱中的泥浆，输送至混浆装置中。由于输送管路由DN150突变为DN25 (图1)，压力骤然增高，产生压力差，形成真空吸力，可以从混浆装置上部开口处加入膨润土(图2)。膨润土由于真空吸力很容易进入管内与扩散的泥浆混合，再通过输送管路重新回到泥浆底箱中。若泥浆黏度等性能指标不达标，则继续循环该过程。

Figure 1. The diameter of DN150 variated to DN25 in the jet device图1. 射流装置变径DN150突变为DN25

Figure 2. The jet slurry mixing device图2. 射流混浆装置图

3.2. 制浆流程

工程泥浆制备实现了流水化作业。射流泵实现了遥控式开闭，只需轻按按钮，就自动开始循环泥浆。该装置管路还与压滤机相连，当浆液质量下降到密度 > 1.3 g/cm3，滤失水量(FL7.5 min) > 20 mL时，即达到泥浆报废标准，直接通过连接压滤机的隔膜泵进行吸浆、压滤，分离出泥饼和清水，清水继续进行配浆使用。整个制浆工艺依照上述流程进行循环，达环保要求的零排放指标。

为保证卵石层掘进时泥浆形成泥膜质量好，起到护壁作用，将泥浆黏度设置在30～32 s之间。但在掘进的同时，由于泥浆循环和地下水会导致泥浆黏度损耗，因此，需对其进行监控，保证泥浆黏度处于规定范围内。

4. 结语

瓯江盾构工程项目部通过改进制浆装置和工艺，制备了优质的泥浆，保证顺利完成了300 m卵石层的掘进任务，大大降低了施工成本，提高了工作效率。瓯江盾构工程泥浆制备技术的成功应用，为今后类似项目泥水盾构泥浆制备提供了技术借鉴与参考。

[1] 马小汀. 泥水盾构泥浆制备技术[C]//中国中铁隧道集团. 2007年水底隧道专题技术交流大会论文集. 北京: 中国铁道学会, 2007.

[2] 杨晓玲, 程代来. 大直径桩成孔的新型泥浆[C]//中国公路学会桥梁和结构工程学会. 2001年桥梁学术讨论会论文集. 北京: 中国公路学会, 2001.