呂乾乾， 孫振川， 楊振興， 陳瑞祥， 張 兵

(1. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

隨著施工技術(shù)和機(jī)械制造水平的發(fā)展，大直徑泥水平衡盾構(gòu)越來越多地應(yīng)用于跨江越海隧道和城市地下道路建設(shè)中，如日本東京灣隧道、德國漢堡易北河隧道、荷蘭格累恩哈特隧道、上海長江隧道、廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道等。泥水盾構(gòu)在掘進(jìn)中通過泥漿向地層滲透形成泥膜，建立有效的泥漿壓力來平衡開挖面水土壓力[1]。對(duì)于海底隧道施工，采用海水造漿便于就地取材，利于節(jié)約成本，但是由于海水中含有大量鹽分和金屬離子，對(duì)泥漿性能影響很大。與淡水泥漿相比，海水泥漿相對(duì)體積質(zhì)量大、膠體率低、穩(wěn)定性差[2]。此外，采用淡水泥漿時(shí)，在盾構(gòu)掘進(jìn)中海水會(huì)滲入到掌子面，使得泥漿產(chǎn)生凝聚和沉淀，降低泥漿的使用性能。海底隧道采用盾構(gòu)施工時(shí)，海水泥漿的配制以及海水對(duì)淡水泥漿的滲入問題已經(jīng)成為工程領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)泥漿配制問題已經(jīng)開展了很多研究[3-5]。葉偉濤等[6]分析了制漿材料對(duì)泥漿性質(zhì)的影響，以及不同泥漿參數(shù)、壓力、含砂率對(duì)成膜效果的影響規(guī)律； 閔凡路等[7]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泥漿中的黏粒越多，穩(wěn)定性越好，濾失量越少，可作為泥漿調(diào)整的一個(gè)指標(biāo)。這些研究主要在內(nèi)陸淡水環(huán)境下開展，對(duì)海水環(huán)境下盾構(gòu)泥漿的配制有重要的參考價(jià)值。目前關(guān)于海水泥漿配制的研究較多圍繞跨海橋梁樁基工程[8-9]，高超[10]采用不同材料配比和添加劑，針對(duì)不同地層配制了海水泥漿，并進(jìn)行泥漿環(huán)保性能分析。對(duì)于盾構(gòu)泥漿的研究主要側(cè)重于海水滲入對(duì)淡水泥漿成膜的影響方面，崔溦等[11]采用抗鹽膨潤土配制泥漿抑制海水的侵蝕，并通過滲透試驗(yàn)驗(yàn)證了泥漿在海水地層中的滲透成膜效果； 杜佳芮等[12]對(duì)海水滲入盾構(gòu)泥漿后的泥膜性質(zhì)變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)海水侵入會(huì)導(dǎo)致泥漿Zeta電位降低，影響泥漿穩(wěn)定性能，并會(huì)導(dǎo)致泥膜形態(tài)發(fā)生變化。

綜上，現(xiàn)有研究中盾構(gòu)泥漿均采用淡水配制，海水制漿則是以橋梁樁基工程為背景，缺少針對(duì)盾構(gòu)用海水泥漿的研究。鑒于此，本文結(jié)合蘇埃通道盾構(gòu)工程，開展海水環(huán)境下的泥漿配比研究，進(jìn)行淡水泥漿與海水泥漿的性能對(duì)比，研究采用普通膨潤土進(jìn)行海水制漿的可行性，以期為蘇埃通道的泥漿配比提供依據(jù)，并為類似工程提供參考。

1 工程概況和泥漿材料

1.1 工程概況

蘇埃通道工程盾構(gòu)段掘進(jìn)采用泥水盾構(gòu)施工，刀盤最大開挖直徑為15.03 m。盾構(gòu)隧道始發(fā)和到達(dá)段為淤泥層，海域段長距離穿越淤泥質(zhì)軟土、砂層，區(qū)間存在花崗巖球狀風(fēng)化分布區(qū)、基巖凸起段。蘇埃通道地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 蘇埃通道地質(zhì)剖面圖

