一种新型泥水盾构绿色泥浆配制及其性能研究

张称呈

(中铁第四勘察设计院集团有限公司隧道院，湖北 武汉 430063)

0 引言

随着我国城市化的不断发展，地铁运输成为缓解城市交通拥挤问题行之有效的途径。泥水盾构法以其施工质量好、效率高、能有效控制地面沉降等优点而被广泛应用于地铁建设中[1]。然而，泥水盾构在施工中也暴露出一些问题，传统泥水盾构泥浆的主要成分为自然黏土、膨润土、水和其他化合物如增黏剂CMC，这种泥浆降解难度大，泥浆性能参数难以控制，且施工过程中会产生大量废浆，泥浆在渗透过程中易造成水土污染，特别在水质要求高的地区容易污染地下饮用水，对人体造成危害。针对传统泥浆存在的不足，国内外学者围绕泥浆添加剂及配合比对泥浆进行了一系列研究：韦良文等[2-3]研究了聚合物和正电胶对泥浆的影响机理，并根据研究成果配制了一种新型泥浆，该新型泥浆具有很强的稳定性，能迅速形成质量较好的泥膜。Heinzti[4]通过实验发现聚合物对膨润土泥浆的流动性有很大影响，小颗粒泥浆浆液在粉砂土地层中渗透性更强。Fritz[5]通过泥水加压模拟试验得到：在泥浆中加入0.7～4mm的蛭石，适量粒径<1mm的细砂及少量的高分子聚合物添加剂，有助于泥浆在强渗透地层中形成质量较好的泥膜。王春河等[6]提出了一种以废弃泥浆为原料，以高分子材料为添加剂，通过试验配合比调制出新的盾构泥浆，该新型泥浆在复杂地层泥水盾构施工中应用效果良好。张子新等[7]研究发现了以天然黏土、碳酸钠、淀粉和淡水为成分的绿色泥浆，并通过微观试验研究了该绿色泥浆在复杂应力下的力学特性变化，发现该绿色泥浆形成泥膜时间短，致密性好。蒋龙[8]基于砂土悬浮试验研究了泥浆配制中黏土和膨润土的最佳比例，并分析了聚丙烯酸钠等6种添加剂对泥浆性能指标的影响。王廷等[9]以预胶化淀粉为添加剂，采用正交试验的方法研究了预胶化淀粉含量对泥浆性能的影响，并通过泥浆渗透试验装置研究了泥浆在地层中的渗透现象及规律，分析了泥浆的适应性。王森[10]以瓜尔胶和黄原胶作为泥浆添加剂，分析了不同添加剂含量对泥浆性能的影响及绿色泥浆在砂土地层中的渗透规律和适应性。黄小龙[11]以海底隧道项目为工程背景，提出了一种新型的绿色抗盐泥浆。周中等[12]研究了断层破碎带泥水盾构施工泥浆配比问题，并利用室内模型试验分析了泥浆的适应性。

1 绿色泥浆基浆配制研究

绿色泥浆配制的首要环节是确定绿色泥浆添加剂。泥浆添加剂是泥浆的重要组成成分，其在泥浆中的含量相对较小，但其对泥浆性能的作用效果十分显著，许多泥浆特性指标的调节均需要通过添加剂来实现。目前，国内外的泥水盾构隧道广泛采用CMC作为泥浆添加剂。但使用该种添加剂泥浆性能参数难以控制、废浆处理成本高、制浆材料用量过多，对环境污染性强。因此，研究对环境友好无污染、节约材料且对地层适应性好的绿色泥浆添加剂具有十分重要的意义。白糊精是淀粉原料在高温高压下蒸煮得到的产品，是一种对环境绿色无污染的材料。白糊精通常为黄白色粉末，易溶于水，水溶液具有很强的黏性，常用作稳定剂和增稠剂，可作为很好的泥浆添加剂。

泥水盾构所选泥浆的基本配合比材料包括黏土和膨润土。参考已有强渗透地层泥水盾构泥浆基本材料配合比：水∶黏土∶膨润土=720∶115∶73，通过单因素分析法分析黏土、膨润土对泥浆性能的影响，确定基浆配合比。

1.1 膨润土含量对泥浆性能的影响

分析膨润土含量对泥浆性能的影响时，控制水和黏土的质量比为700∶100，其中黏土的粒径≤0.075mm，然后依次分别向浆液中加入膨润土15，30，45，60，75g，测定泥浆指标，如图1～4所示。

