利用城区高铁隧道尾水配制泥水盾构掘进用泥浆技术

霍翼

（京沈铁路客运专线京冀有限公司，北京 100070）

近十年来，泥水盾构隧道技术广泛应用于我国隧道建设中，已成为大型越江（海）隧道和城市地下铁路建设不可或缺的关键技术［1］。泥水盾构施工中，开挖土料与泥水混合形成的高密度泥浆由排浆泵或管道输送到地面，经泥水处理设备分离后会产生大量废弃泥浆［2］。国内常添加高分子絮凝剂辅以机械物理脱水使泥浆固液分离［3］，分离后产生的清液能否用于配制泥浆，是一个值得探索的问题。

泥水盾构施工中泥浆需在开挖面形成微透水的泥膜，将泥浆压力转化为有效应力以平衡地层中水土压力，来保证开挖面的稳定。而泥浆材料组成及泥浆性质对泥膜形成及泥膜滤水量有重要影响。Watanabe等［4］在高渗透地层中开展泥浆成膜试验，发现随着泥浆密度增大泥浆滤失量逐渐减小，泥浆中砂含量在一定范围内增大会显著降低泥浆的滤失量。韩晓瑞等［5］通过室内试验发现，泥浆黏度越大泥浆滤失量越小，越易于形成泥膜。目前国内相关研究中关于尾水配浆及成膜方面的研究较少。

本文以北京—沈阳客运专线望京隧道为工程案例，利用废弃泥浆经絮凝-带式压滤处理产生的尾水配置黏土泥浆，添加不同比例的增黏剂溶液和膨润土浆，并对配制的浆液进行泥浆渗透成膜试验，探究合理利用尾水配制泥水盾构掘进用泥浆的技术。

1 工程概况与问题分析

望京隧道为双洞单线高速铁路隧道，全长8 000 m，位于北京市四环与六环之间，大致沿京承高速公路走行。隧道主要采用盾构法施工，盾构区间全长6 880 m，开挖直径10.87 m，管片外径10.5 m，内径9.5 m，厚度0.5 m，环宽2.0 m。

盾构始发段掘进过程中会穿越黏粉粒含量较高的淤泥质粉质黏土地层，产生大量的黏土泥浆。盾构在这种黏土地层掘进时，泥水分离设备无法及时将微小黏土颗粒分离，导致泥浆相对密度及黏度不断增大。为了满足泥浆性能和施工要求，必须废弃部分泥浆，从而产生了大量高相对密度、高黏度的废弃泥浆。考虑到泥浆排放可能带来环境问题，本工程采用絮凝-带式压滤处理工艺对这些废弃泥浆进行快速脱水处理，处理过程中会产生大量无色、无味透明液体，即尾水。

盾构开挖断面直径10.87 m，在粉质黏土地层中掘进时，每环需2 200 m³泥浆完成携带出渣，因此若絮凝-带式压滤处理后产生的尾水能重新达到制浆用水标准，可很大程度减少泥浆配制用水量，节约施工成本。

2 尾水配制泥浆试验

2.1 尾水水质分析

配制泥浆的水取自废弃泥浆经现场絮凝-带式压滤处理后产生的大量尾水。因国内尚无规范对泥水盾构泥浆配制用水水质作出相关规定，考虑到泥浆用水要求低于钢筋混凝土拌和用水，本文参考JGJ 63—2006《混凝土用水标准》中对钢筋混凝土拌和用水水质的要求，在现场使用酸度计、火焰光度计、电子天平对尾水水质进行简易分析，结果见表1。

表1 水质简易分析结果

由表1 可知，尾水的pH 值大于7，呈弱碱性，各项指标均满足JGJ 63—2006 中钢筋混凝土拌和用水的水质要求。因此经絮凝-带式压滤处理产生的尾水可以满足泥水盾构掘进用泥浆配制用水要求。

