姜 騰，姚占虎，閔凡路

(1.河海大學巖土工程研究所,江蘇 南京 210098; 2.中交隧道工程局有限公司,北京 100088; 3.河海大學力學與材料學院,江蘇 南京 210098)

廢棄黏土在泥水盾構泥漿配制中的再利用研究

姜 騰1，姚占虎2，閔凡路3

(1.河海大學巖土工程研究所,江蘇 南京 210098; 2.中交隧道工程局有限公司,北京 100088; 3.河海大學力學與材料學院,江蘇 南京 210098)

南京緯三路過江通道在豎井施工和盾構始發(fā)段掘進過程中產(chǎn)生了大量廢棄的黏土，如何經(jīng)濟環(huán)保地處理廢棄土成為工程面臨的一大難題。工程盾構段約40%的地層是粉細砂地層，該地層對泥漿指標要求較低，考慮利用廢棄黏土來配制掘進泥漿。采用填土、淤泥質粉質黏土、膨潤土分別與泥漿增黏劑混合配漿，使用自制的泥漿滲透儀測定泥漿的濾失量和成膜質量，最后結合現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證泥漿配比的可行性。結果表明，采用始發(fā)段廢棄淤泥質粉質黏土配制的泥漿穩(wěn)定性較好，形成的泥膜致密、泥漿失水量小，能夠滿足粉細砂地層的盾構掘進。

南京緯三路過江通道；廢棄黏土；粉細砂地層；泥漿；泥膜

0 引言

南京緯三路過江通道(以下簡稱緯三路隧道)在施工前期產(chǎn)生了大量的廢棄黏土，這些工程廢棄土的常規(guī)處理方法是外運至棄土場，存在成本高、環(huán)保要求高的問題。如果能將這些渣土就近處理或加以利用，將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟和環(huán)保效益。緯三路隧道采用泥水加壓式盾構施工[1]，在泥水加壓式盾構掘進中，泥漿起著維持開挖面穩(wěn)定、循環(huán)攜渣和潤滑冷卻刀具等作用[2]，泥漿性質在很大程度上影響著盾構的掘進和工程安全，同時泥漿材料及配比的選擇又影響著工程成本。因此，能否考慮將廢棄黏土用于配制泥漿，成為工程界較為關注的問題之一。

泥漿在泥漿壓力的作用下向地層中滲透，并在開挖面上形成泥膜，泥膜的形成是泥漿壓力有效平衡開挖面土水壓力的關鍵，同時還能減少泥漿的漏失[3]，而泥漿材料組成和泥漿性質對泥膜形成及泥漿濾失有重要的影響。韓曉瑞等[4]針對南京長江隧道穿越礫砂地層，采用自制的泥漿滲透裝置開展的研究，結果表明泥漿漏斗黏度越大，形成泥膜的速度越快，泥膜越致密，泥膜形成后濾水量越?。辉筌姷萚5]通過滲透試驗研究泥漿對砂卵石地層的適應性發(fā)現(xiàn)，泥漿密度越大，泥膜質量越好，在密度達到1.08 g/cm3時，增大泥漿的黏度并不能有效減少泥漿的滲流量；MIN Fanlu等[6]在不同性質泥漿的成膜實驗中，發(fā)現(xiàn)泥漿的黏粒含量越高，形成泥膜的濾水量越小，泥膜越致密，并指出泥漿的黏粒含量可以作為砂地層泥漿配制的一個指標；Fritz P.等[7]針對瑞士采用泥水盾構在高滲透性地層(k>10-1cm/s)修建隧道，發(fā)現(xiàn)向泥漿中加入一定量較大粒徑的細砂、蛭石以及高分子聚合物等添加劑，可以滿足泥漿在高滲透性地層的成膜要求。

泥水盾構產(chǎn)生的廢棄泥漿一般通過泥水分離設備和化學方法來進行分離處理[8-10]，處理成本較高。王春河等[11]在南京緯七路長江隧道粉細砂段盾構施工中，通過向淤泥質粉質黏土地層廢棄黏土漿中加入適量高分子材料和水，實現(xiàn)了對淤泥質粉質黏土地層廢棄黏土漿的循環(huán)使用，取得了良好的施工效果和經(jīng)濟效益。目前，與泥水盾構廢棄黏土的再利用相關的研究仍較少。

本文針對南京緯三路過江通道大量廢棄黏土的再利用這一工程問題，以盾構施工產(chǎn)生的廢棄黏土作為泥漿材料，通過試驗比較不同泥漿材料及配比下泥漿的性質及成膜的效果，為工程施工中泥漿材料的選擇和配比提供了重要的參考，為廢棄黏土的處理和利用提供了新的思路。