图1 膨润土含量对泥浆黏度的影响

图2 膨润土含量对泥浆密度的影响

图3 膨润土含量对泥浆滤失量的影响

图4 膨润土含量对泥浆pH值的影响

由上图可知，当泥浆中水和黏土的含量一定时，随着膨润土含量增加，泥浆黏度、密度、pH值不断增加，泥浆滤失量逐渐减小，膨润土含量对泥浆密度的影响很小。随着泥浆滤失量逐渐减少，对应形成的泥膜越来越致密，泥膜厚度越来越薄。

结合上述试验结果，综合考虑不同膨润土含量对泥浆各参数的影响结果，为使得配制的泥浆容易形成泥膜且形成的泥膜致密良好，初步确定水∶膨润土=700∶75。

1.2 黏土含量对泥浆性能的影响

根据1.1节中的试验结果，控制水∶膨润土=700∶75，依次向浆液中加入黏土25，50，75，100，125g，分别测定泥浆的参数，如图5～8所示。

图5 黏土含量对泥浆黏度的影响

图6 黏土含量对泥浆密度的影响

图7 黏土含量对泥浆滤失量的影响

图8 黏土含量对泥浆pH值的影响

由上图可知，随着黏土含量增加，泥浆黏度出现了明显的增加，泥浆滤失量、pH值逐渐减小；黏土含量与泥浆密度呈正相关，但相关系数很小。黏土对泥浆滤失量的影响很小，试验发现各组泥浆对应形成的泥膜厚度差距很小。

综合上述试验结果，考虑黏土含量对泥浆性能指标的影响，初步确定黏土含量为125g。最终得到的泥浆基浆质量配合比为水∶黏土∶膨润土=700∶125∶75。

2 绿色泥浆性能研究

泥水盾构泥浆配制中通常加入一些添加剂来增强泥浆的黏性、密度或稳定性，改善泥浆的性能，以便于泥浆在开挖面渗透时快速形成泥膜。本节通过在泥浆中引入无水碳酸钠和CMC，研究绿色泥浆性能变化。根据1.2节得出的基浆配合比，控制水∶黏土∶膨润土=700∶125∶75，然后分别向泥浆溶液中加入无水碳酸钠0.5，1.0，1.5，2.0，2.5g，研究无水碳酸钠含量对泥浆性能的影响，如图9～12所示。

图9 无水碳酸钠含量对泥浆黏度的影响

图10 无水碳酸钠含量对泥浆密度的影响

图11 无水碳酸钠含量对泥浆滤失量的影响

图12 无水碳酸钠含量对泥浆pH值的影响

由上图可知，随碳酸钠含量的增加，泥浆黏度、密度、pH值逐渐变大，滤失量逐渐减小，对应形成的泥膜越来越致密，泥膜厚度越来越薄，泥膜质量也逐渐变好。

综合上述试验结果，考虑无水碳酸钠含量对泥浆性能指标的影响，初步确定无水碳酸钠含量为2.5g。最终得到的泥浆质量配合比为水∶黏土∶膨润土∶无水碳酸钠=700∶125∶75∶2.5。

同上述研究方法，控制泥浆配合比水∶黏土∶膨润土∶无水碳酸钠=700∶125∶75∶2.5，按此配合比分别加入白糊精50，70，90，110，130g，分析白糊精对泥浆性能的影响，如图13～16所示。

图13 白糊精含量对泥浆黏度的影响

图14 白糊精含量对泥浆密度的影响

图15 白糊精含量对泥浆滤失量的影响

图16 白糊精含量对泥浆pH值的影响

由上图可知，泥浆黏度随白糊精含量的增加而增加；初期加入白糊精后，泥浆密度急剧减小，随后随着白糊精含量的增加，泥浆密度处于不断波动状态，且波动幅度较小。白糊精含量的增加引起泥浆滤失量大幅降低，白糊精对泥浆pH值影响很小，pH值变化范围不超过0.1。白糊精能有效地改善泥浆性能，12.4%的白糊精泥浆pH值为9.4，密度为1.141g/cm3，滤失量为12.46ml，黏度为25.93s，且白糊精泥浆形成的各泥膜表面光滑致密，泥膜厚度均很薄。