經(jīng)檢測(cè)，蘇埃通道附近海水主要離子成分如表1所示。

表1 海水中主要離子成分

注： 海水pH值為7.11。

工程施工要求的泥漿性能指標(biāo)如下： 相對(duì)體積質(zhì)量 1.10～1.35； 蘇式漏斗黏度22～26 s； pH值 8～10； 膠體率≥95%； 失水量≤20 mL·30 min-1；泥皮厚≤3 mm·30 min-1；含砂率≤4%。其中，黏度、相對(duì)體積質(zhì)量和膠體率是盾構(gòu)泥漿的主要性能指標(biāo)[13]。對(duì)本工程而言，始發(fā)加固區(qū)和基巖凸起段的泥漿需提高黏度以增強(qiáng)攜渣能力，海域段砂層需增大泥漿相對(duì)體積質(zhì)量以提高地層孔隙填充速率，淤泥質(zhì)軟土地層段則需降低泥漿相對(duì)體積質(zhì)量。

1.2 泥漿材料

試驗(yàn)采用膨潤土和水按一定比例配制成基漿，通過在基漿中加入分散劑、增黏劑等制漿添加劑來調(diào)整泥漿性能參數(shù)。

膨潤土的主要礦物成分是層狀晶體結(jié)構(gòu)蒙脫石，一般帶負(fù)電荷，吸濕性和膨脹性好，有較強(qiáng)的陽離子交換能力，在水中分散成懸浮狀或膠凝狀。本文試驗(yàn)采用工程現(xiàn)場的鈉基膨潤土。

分散劑可在膨潤土粒子表面形成雙分子層結(jié)構(gòu)，極性端與水有較強(qiáng)親合力，增加膨潤土粒子被水潤濕的程度，懸浮顆粒之間因靜電斥力而遠(yuǎn)離，從而保持穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。本文試驗(yàn)用到的分散劑有純堿、鐵鉻鹽、聚丙烯酸銨、鉻木質(zhì)素磺酸鹽、聚丙烯酸鉀。

增黏劑多為親水性高分子化合物，疏水主鏈與周圍水分子通過氫鍵締合，可提高聚合物本身的流體體積，減少顆粒自由活動(dòng)的空間，從而提高體系黏度。本文試驗(yàn)用到的增黏劑有羧甲基纖維素鈉(CMC)、生物黃原膠、聚陰離子纖維素、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、聚丙烯酸鈉、乙烯基單體多元共聚物。

1.3 泥漿配置方法

試驗(yàn)采用SM-350G攪拌器對(duì)泥漿進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁瑪嚢钑r(shí)間為10 min，攪拌速度檔位為3； 采用100 mL量筒進(jìn)行泥漿24 h膠體率測(cè)量； 采用1006型泥漿黏度計(jì)測(cè)量泥漿蘇式漏斗黏度。

試驗(yàn)用海水取自項(xiàng)目現(xiàn)場。制漿時(shí)將膨潤土和添加劑在干燥狀態(tài)下拌和均勻后再加水?dāng)嚢瑁Ｋ疂B入試驗(yàn)中淡水泥漿攪拌均勻后再加入海水。

2 淡水泥漿及海水泥漿對(duì)比

2.1 淡水泥漿

2.1.1 膨潤土比例對(duì)基漿性能影響

試配發(fā)現(xiàn)膨潤土比例超過30%后基漿呈膠凝狀，因此基漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)取為6%～30%。 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的基漿配比如表2所示。

表2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的基漿配比

得到不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)基漿的相對(duì)體積質(zhì)量、黏度、pH值、膠體率，如圖2所示。由圖2可以看出： 隨著膨潤土含量的增加，基漿pH值穩(wěn)定在9，相對(duì)體積質(zhì)量近似線性增加，黏度先平緩后迅速增加，基漿膠體率先直線增加后趨于穩(wěn)定。當(dāng)膨潤土含量達(dá)到18%時(shí)，基漿相對(duì)體積質(zhì)量達(dá)到施工要求； 膨潤土含量增加到24%后，基漿黏度陡增；膨潤土含量增加到12%后，基漿膠體率達(dá)到指標(biāo)要求。

圖2 基漿指標(biāo)隨膨潤土含量變化曲線

Fig. 2 Variation curves of base slurry indices under different bentonite contents

可見，在不使用添加劑情況下，為了保證基漿的相對(duì)體積質(zhì)量、黏度和膠體率在適用范圍內(nèi)，膨潤土含量宜取為18%～24%。

2.1.2 膨化時(shí)間對(duì)基漿黏度影響

膨化時(shí)間對(duì)基漿性能的影響主要體現(xiàn)在黏度上[11]，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%和24%的基漿，得到膨化時(shí)間對(duì)基漿的黏度影響曲線，如圖3所示。

圖3 基漿黏度隨膨化時(shí)間變化曲線

由圖3可看出： 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%的基漿黏度在7 h內(nèi)增加6 s； 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%的基漿黏度則由24.13 s迅速增加至118.53 s，并在6 h后基本保持穩(wěn)定?？梢娕蚧瘯r(shí)間對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的基漿黏度影響更顯著。