1 工程概況與問題分析

南京緯三路過江通道位于南京長江大橋與緯七路長江隧道之間，盾構段隧道設計為雙管隧道，采用2臺φ14.93 m泥水加壓盾構施工，由江北始發(fā)井出發(fā)，同向掘進施工。南管隧道盾構段長4 134.8 m，北管隧道盾構段長3 537.8 m。隧道穿越地層上部為填土和第四系全新統(tǒng)沖淤積流塑淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉土、粉砂等，中部為第四系全新統(tǒng)中密-密實粉細砂組成，下部為上更新統(tǒng)密實狀礫砂、圓礫等；巖石地層主要為白堊系泥巖、粉砂質泥巖。盾構穿越各地層具體長度如表1所示。

表1緯三路隧道盾構段穿越地層統(tǒng)計(以南線為例)
Table 1 Different strata through which the southern tube of Nanjing Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel passes

地層長度/m淤泥質粉質黏土地層870淤泥質粉質黏土與粉細砂混合地層345粉細砂地層1670粉細砂與礫砂、卵石混合層330礫砂、卵石地層380礫砂、卵石與中風化砂巖混合地層540

本工程前期施工中明挖段產(chǎn)生了大量填土，盾構始發(fā)段掘進過程中穿越了200 m黏粉粒含量較高的淤泥質粉質黏土地層，產(chǎn)生了大量的廢棄黏土，這些廢棄土按常規(guī)方法處理成本較高，且廢棄會造成周圍環(huán)境的污染。同時，由于本工程盾構穿越的全斷面粉細砂地層達1 670 m，占盾構段長度的40%左右，該地層滲透系數(shù)為7.29×10-3cm/s，泥漿不需要進行專門的處理(如添加粗顆粒等)，基本上就能滿足成膜要求。但是，為了滿足泥漿物理穩(wěn)定性(如停機狀態(tài)時泥漿不出現(xiàn)嚴重離析等)及成膜后泥漿濾失量的要求，根據(jù)相關工程經(jīng)驗，在該地層中掘進時泥漿密度應調整為1.10～1.15 g/cm3，漏斗黏度(蘇式)為20 s以上。如果能在粉細砂地層的掘進段使用廢棄土作為造漿材料進行配漿，將極大地降低配漿成本，并具有一定的環(huán)境保護效益。

2 粉細砂地層泥漿配比試驗

2.1 實驗材料

采用普通Na基膨潤土(簡稱膨潤土)、現(xiàn)場明挖段產(chǎn)生的填土(簡稱填土)、始發(fā)段淤泥質粉質黏土地層產(chǎn)生的黏土(簡稱黏土)作為泥漿基礎材料，填土與黏土的基本性質如表2所示；使用CYHS-3型增黏劑(由不同的大、中分子量的聚丙烯酸鹽類、纖維素鹽類、抗鈣劑、乙烯基多元單體共聚物類、堵塞微孔膨脹劑、改性土、增效添加劑等組成)來調節(jié)泥漿黏度，按照不同的配比共配制9組泥漿。采用蘇式漏斗黏度儀(水的漏斗黏度為15 s)測泥漿漏斗黏度，1002型比重稱測量泥漿密度，Master 3000激光粒度分析儀測泥漿顆粒級配，1 000 mL量筒測量泥漿2 h泌水量。3種土的顆粒級配曲線如圖1所示。填土和淤泥質粉質黏土顆粒中細粒含量較高，黏粒(<5 μm土顆粒)含量分別為19%和22%，d85分別為62 μm和53 μm；膨潤土黏粒含量為12%左右，砂(>75 μm土顆粒)含量達21%，d85約為99 μm。