综合上述的试验结果及其分析，初步确定适用于砂卵石地层的绿色泥浆质量配合比为水∶黏土∶膨润土∶无水碳酸钠∶白糊精=700∶125∶75∶2.5∶110。

3 绿色泥浆在砂卵石地层中的渗透性能研究

本节利用自行设计改进的泥浆渗透试验装置对绿色泥浆在砂卵石地层的渗透性能进行研究，泥浆渗透装置如图17所示。

图17 泥浆渗透装置示意

试验装置主要包括3个部分：泥浆渗透模拟系统、泥浆加压输送系统、测量系统。其中，泥浆渗透模拟系统是本此试验的核心部分，主要研究泥浆在地层中渗透成膜现象和规律。泥浆加压输送系统由泥浆储存罐、泥浆输送管、压力调节阀、空气压力输送管和空气压缩机组成。其中泥浆储存罐主要作用是搅拌泥浆，使泥浆保持均匀并将泥浆输送到渗透系统；空气压缩机主要为泥浆提供压力；压力调节阀(精度0.01MPa，量程0.5MPa)控制泥浆在地层中的渗透压力。测量系统包括U形压力计、量筒、刻度尺。测量内容包括地层超静孔隙水压力、泥膜厚度和泥浆滤失量等。试验材料布置如图18所示。

图18 试验材料布置(单位：cm)

在泥浆压力作用下，泥浆向地层内发生很小渗透，很快在地层表面形成1层致密的泥皮和小于2cm的渗透带，泥皮与渗透带有明显的分界。泥浆压力越大，泥皮越厚，渗透带越长。由于泥皮的快速形成阻止了泥浆进一步向地层中发生渗透，地层中没有很长的渗透带形成。泥浆滤矢量变化如图19所示。

图19 地层泥浆滤失量变化

由图19可知，泥浆在3种压力下滤失量初始时线性增加，随后达到稳定缓慢增加，最终的滤失量分别为185，238，328mL，泥浆压力越大，滤失量增加越快，达到稳定的时间越长。这是由于泥浆在地层表面形成了一层微透水的泥膜，阻止了泥浆的渗透，因此泥浆滤失量很小。地层超静孔隙水压力变化如图20所示。

图20 地层超静孔隙水压力变化

由图20可知，在泥浆压力作用下，超静孔隙水压力在20s左右达到稳定，变化区间为2～9kPa；在一定的泥浆压力作用下，越靠近泥浆压力作用面，超静孔隙水压力越大，随着泥浆压力的增大，超静孔隙水压力达到稳定值的时间逐渐减缓。这是由于泥浆颗粒在地层表面沉积形成一层不透水的泥膜，阻止了泥浆继续向地层渗透，使得超静孔隙水压力快速消散。

地层有效泥浆压力转化率如图21所示。由图21可知，在泥浆压力作用下，有效泥浆压力转化率在10s左右达到稳定，变化区间为90%以上；在一定的泥浆压力作用下，越靠近泥浆压力作用面，有效泥浆压力转化率越小，即测压孔1<测压孔2<测压孔3<测压孔4<测压孔5。随着泥浆压力的增大，有效泥浆压力转化率达到稳定值的时间逐渐减缓。这是由于渗透泥浆与砂卵石地层的适应性更好，泥浆颗粒在地层表面沉积形成一层不透水的泥膜，阻止了泥浆继续向地层渗透，使得泥浆压力可以更为有利地转化为有效泥浆压力。

图21 地层有效泥浆压力转化率

4 结语

针对传统泥浆在施工中存在的污染问题，本文提出了一种绿色泥浆，并进行了绿色泥浆配合比试验，研究了绿色泥浆性能。最后通过自主设计改进的泥浆渗透装置研究了绿色泥浆在砂卵石地层的渗透性能，得到的主要结论如下。

1)白糊精作为泥浆添加剂对泥浆性能具有显著影响，可以有效改善泥浆的性能指标。12.4%的白糊精泥浆pH值为9.4，密度为1.141g/cm3，滤失量为12.46mL，黏度为25.93s，能很好满足施工要求。

2)基于室内泥浆性能试验，研究了无水碳酸钠和白糊精对泥浆性能的影响，确定了绿色泥浆配合比为水∶黏土∶膨润土∶无水碳酸钠∶白糊精=700∶125∶75∶2.5∶110。

3)通过自主设计改进的泥浆渗透装置，研究了绿色泥浆在砂卵石地层的渗透性能：在泥浆压力作用下，泥浆滤失量初始时候线性增加，随后达到稳定缓慢增加；泥浆压力越大，滤失量增加越快，达到稳定的时间越长；在一定的泥浆压力作用下，越靠近泥浆压力作用面，超静孔隙水压力越大，有效泥浆压力转化率越小，随着泥浆压力的增大，超静孔隙水压力和有效泥浆压力转化率达到稳定值的时间逐渐减缓。