2.1.3 純堿對(duì)基漿性能影響

純堿對(duì)泥漿有分散性。為便于對(duì)比，基漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別取為30%和21%，純堿添加量取為0%～1.8%。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著純堿含量的增加，基漿的相對(duì)體積質(zhì)量變化幅度均在2%之內(nèi)； pH值由9增加到12； 黏度和膠體率變化如圖4和圖5所示。

圖4 純堿含量對(duì)基漿黏度影響

Fig. 4 Effect of sodium carbonate content on viscosity of base slurry

由圖4和圖5可以看出： 隨著純堿含量的增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的基漿黏度由113.53 s降低至19.23 s，膠體率不變； 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%的泥漿黏度沒有明顯變化，膠體率先不變后線性降低。對(duì)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的基漿，添加純堿可在不影響膠體率的同時(shí)有效降低黏度。

圖5 純堿含量對(duì)基漿膠體率影響

Fig. 5 Effect of sodium carbonate content on colloid fraction of base slurry

可以看出，純堿對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%的基漿的黏度影響有限，過量反而會(huì)降低膠體率。由于基漿中的膨潤土膠體與純堿電解質(zhì)相互作用，與膠體表面電荷極性相反的陽離子被吸附，陰離子被排斥，隨著純堿量的增加，陽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，擴(kuò)散層中的自由陽離子由于靜電斥力被迫進(jìn)入束縛反離子層，雙電層被壓縮，Zeta電位下降，電荷排斥力減小[12]，膠體率降低。

2.1.4 CMC對(duì)泥漿性能影響

羧甲基纖維素鈉(CMC)是一種常見的泥漿增黏劑。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%～24%的基漿中加入0.05%的CMC，攪拌均勻后即觀察溶液狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)泥漿均產(chǎn)生絮狀凝聚，離析明顯，這可能是由于現(xiàn)場膨潤土中含有多價(jià)金屬鹽，與CMC反應(yīng)后出現(xiàn)了沉淀。

2.2 淡水基漿與海水基漿對(duì)比

由于水質(zhì)不同，淡水泥漿和海水泥漿的性能有較大差異。配制淡水基漿和海水基漿進(jìn)行性能對(duì)比，膨潤土含量取為6%～30%，泥漿材料配比如表3所示。

表3淡水基漿和海水基漿配比表

Table 3 Mixing proportions of fresh water base slurry and seawater base slurry

基漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%淡水基漿/g膨潤土淡水海水基漿/g膨潤土海水6940609406012880120880120188201808201802476024076024030700300700300

試驗(yàn)得到不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)海水泥漿的pH值均為7，淡水泥漿的pH值均為9。其他指標(biāo)變化規(guī)律如圖6—8所示。

由圖6—8可以看出： 隨著膨潤土含量的增加，海水基漿和淡水基漿相對(duì)體積質(zhì)量近似線性增大，且海水基漿的相對(duì)體積質(zhì)量略大于淡水基漿； 淡水基漿黏度由15.95 s增加至113.53 s，海水基漿的黏度穩(wěn)定在(17±1)s； 淡水基漿的膠體率由45%迅速增加后基本穩(wěn)定在100%，海水基漿的膠體率由15%近似線性增加至69%。

圖6 膨潤土含量對(duì)基漿相對(duì)體積質(zhì)量影響

Fig. 6 Effect of bentonite content on relative volume mass of base slurry

圖7 膨潤土含量對(duì)基漿黏度影響

圖8 膨潤土含量對(duì)基漿膠體率影響

可見海水基漿的膠體率遠(yuǎn)小于同比例淡水基漿。這是由于海水中含有大量陽離子，擠壓雙電層現(xiàn)象嚴(yán)重，使得Zeta電位降低，膨潤土顆粒水化膜變薄，當(dāng)顆粒間吸引力超過排斥力，分散體系被破壞而發(fā)生凝聚下沉，泥漿膠體率降低[14]。因此，在無有效添加劑的情況下，不宜采用海水造漿。

2.3 淡水泥漿的海水滲入試驗(yàn)

海水滲入會(huì)降低淡水泥漿的使用性能，考慮到海水稀釋，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～30%的淡水基漿。海水滲入試驗(yàn)?zāi)酀{配比如表4所示。

