趙洪洲 張明儉

（1.黑龍江省鐵路集團有限責任公司，哈爾濱 150001；2.中國鐵路沈陽局集團有限公司，沈陽 110000）

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展及施工技術的創(chuàng)新，跨江越河隧道日漸增多。盾構法隧道施工對周邊環(huán)境影響小、地質條件適應能力強、施工相對安全迅速，成為水下隧道施工的首選［1］。泥水平衡盾構能夠廣泛適應多種地層，適用于修建長距離、大斷面、髙水壓條件下的隧道，但同時也面臨泥漿配比參數(shù)選擇的問題。

高滲透性地層中泥漿成膜質量和泥漿性質受泥漿成分、泥漿配比以及土層物理力學參數(shù)影響。Heinz［2］通過將粉土、砂土等摻入膨潤土泥漿中縮短了泥漿顆粒在高滲透性地層中的滲透距離；Fritz［3］通過將蛭石、高聚物摻入泥漿中改善了高滲透性地層中泥漿成膜效果。吳迪等［4］通過室內試驗研究了泥漿相對密度與濾水量的關系，并對制漿材料在不同土層中的填充效果進行了分析；Min 等［5］選取d85作為泥漿顆粒特征粒徑，在室內泥漿滲透試驗的基礎上計算了d85和地層平均孔徑的比例關系，并以此確定了泥膜的形成類型。Watanabe等［6］通過室內試驗模擬高滲透性地層中泥漿滲透成膜現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)泥漿密度與泥漿濾失量成負相關。孫欣欣［7］采用理論分析和室內試驗，針對砂性地層的特點，選出最佳的泥漿配比、砂土改良配比，并現(xiàn)場驗證了其實用性。劉成等［8］通過地層不同孔隙率條件下泥漿滲透成膜試驗，分析了地層孔隙率對刀盤前方泥漿成膜質量的影響規(guī)律。

對于地質情況復雜的高滲透性地層中施工的水下大直徑盾構隧道而言，及時形成安全、有效的泥膜支護，是穩(wěn)定隧道開挖面、降低施工風險、節(jié)約施工成本的難點。韋良文等［9］在上海復興東路越江隧道建設中，通過室內泥漿試驗，從微觀角度分析了泥漿的特性。張寧等［10］以南京某越江隧道在淤泥質粉質黏土地層中掘進產(chǎn)生的廢棄泥漿為基礎材料，通過加入膨潤土漿或CYHS-3型增黏劑，得到了4種滿足砂性地層施工要求的泥漿配比。李昀等［11］依托上海崇明越江通道長江隧道工程，進行了模型試驗模擬泥水平衡盾構動態(tài)開挖過程，并通過試驗數(shù)據(jù)分析確定了動態(tài)開挖過程中泥艙壓力的浮動范圍。

本文依托一大直徑供暖盾構隧道下穿黃河工程，采取室內泥漿配比試驗和工程現(xiàn)場驗證的方法確定適用于富水飽和粉細砂地層中盾構施工的泥漿配比。

1 室內泥漿配比試驗

1.1 試驗材料

室內泥漿配比試驗以膨潤土為基礎材料，摻入一定比例羧甲基纖維素鈉（Sodium carboxymethyl cellulose，簡稱CMC）及純堿，見圖1。

2）CMC。CMC 為白色顆粒，易溶于水且溶于水后成透明凝膠狀。由于CMC起到黏合、增稠、乳化、保水等作用，在制備膨潤土泥漿時摻入CMC可增加泥漿黏度并形成滲透性較低的濾餅。

3）純堿。純堿為白色顆粒，易溶于水和甘油。在制備膨潤土泥漿時摻入純堿主要起鈉化作用。

圖1 試驗材料

表1 膨潤土主要化學成分及相關參數(shù)

1.2 試驗方案

采用相同的配比材料，通過多種不同的配制方法可得到相同的泥漿技術參數(shù)。配制1 升泥漿，膨潤土分別取 105，125，145，165，185 g；CMC 分別取 3.3，2.7，3.9 g；純堿分別取 3.3，3.0 g。通過交叉設計法制備了30個泥漿試樣，試樣配比見表2。