2.2 试验材料

试验材料为黏土、钠基膨润土和CYHS⁃3 型增黏剂。增黏剂由不同的大、中分子量的聚丙烯酸盐类、纤维素盐类、抗钙剂、乙烯基单体多元共聚物类、膨胀剂、改性土、增效添加剂等组成。采用苏式漏斗黏度仪测试泥浆漏斗黏度，1002型比重计测试泥浆密度。

2.3 试验方法

1）使用尾水配制不同密度的黏土泥浆。密度为1.20，1.15，1.10，1.05 g/cm3的泥浆对应的黏土与水的质量比分别为1∶3，1∶4，1∶6，1∶12。

2）膨化不同膨水比（膨润土质量/水质量）的膨润土浆，24 h 后测试浆液基本性能指标，见表2。由于此处膨润土浆主要用于调节黏土泥浆的黏度，因此选用漏斗黏度较高的膨水比为1∶10的膨润土浆进行试验。

表2 不同膨水比的膨润土浆性能指标

3）在黏土泥浆中分别添加增黏剂溶液和膨润土浆，测量混合泥浆的漏斗黏度及密度，以供现场不同工况下配制泥浆作参考。

2.4 试验结果分析

2.4.1 黏土泥浆中添加增黏剂溶液

增黏剂溶液质量分数为3%。向黏土泥浆中逐级添加占黏土泥浆质量5%，10%，15%及20%的增黏剂溶液。具体添加量见表3。

表3 增黏剂溶液添加量

黏土泥浆添加不同量的增黏剂溶液后其基本性能指标变化曲线见图1。

图1 添加增黏剂溶液后泥浆基本性能指标变化曲线

由图1 可见：①密度1.20 g/cm3的黏土泥浆初始漏斗黏度为17 s，增黏剂溶液添加量小于10%时，泥浆漏斗黏度随添加量提高而增大，但是增黏剂溶液添加量大于10%后漏斗黏度变化不明显。增黏剂溶液添加量由0 增至20%，泥浆密度由1.2 g/cm3逐渐减至1.17 g/cm3。因此，对于密度1.2 g/cm3的黏土泥浆，增黏剂溶液最佳添加量为10%。②密度为1.15 g/cm3的黏土泥浆初始漏斗黏度为16 s，增黏剂溶液添加量达到5%后漏斗黏度变化不明显。增黏剂溶液添加量达到15% 时泥浆密度降为1.13 g/cm3。对于密度1.15 g/cm3的黏土泥浆，增黏剂溶液最佳添加量为5%。③密度1.10，1.05 g/cm3的黏土泥浆初始漏斗黏度均为16 s，添加增黏剂对其黏度影响很小，未达到工程要求的漏斗黏度指标（20 s）。因此，对于1.10 g/cm3及以下低密度泥浆，不再适合采用黏土泥浆+增黏剂的配浆方法，须在配浆中添加膨润土浆。

2.4.2 黏土泥浆中添加膨润土浆

向黏土泥浆中逐级添加占黏土泥浆质量10%，20%，30%，40%，50%，60%，80%及100%的膨润土浆（膨润土浆膨水比为1∶10，膨化时间为24 h）。膨润土浆具体添加量见表4。泥浆基本性能指标变化曲线见图2。

表4 膨润土浆添加量

图2 添加膨润土浆后泥浆基本性能指标变化曲线

由图2（a）可知，密度1.20 g/cm3的黏土泥浆初始漏斗黏度为17 s，膨润土浆添加量达到50%时混合泥浆黏度达到22 s 左右，密度为1.15 g/cm3。随着膨润土添加量增加，混合泥浆黏度逐渐增大，密度逐渐降低。添加量超过60%时添加膨润土浆对混合泥浆黏度的提高效果更加明显。添加量达到100%时混合泥浆黏度达到32 s，而密度降至1.12 g/cm3左右。