表4 海水滲入試驗(yàn)?zāi)酀{配比表

試驗(yàn)得到不同比例海水滲入后泥漿pH值均為8；隨著海水滲入比例增加，泥漿的相對(duì)體積質(zhì)量略有降低，黏度和膠體率變化規(guī)律如圖9和圖10所示。

圖9 不同比例海水滲入時(shí)泥漿黏度

由圖9和圖10可以看出： 泥漿黏度和膠體率均隨海水滲入比例的增加而減小，泥漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，滲入量對(duì)黏度的影響越顯著，對(duì)膠體率的影響越小。

試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)同為21%的泥漿，淡水基漿的黏度和膠體率分別為23.61 s和100%； 海水滲入泥漿(30%淡水基漿+40%海水)的黏度和膠體率分別為20.99 s和97%。滲入海水的泥漿黏度和膠體率均小于同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的淡水基漿。

圖10 不同比例海水滲入時(shí)泥漿膠體率

Fig. 10 Slurry colloid fraction under different seawater infiltration ratios

由于膨潤土的層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)可吸附8～15倍于自身體積的水量[13]，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)大的基漿中與水結(jié)合成膠狀體，并釋放出帶電微粒，懸浮分散性好，膠體率和黏度大。海水滲入后，泥漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，液層間切應(yīng)力減小，黏度降低； 海水中的陽離子將帶負(fù)電的膨潤土顆粒聯(lián)結(jié)在一起，制約了土顆粒的分散，膠體率減小。

3 海水泥漿配比試驗(yàn)

3.1 HPMC對(duì)海水泥漿性能影響規(guī)律

為改善海水泥漿膠體率，在海水泥漿中分別加入1.2節(jié)所述的分散劑和增黏劑。膨潤土比例取為18%，添加劑比例均取為0.2%。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加入羥丙基甲基纖維素(HPMC)之后，海水泥漿的膠體率由38%提高至59%。其他添加劑對(duì)海水泥漿膠體率均無明顯改善。

可見，由于海水中陽離子豐富，通過分散劑的電荷排斥原理提高海水泥漿穩(wěn)定性作用不大。海水作為復(fù)雜多組分的多相體系[10]，其中的多價(jià)金屬鹽、非金屬陰離子等容易與高分子化合物發(fā)生反應(yīng)，降低增稠劑的使用性能。

HPMC是非離子型纖維素醚，具有增稠能力、排鹽性、pH穩(wěn)定性以及優(yōu)良的成膜性，受海水成分影響較小。為得到HPMC對(duì)海水泥漿黏度和膠體率的影響規(guī)律，取膨潤土比例為18%，由于試配發(fā)現(xiàn)HPMC比例超過0.6%后泥漿呈膠凝狀，取HPMC比例為0%～0.6%。試驗(yàn)得到 HPMC含量對(duì)海水泥漿性能的影響規(guī)律，如圖11所示。

由圖11可以看出： 隨著HPMC含量的增加，海水泥漿膠體率由38%近似線性增加至99%，黏度由16.33 s增加至69.41 s。可見HPMC在提高海水泥漿膠體率的同時(shí)對(duì)黏度有不利影響。

靜置觀察得到24 h內(nèi)海水泥漿膠體率隨時(shí)間變化的曲線，如圖12所示。

圖11 HPMC含量對(duì)海水泥漿性能影響

圖12 海水泥漿膠體率隨時(shí)間變化曲線

Fig. 12 Variation curves of seawater slurry colloid fraction with time

由圖12可見： 隨著HPMC比例的增加，海水離析速率降低； 在未使用HPMC時(shí)，海水泥漿離析主要發(fā)生在前1 h內(nèi)，加入HPMC后前期離析速率明顯降低。

為降低加入HPMC后海水泥漿的黏度，在上述泥漿中添加0.2%純堿，得到純堿對(duì)泥漿黏度和膠體率的影響曲線，如圖13所示。

圖13 加入純堿后HPMC含量對(duì)海水泥漿性能影響

Fig. 13 Effect of HPMC content on seawater slurry property after adding sodium carbonate

對(duì)比圖11和圖13可以發(fā)現(xiàn)： 加入純堿后，HPMC對(duì)泥漿膠體率和黏度的影響趨勢(shì)不變，膠體率和黏度值均降低。靜置得到加入純堿后海水泥漿膠體率隨時(shí)間變化的曲線，如圖14所示。

圖14 加入純堿后海水泥漿膠體率隨時(shí)間變化曲線

Fig. 14 Variation curves of seawater slurry colloid fraction with time after adding sodium carbonate