表2 黏土與填土基本性質Table 2 Physical properties of waste clay and fill

圖1 實驗材料顆粒級配曲線

2.2 泥漿配比選擇

泥漿基本性質見表3。從表3可以看出：直接使用3種土配制成1.15 g/cm3的漿液，漿液黏度在15.5～17 s，黏度較低，2 h泌水率為50%～70%，泥漿離析嚴重，物理穩(wěn)定性較差，不宜作為盾構泥漿直接使用，其中，黏土泥漿的泌水率最小。在3種泥漿中加入增黏劑以質量濃度為3%的增黏劑溶液添加，添加比例見表3。提高增黏劑干粉質量比后，各泥漿黏度提高明顯，2 h泌水率顯著降低。3種土相比，隨著增黏劑添加量的增加，黏土泥漿的黏度增長最快，2 h泌水率降至1.2%；填土泥漿次之，膨潤土泥漿增長幅度最緩。3組泥漿均滿足泥水盾構掘進要求，但填土泥漿和膨潤土泥漿的2 h泌水率依然較大，超過10%，在盾構掘進間隙或停機檢修時，易出現(xiàn)泥漿離析嚴重的現(xiàn)象。此時，相當于每1 000 m3泥漿中添加增黏劑干粉5.1～8.5 t，考慮到經(jīng)濟性要求，只有S8和S9泥漿指標能滿足施工要求，可作為盾構掘進時粉細砂地層用泥漿。這也表明，土料中黏粒含量越高，其配成的泥漿物理穩(wěn)定性越好，調節(jié)泥漿至相同的黏度或泌水率，使用增黏劑的量越少。

3 擬選作掘進用泥漿成膜效果的驗證試驗

3.1 試驗儀器和方法

圖2為自行研制的泥漿滲透成膜試驗儀，該裝置由泥漿滲透試驗柱、空氣壓縮機、氣壓調節(jié)裝置以及數(shù)據(jù)自動采集裝置等組成。實驗柱內徑84 mm，高120 cm，頂部用法蘭盤密封，法蘭盤下方有壓縮空氣入口，施加在泥漿上的氣壓等于實際盾構掘進時泥漿壓力與地層靜水壓力的差壓，底部設有排水口。此裝置可以測定泥膜形成過程中泥漿在地層中的濾失量、泥膜厚度等，進而評價泥漿成膜的質量。

表3 泥漿基本性質表Table 3 Physical properties of slurry

圖2 泥漿滲透成膜試驗儀

試驗裝樣順序如圖2所示，試驗地層為粉細砂地層，顆粒級配曲線如圖1所示，d15=55 μm，實測滲透系數(shù)為6.0×10-3cm/s。開始試驗時，先飽和地層，然后注入試驗泥漿，注意避免擾動地層，將裝置密封。打開氣閥，設定氣壓值，打開排水閥，泥漿開始滲入地層并形成泥膜，成膜結束后，打開排泥閥，排出多余泥漿。試驗中記錄地層濾水量隨時間變化，觀測記錄形成泥膜和滲透帶的厚度。根據(jù)韓曉瑞的泥膜質量評價方法[5]，本試驗采用分級加載的形式施加泥漿壓力，泥漿壓力共4級，分別為0.05，0.1，0.15及0.2 MPa，每級維持3 min，第1級泥漿壓力的目的在于判斷此泥漿在此地層中能否成膜，后面3級壓力的作用在于評判此泥膜的質量，利用分級加載時濾水量的增量來判斷該泥膜的滲透性。

3.2 泥膜質量評價

以泥漿各指標稍低的S8泥漿作為成膜試驗泥漿，若成膜效果良好，則S9亦能形成質量良好的泥膜。圖3為S8泥漿在粉細砂地層中的滲透成膜試驗，圖4為泥漿在泥水壓力作用下向地層中滲透時，地層濾水量隨時間的變化曲線，在0.05 MPa壓力下，泥漿濾失量快速增大，10 s左右時濾水量曲線變得平緩，形成穩(wěn)定的滲透，這表明泥漿顆粒逐漸在地層表面堆積，形成一層泥膜，使整個地層的滲透系數(shù)降低。

圖3 粉細砂地層泥漿滲透

圖4 S8泥漿分級加壓下濾水量隨時間變化

繼續(xù)加大泥漿壓力可以看出，每級壓力下3 min內總的濾水量約為1.5×10-3m3/m2，小于第1級壓力下的2.5×10-3m3/m2，這是因為泥膜形成使地層滲透系數(shù)降低的緣故。將形成的泥膜視為地層的一部分，由每級壓力下濾水量隨時間的變化和裝置的相關參數(shù)，根據(jù)達西定律v=ki估算泥膜形成后整個地層的滲透系數(shù)約為9.2×10-6cm/s，遠小于地層的初始滲透系數(shù)，數(shù)量級與黏土地層的滲透系數(shù)相同，表明所形成的泥膜非常致密。同時觀測到S8泥漿在粉細砂地層中滲透時，泥漿沒有滲入地層形成滲透帶，泥漿和地層之間有明顯的分界線，形成了厚度2 mm左右的泥皮型泥膜，如圖5所示。