由图2（b）可知，密度1.15 g/cm3的黏土泥浆初始漏斗黏度为16 s，当膨润土浆添加量达到50%时混合泥浆黏度达到20 s 左右，密度为1.13 g/cm3。随着膨润土浆添加量的增加，混合泥浆黏度逐渐增大，密度逐渐降低。当添加量达到100%时，混合泥浆黏度达到27 s，而密度降至1.1 g/cm3左右。

由此可知，在黏土泥浆中添加膨润土浆能够稳定提高泥浆黏度。泥浆性质不稳定时可以通过添加膨润土浆来调节泥浆性能。

3 尾水配制泥浆渗透成膜试验

试验用泥浆为黏土泥浆和膨润土浆的混合泥浆，泥浆密度为1.13 g/cm3，漏斗黏度为20 s。泥浆颗粒级配曲线见图3。

图3 泥浆颗粒级配曲线

选择本工程粉细砂地层进行试验，地层渗透系数为5.0×10-3cm/s。泥浆渗透成膜试验装置如图4所示。

图4 泥浆渗透成膜试验装置示意

试验装置主体为高300 mm、内径120 mm 的有机玻璃渗透柱。试验时在渗透柱下部装入高约3 cm、粒径2～5 mm 的中粗砂作为滤层，然后装入高5 cm 的粉细砂层。采用正向饱和法先往渗透柱中注水再装入滤层和粉细砂层使之饱和，并控制粉细砂层干密度为1.5 g/cm3；然后注入一定高度的泥浆，密封法兰盘，通过空压机和稳压阀向渗透柱中施加200 kPa 气压后，打开渗透柱底端的连通阀门，开始渗透试验。试验中记录泥浆渗透过程中滤水量的变化，测量泥膜和渗透带的厚度。

试验中在每级压力下泥浆滤失量都能迅速达到一个稳定值，泥浆在粉细砂层表面快速形成厚4 mm的泥膜。成膜过程中泥浆滤失量和压力曲线见图5。

图5 泥浆滤失量和压力曲线

由图5 可见，泥浆压力为50 kPa 时泥浆滤失量仅为18 mL。继续提高泥浆压力，泥浆滤失量增加不多。泥浆压力为150 kPa时泥浆滤失量为43 mL左右，继续提高泥浆压力到300 kPa，泥浆滤失量达到83 mL，泥浆在粉细砂层表面形成的泥膜能够较好阻止泥浆中水向粉细砂层中渗透。

4 用尾水配制泥浆的经济性分析

拟采用密度1.13 g/cm3，漏斗黏度20 s 的泥浆作为泥水盾构用泥浆。该泥浆由密度1.15 g/cm3的黏土泥浆与占泥浆质量50%的膨润土浆混合配制而成。

膨润土浆按膨水比1∶10 配制，密度1.15 g/cm3的黏土泥浆按土水比1∶4配制，该配合比下每配制1 000 m3泥浆需要自来水约954 t。若采用尾水配制，则每配制1 000 m3泥浆至少可节约用水954 （t约2 000元），可产生较好的经济效益，同时提升水资源的利用率，具有环保意义。

5 结论

1）向不同密度的黏土泥浆中加入增黏剂溶液、膨润土浆，均能提高泥浆漏斗黏度，改善泥浆的性质。密度为1.15 g/cm3的黏土泥浆，增黏剂溶液最佳添加量为5%。当泥浆密度较低时，需加入膨润土浆进一步提高泥浆漏斗黏度及密度。

2）使用尾水配制的密度1.13 g/cm3，漏斗黏度20 s的泥浆可以在粉细砂地层中形成结构致密的泥膜。当泥浆压力达到300 kPa，泥浆滤失量仅为83 mL，形成的泥膜能够较好阻止泥浆中的水向地层中渗透。每配制1 000 m3泥浆至少可节约用水954 t，具有较好的经济和环保效益。

3）经絮凝-带式压滤处理工艺分离出的尾水因投放的药剂不同其性质亦不同，在其他泥水盾构工程中推广及应用时还须大量试验研究。