對(duì)比圖13和圖14可知： 加入純堿后，HPMC對(duì)海水泥漿離析速率的減緩作用有所降低，但并不明顯。因此加入適量純堿可改善含HPMC海水泥漿黏度過大的問題。

3.2 黏土對(duì)海水泥漿指標(biāo)影響規(guī)律

黏土可作為泥漿的固相材料，對(duì)泥漿相對(duì)體積質(zhì)量有調(diào)節(jié)作用。海水泥漿固相比例為30%時(shí)，膠體率較高，因此配制固相比例為30%的海水泥漿，具體的材料配比如表6所示。

表6海水固相配比試驗(yàn)?zāi)酀{配比表

Table 6 Slurry mixing proportions of seawater solid phase proportioning test

固相比黏土/g膨潤土/g海水/g6∶030007005∶1250507002∶12001007001∶11501507001∶21002007001∶5502507000∶60300700

得到黏土和膨潤土比對(duì)海水泥漿性能的影響結(jié)果，如圖15和圖16所示。

由圖15可看出： 隨著膨潤土的增加、黏土的減少，海水泥漿膠體率增大，加入HPMC后泥漿膠體率增速加快，膠體率顯著提高，再加入純堿后，膠體率有所降低。

圖15 不同黏土和膨潤土比例對(duì)海水泥漿膠體率影響

Fig. 15 Effect of different clay and bentonite ratios on seawater slurry colloid fraction

圖16 不同黏土和膨潤土比例對(duì)海水泥漿黏度影響

Fig. 16 Effect of different clay and bentonite ratio on seawater slurry viscosity

由圖16可看出： 未使用添加劑時(shí)，黏土和膨潤土比例的變化對(duì)海水泥漿黏度影響較?。?添加HPMC后，隨著膨潤土的增加及黏土的減少，泥漿黏度先緩慢后快速增大； 再將純堿加入后，泥漿黏度降低。

可見海水泥漿中加入黏土可改善膨潤土與HPMC反應(yīng)黏度過大的問題。此外，試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，相比于淡水，膨潤土在海水中的親水性和膠結(jié)性降低，泥漿濾失量增大，加入黏土后更為顯著。

4 海水環(huán)境泥膜形成試驗(yàn)

為模擬泥水盾構(gòu)在海域段砂層開挖面形成泥膜的過程，以蘇埃通道海域段砂層作為試驗(yàn)地層，在自制的泥膜形成試驗(yàn)裝置中，采用海水進(jìn)行地層滲透，采用膨潤土含量為18%的淡水泥漿開展泥膜試驗(yàn)。

試驗(yàn)中采取分級(jí)加載[15]的方式，每次加壓0.02 MPa，待滲透穩(wěn)定后進(jìn)行下一級(jí)加載，最終加載至0.06 MPa。各級(jí)壓力下的滲透流量曲線以及最終泥膜形態(tài)如圖17和圖18所示。

圖17 泥漿滲透流量隨時(shí)間變化曲線

(a) 泥膜形成裝置

(b) 最終泥膜形態(tài)

如圖17所示，泥漿在各級(jí)壓力作用下迅速達(dá)到了滲透穩(wěn)定狀態(tài)，且濾水量較小，在開挖面形成了質(zhì)量較好的微透水泥膜。由圖18可以看出，泥漿在壓力作用下形成了厚度約為5 mm的泥皮型泥膜?？梢娕驖櫷梁繛?8%的淡水泥漿與海域段砂性地層的匹配性較好。

5 結(jié)論與討論

1)無添加劑時(shí)膨潤土基漿比例宜取為18%～24%，對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的基漿可通過添加純堿來降低黏度。

2)淡水泥漿膨潤土含量越高，海水滲入量對(duì)膠體率的影響越小，對(duì)黏度的降低越顯著。

3)HPMC可提高海水泥漿的膠體率，降低海水泥漿的離析速率，但會(huì)提高泥漿的黏度； 海水泥漿中加入黏土可改善膨潤土與HPMC反應(yīng)黏度過大的問題，但會(huì)提高濾失量。

4)18%比例的膨潤土淡水泥漿在蘇埃通道工程砂性海水地層環(huán)境下快速形成了微透水的泥皮型泥膜，成膜效果較好。

5)本文著重對(duì)海水環(huán)境下的泥漿配比開展規(guī)律性試驗(yàn)，后續(xù)可開展不同配比泥漿在不同海水地層中的成膜效果研究，進(jìn)行泥漿和地層的進(jìn)一步匹配。