圖5 粉細砂地層表面泥膜

將實驗中得到的濾水量換算到實際盾構尺寸上，可估算出每掘進一環(huán)泥漿的濾失量。設盾構掘進時刀盤轉速為n，每環(huán)掘進時間為t，試驗中泥膜形成時的濾水量為v，刀盤外徑為D，掘進時實際泥漿濾失量為V，假設刀盤轉一圈每把刀具在開挖面上走過的軌跡不發(fā)生重疊，則V=ntv(1/4πD2)。在緯三路過江通道項目中，粉細砂地層中盾構掘進時n=0.7 r/min，t=80 min，D=14.93 m，本試驗中取v=2.00×10-3m3/m2(考慮盾構刀盤轉動一圈約為1.4 min折算)，由此計算掘進時每環(huán)泥漿濾失量V≈19.5 m3。

4 現(xiàn)場泥漿成膜情況與經(jīng)濟性分析

采用S8泥漿配比在SK3+710～SK4+310區(qū)間內掘進300環(huán)，每環(huán)平均進漿密度為1.10～1.13 g/cm3，平均回漿密度為1.20～1.25 g/cm3，泥漿物理性質穩(wěn)定，每環(huán)平均濾失量為20～30 m3，與成膜試驗模擬計算的泥漿濾失量相當，說明在地層表面形成了泥皮型泥膜，同時泥膜起到了很好地傳遞泥漿壓力支護地層穩(wěn)定的作用。該配比每1 000 m3泥漿中消耗廢棄黏土88.3 t(干質量)，增黏劑5.1 t，與S3泥漿配比進行比較，每1 000 m3泥漿至少可節(jié)約膨潤土83.3 t，增黏劑3.2 t，可產(chǎn)生較高的經(jīng)濟效益。

5 結論與建議

1)在南京緯三路過江通道工程粉細砂地層中，采用淤泥質粉質黏土添加增黏劑進行配漿是可行的，每1 000 m3泥漿中增加添加劑5.1～8.5 t，可以調整泥漿黏度至19.5～38.1 s，2 h泌水率降低至1.2%～5.1%。

2)密度1.12 g/cm3、黏度約20 s的淤泥質粉質黏土與增黏劑的混合泥漿，在粉細砂地層中可滲透形成較為致密的泥皮型泥膜，地層滲透系數(shù)降至9.2×10-6cm/s，濾失量較小，平均每環(huán)泥漿濾失量的估算值為19.5 m3，與實際監(jiān)測值20～30 m3較為吻合。

3)采用該配漿方法每1 000 m3泥漿可節(jié)約膨潤土至少83.3 t，增黏劑3.2 t，可滿足盾構掘進的使用，具有較高的經(jīng)濟性和環(huán)保意義。但該泥漿在其他地層中的適用性仍需進一步驗證。

[1]肖明清.南京緯三路長江隧道總體設計的關鍵技術研究[J].現(xiàn)代隧道技術,2009,46(5): 1-5,12.(XIAO Mingqing.General design of Nanjing Weisanlu Yangtze River tunnel[J].Modern Tunnelling Technology,2009,46(5): 1-5,12.(in Chinese))

[2]張鳳祥,朱合華,傅德明.盾構隧道[M].北京: 人民交通出版社,2004.(ZHANG Fengxiang,ZHU Hehua,FU Deming.Shield-bored tunnel[M].Beijing: China Communications Press,2004.(in Chinese))

[3]閔凡路,朱偉,魏代偉,等.泥水盾構泥膜形成時開挖面地層孔壓變化規(guī)律研究[J].巖土工程學報,2013(4): 722-727.(MIN Fanlu,ZHU Wei,WEI Daiwei,et al.Change of pore water pressure in soil as filter cakes formed on excavation face in slurry shield[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2013(4): 722-727.(in Chinese))

[4]韓曉瑞,朱偉,劉泉維,等.泥漿性質對泥水盾構開挖面泥膜形成質量影響[J].巖土力學,2008,29(S): 288-292.(HAN Xiaorui,ZHU Wei,LIU Quanwei,et al.Influence of slurry property on filter cake quality on working face of slurry shield[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29 (S): 288-292.(in Chinese))

[5]袁大軍,李興高,李建華,等.砂卵石地層泥水盾構泥漿滲透試驗分析[J].都市快軌交通，2009(3): 32-35.(YUAN Dajun,LI Xinggao,LI Jianhua,et al.Mud seepage tests for slurry shields driving in sandy cobble ground[J].Urban Rapid Rail Transit,2009(3): 32-35.(in Chinese))

[6]MIN Fanlu,ZHU Wei,HAN Xiaorui,et al.The effect of clay content on filter-cake formation in highly permeable gravel[J].Geoenvrionmental Engineering and Geotechnics,2010(3): 210-215.

[7]Fritz P.Additives for slurry shields in highly permeable ground[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2007,40(1): 81-95.