表2 泥漿試樣配比

1.3 試驗設備及方法

按配比稱取各組分，干混均勻后攪拌30 min，在要求的試驗條件下測量泥漿試樣的各項指標數(shù)據(jù)。

1.3.1 泥漿相對密度測試

泥漿相對密度測試采用NB-1型泥漿相對密度計，見圖2。

圖2 NB-1型泥漿相對密度計

NB-1型泥漿相對密度計為非等臂杠桿式儀器，杠桿主尺分度值為0.01 g/cm3。杠桿一端連接測試杯，測試杯容量為140 cm3；另一端放置用來校正杠桿平衡的重物平衡筒。

1.2.4 檢測IgG、IgM、IgA 抽取外周血2～3 mL于含纖維蛋白酶促凝劑的管中(橘黃色管蓋)，應用西門子BNⅡ全自動特定蛋白分析儀檢測IgG、IgM、IgA的表達水平。

測試步驟：①取下杯蓋，將要測試的泥漿試樣裝滿測試杯，輕敲杯外側的同時擺動泥漿25次來防止空氣浸入，直至杯中的氣泡溢出杯外；②蓋好杯蓋，擠出多余的泥漿和空氣，將測試杯擦拭干凈；③將主刀刃對準刀口，放于支承座上；④將砝碼移到主刀刃附近，緩緩向右移動砝碼，使水平泡居中以保持杠桿主尺水平；⑤讀數(shù)，砝碼左側邊線對應的刻度線即為泥漿相對密度數(shù)值。

1.3.2 泥漿黏度測試

泥漿黏度測試采用NDJ-5型黏度計，見圖3。

圖3 NDJ-5型黏度計

NDJ-5 型黏度計測定的黏度為條件黏度，即在一定溫度下將一定量的試樣從規(guī)定的孔徑流出所需要的時間。根據(jù)試樣流出時間t采用經(jīng)驗公式換算成條件黏度γ。經(jīng)驗公式為

測試步驟：①將黏度計擦拭干凈，將其置于空氣中干燥或用冷風吹干，保持杯內壁和流出孔的清潔；②支架平臺在試驗過程中保持水平；③攪拌試液使其均勻，用不小于567 孔/cm2的篩網(wǎng)進行過濾，并將溫度控制在（25±1）℃；④將試液注入黏度計，用塑料板堵住流出孔，將試液慢慢倒入杯內，直至液面凸出杯的上邊緣，如存在氣泡，則用清潔的平玻璃板除去凸出的液面及氣泡，使試液的水平面與流量杯上邊緣位于同一水平面；⑤去掉塑料板，使試液垂直流出，用金屬杯承接試液，同時啟動秒表，試液呈線條流出時停止秒表計時；⑥平行試驗，誤差不應超過平均值的3%。

1.3.3 泥漿失水量測試

泥漿失水量采用馬克西莫維奇濾紙測定，見圖4。利用泥漿中的水分（主要是游離水）在濾紙上的滲透距離來測定泥漿失水量。泥漿中向濾紙滲透的水量越多則濾紙上的水濕半徑越大，泥漿的失水量也越大；反之，泥漿失水量越小。

圖4 濾紙測定法

測試步驟：①用圓規(guī)在濾紙中心畫直徑為2.5～3.0 cm 的圓，將濾紙放置于水平的玻璃板上；②量取2 mL 泥漿，滴在圓心的同時開始計時；30 min 后用鉛筆畫出水濕圈的邊緣，量取2 處以上水濕圈至泥漿邊緣的距離并取平均值，記為D1，D2，…，Dn（n為量測次數(shù)）。

泥漿30 min失水量B經(jīng)驗計算公式為

2 試驗結果與分析

泥漿配比試驗結果見表3。試樣相對密度變化曲線見圖5?？芍孩貱MC 和純堿摻量一定（如試樣1～5），試樣相對密度隨膨潤土摻量增加近似呈線性增長，泥漿相對密度在1.074～1.248，各組試樣相對密度變化趨勢大體一致；②膨潤土與純堿摻量一定（如試樣1 和試樣6），提高CMC 摻量對于提高試樣的相對密度作用不大，原因可能是CMC 的摻量較?。?.7，3.3，3.9 g），且其主要作用是黏合、增稠；③膨潤土與CMC摻量一定，純堿摻量3.3 g（試樣1）、3.0 g（試樣16）時泥漿相對密度分別為1.081和1.082，摻入少量純堿對于提高泥漿相對密度作用不大，這與摻入純堿的主要作用是調整泥漿試樣的pH值有關。

試樣條件黏度變化曲線見圖6?？芍孩貱MC 和純堿摻量一定，試樣條件黏度隨膨潤土摻量增加而增大，總體來看膨潤土摻量越大黏度增長越明顯。②膨潤土與純堿摻量一定，摻入CMC對于提高黏度作用明顯。試樣1、試樣6、試樣11 的CMC 摻量分別為3.3，2.7，3.9 g，對應的條件黏度分別為 22.32，19.22，24.52 s。③膨潤土與CMC摻量一定，增加純堿摻量反而會降低黏度。試樣1、試樣16 純堿摻量分別為3.3，3.0 g，對應的條件黏度分別為22.32，22.52 s。

表3 泥漿配比試驗結果

圖5 試樣相對密度變化曲線

圖6 試樣條件黏度變化曲線

試樣30 min 失水量變化曲線見圖7?？芍孩倥驖櫷僚cCMC 摻量一定，試樣1、試樣16 純堿摻量分別為 3.3，3.0 g，對應的 30 min 失水量分別為 12.03，14.03 mL，失水量變化明顯。②CMC 與純堿摻量一定，隨著膨潤土摻量的增加，試樣1～5 和試樣16～20 的30 min 失水量先增大后減??；試樣 6～10 和試樣21～25的30 min 失水量總體上增大，但中間3 個試樣的30 min 失水量相差不大；試樣 11～15 和試樣 26～30 的30 min失水量先減小后增大之后再次減小。

圖7 試樣30 min失水量變化曲線

綜合以上分析可知：①摻入一定量的純堿可使泥漿分散成更小的顆粒，提高泥漿的水化和造漿性能，表現(xiàn)為泥漿30 min 失水量減小，但應注意摻量不宜過大；②泥漿的相對密度和條件黏度主要受膨潤土和CMC 的摻量控制，受膨潤土摻量影響最大；③膨潤土摻量越多，泥漿的相對密度和條件黏度越大；④CMC可使膨潤土水化更充分，對于泥漿條件黏度的提高有一定作用。

3 工程應用

3.1 工程地質情況

某市智能化集中供熱管道下穿黃河隧道工程采用泥水平衡盾構施工，隧道全長1 838 m，開挖直徑9.05 m。下穿區(qū)段位于黃河河床及兩側一、二級階地，主要由第四紀全新統(tǒng)沖湖積、沖洪積粉細砂、粉土組成。

盾構隧道地層縱斷面見圖8。各土層相關參數(shù)見表4。

圖8 盾構隧道地層縱斷面

表4 土層相關參數(shù)

3.2 工程難點

隧址區(qū)工程、水文地質條件復雜，尤其在下穿黃河區(qū)段，地層以富水飽和粉細砂為主。該地層透水性強、自穩(wěn)能力差，易造成盾構掘進面壓力難以保持、刀盤前方地層透水或劈裂。泥漿參數(shù)的選擇是工程成功的關鍵。

3.3 應用效果

選取盾構始發(fā)井洞門后100 m 為試驗段。根據(jù)該段泥漿配比與盾構掘進時的出渣量確定盾構隧道后續(xù)施工時的泥漿配比。

結合國內外相似地層中盾構隧道工程中泥漿配比參數(shù)，選取室內試樣4，9，19 和28 在試驗段進行試驗，不考慮超挖情況下每環(huán)理論出渣量為102.9 m3?，F(xiàn)場出渣量統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表5。可知試樣4 波動幅度在10%以內，效果最為理想。

表5 出渣量統(tǒng)計

綜合考慮室內試驗結果、試驗段及后續(xù)施工段出渣量，適用于富水飽和粉細砂地層施工的泥漿控制指標為：泥漿相對密度 1.15～1.20，條件黏度 25～35 s，30 min泥漿失水量不大于20 mL。

4 結論

本文針對高滲透性飽和富水粉細砂地層中泥水平衡盾構施工中泥漿配比問題進行了室內試驗，對影響泥漿性能因素進行了分析，并結合現(xiàn)場實際情況確定了合適的泥漿配比。得出以下結論：

1）泥漿的相對密度和條件黏度主要由膨潤土和CMC的摻量控制，受膨潤土摻量的影響最大；摻入一定量的純堿可使泥漿30 min 失水量減小，但摻量不宜過大。

2）適用于飽和富水粉細砂地層中盾構隧道施工的泥漿控制指標為：泥漿相對密度1.15～1.20，條件黏度 25～35 s，30 min 失水量不大于 20 mL。1 m3泥漿最佳配比為膨潤土 165 kg，CMC3.3 kg，純堿 3.3 kg，水930 L。