[8]陳啟偉.臺山核電取水隧洞工程泥水處理技術的應用[J].隧道建設,2011，31(1): 130-137.(CHEN Qiwei.Application of slurry treatment technology in construction of intake tunnel of Taishan Nuclear Power Station[J].Tunnel Construction,2011,31(1): 130-137.(in Chinese))

[9]薄利.泥水處理技術在泥水盾構隧道施工中的應用[J].隧道建設，2007，27(6): 66-70.(BO Li.Application of slurry treatment technology in construction of tunnels bored by slurry shield machines[J].Tunnel Construction,2007,27(6): 66-70.(in Chinese))

[10]劉豫東,王洪新.泥水加壓盾構泥水分離與處理方法及模式[J].現(xiàn)代隧道技術，2007(2): 56-60.(LIU Yudong,WANG Hongxin.Slurry treatment and separation for a slurry shield [J].Modern Tunnelling Technology,2007(2): 56-60.(in Chinese))

[11]王春河,許滿吉.泥水盾構泥漿復合調制的應用分析[J].鐵道標準設計,2011(10): 96-98，102.(WANG Chunhe,XU Manji.Analysis on application of complexly mixed slurry for slurry shields[J].Railway Standard Design,2011(10): 96-98,102.(in Chinese))

長春地鐵2號線車站主體結構“搭積木”拼裝

日前，長春地鐵2號線袁家店站施工工藝取得了重大突破。工人們將在工廠預制好的主體結構像搭積木一樣一塊塊“搭”上基礎，然后連接、加固，最終完成2階段共24環(huán)(每環(huán)長度2 m)的裝配式結構預制和拼裝工作，這是國內首次將裝配式結構預制和拼裝用于地鐵工程建設。目前，我國北方地區(qū)地鐵標準站建設周期為14～16個月，采用裝配式結構施工工藝可以縮短工期4～6個月，從而解決了地鐵車站結構在1年內無法完工的難題。由于采用工廠化預制，所以不消耗木材，現(xiàn)場也基本沒有建筑垃圾，同時，這種新工藝具有綠色、環(huán)保、節(jié)能的特點，在減少施工用地，特別是在現(xiàn)場施工勞動力的使用上可以節(jié)省50%以上，安全風險較低。

在拼裝現(xiàn)場，2臺龍門吊配合拼裝臺車共同作業(yè)，拼裝分3組進行，每組10人，第1組拼裝底板AB塊，第2組負責拼裝側墻，第3組負責拼裝頂板。整個拼裝過程人員分工明確，拼裝精度高，形成階梯式流水作業(yè)。

袁家店站是國內第一座預制裝配式地鐵車站，裝配式地鐵結構關鍵技術試驗成功，不僅實現(xiàn)了本領域的新突破，也標志著我國地下工程預制裝配式技術邁入了新的里程碑。

(摘自 吉和網(wǎng) http://news.365jilin.com/html/20141130/2094750.shtml)

StudyonCyclicUseofWasteClayinPreparingSlurryforSlurryShieldBoring

JIANG Teng1,YAO Zhanhu2,MIN Fanlu3

(1.GeotechnicalResearchInstituteofHohaiUniversity,Nanjing210098,Jiangsu,China; 2.CCCCTunnel
EngineeringCompanyLimited,Beijing100088,China; 3.CollegeofMechanicsandMaterials,HohaiUniversity,
Nanjing210098,Jiangsu,China)

The construction of the vertical shafts and the shield launching sections of Nanjing Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel produced a huge amount of waste clay.On the other hand,40% of the shield-bored section of the mentioned tunnel is located in fine silty sand strata,which requires that the slurries to be used need not have high performance.As a result,the waste clay produced is reused to prepare slurries for slurry shield boring.The waste clay is mixed with fill,muddy-silty clay and bentonite to prepare slurry.The filter loss and filter membrane quality of the slurry prepared are tested by means of self-made slurry infiltration testing device.The mixing proportion of the slurry is verified by the site monitoring data.The study shows that the mentioned slurry with waste clay mixed has such advantages as good stability,compact filter membrane and low slurry loss,and it can meet the requirements of shield boring in fine silty sand strata.

Nanjing Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel; waste clay; fine silty sand strata; slurry; filter membrane

2014-06-09；

2014-07-09

國家自然科學基金項目(51408191/51108156); 中國博士后科學基金資助項目(2014M560388)；江蘇省博士后科研資助計劃項目(1301031B)

姜騰(1990—)，男，湖北麻城人，河海大學巖土工程在讀碩士，主要研究方向為盾構隧道設計與施工。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.006

U 55.3+9

A

1672-741X(2014)12-1148-05