霍翼

（京沈鐵路客運專線京冀有限公司，北京 100070）

近十年來，泥水盾構(gòu)隧道技術(shù)廣泛應(yīng)用于我國隧道建設(shè)中，已成為大型越江（海）隧道和城市地下鐵路建設(shè)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)［1］。泥水盾構(gòu)施工中，開挖土料與泥水混合形成的高密度泥漿由排漿泵或管道輸送到地面，經(jīng)泥水處理設(shè)備分離后會產(chǎn)生大量廢棄泥漿［2］。國內(nèi)常添加高分子絮凝劑輔以機械物理脫水使泥漿固液分離［3］，分離后產(chǎn)生的清液能否用于配制泥漿，是一個值得探索的問題。

泥水盾構(gòu)施工中泥漿需在開挖面形成微透水的泥膜，將泥漿壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力以平衡地層中水土壓力，來保證開挖面的穩(wěn)定。而泥漿材料組成及泥漿性質(zhì)對泥膜形成及泥膜濾水量有重要影響。Watanabe等［4］在高滲透地層中開展泥漿成膜試驗，發(fā)現(xiàn)隨著泥漿密度增大泥漿濾失量逐漸減小，泥漿中砂含量在一定范圍內(nèi)增大會顯著降低泥漿的濾失量。韓曉瑞等［5］通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，泥漿黏度越大泥漿濾失量越小，越易于形成泥膜。目前國內(nèi)相關(guān)研究中關(guān)于尾水配漿及成膜方面的研究較少。

本文以北京—沈陽客運專線望京隧道為工程案例，利用廢棄泥漿經(jīng)絮凝-帶式壓濾處理產(chǎn)生的尾水配置黏土泥漿，添加不同比例的增黏劑溶液和膨潤土漿，并對配制的漿液進行泥漿滲透成膜試驗，探究合理利用尾水配制泥水盾構(gòu)掘進用泥漿的技術(shù)。

1 工程概況與問題分析

望京隧道為雙洞單線高速鐵路隧道，全長8 000 m，位于北京市四環(huán)與六環(huán)之間，大致沿京承高速公路走行。隧道主要采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)區(qū)間全長6 880 m，開挖直徑10.87 m，管片外徑10.5 m，內(nèi)徑9.5 m，厚度0.5 m，環(huán)寬2.0 m。

盾構(gòu)始發(fā)段掘進過程中會穿越黏粉粒含量較高的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層，產(chǎn)生大量的黏土泥漿。盾構(gòu)在這種黏土地層掘進時，泥水分離設(shè)備無法及時將微小黏土顆粒分離，導(dǎo)致泥漿相對密度及黏度不斷增大。為了滿足泥漿性能和施工要求，必須廢棄部分泥漿，從而產(chǎn)生了大量高相對密度、高黏度的廢棄泥漿?？紤]到泥漿排放可能帶來環(huán)境問題，本工程采用絮凝-帶式壓濾處理工藝對這些廢棄泥漿進行快速脫水處理，處理過程中會產(chǎn)生大量無色、無味透明液體，即尾水。

盾構(gòu)開挖斷面直徑10.87 m，在粉質(zhì)黏土地層中掘進時，每環(huán)需2 200 m3泥漿完成攜帶出渣，因此若絮凝-帶式壓濾處理后產(chǎn)生的尾水能重新達到制漿用水標準，可很大程度減少泥漿配制用水量，節(jié)約施工成本。

2 尾水配制泥漿試驗

2.1 尾水水質(zhì)分析

配制泥漿的水取自廢棄泥漿經(jīng)現(xiàn)場絮凝-帶式壓濾處理后產(chǎn)生的大量尾水。因國內(nèi)尚無規(guī)范對泥水盾構(gòu)泥漿配制用水水質(zhì)作出相關(guān)規(guī)定，考慮到泥漿用水要求低于鋼筋混凝土拌和用水，本文參考JGJ 63—2006《混凝土用水標準》中對鋼筋混凝土拌和用水水質(zhì)的要求，在現(xiàn)場使用酸度計、火焰光度計、電子天平對尾水水質(zhì)進行簡易分析，結(jié)果見表1。

表1 水質(zhì)簡易分析結(jié)果

由表1 可知，尾水的pH 值大于7，呈弱堿性，各項指標均滿足JGJ 63—2006 中鋼筋混凝土拌和用水的水質(zhì)要求。因此經(jīng)絮凝-帶式壓濾處理產(chǎn)生的尾水可以滿足泥水盾構(gòu)掘進用泥漿配制用水要求。

2.2 試驗材料

試驗材料為黏土、鈉基膨潤土和CYHS?3 型增黏劑。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、乙烯基單體多元共聚物類、膨脹劑、改性土、增效添加劑等組成。采用蘇式漏斗黏度儀測試泥漿漏斗黏度，1002型比重計測試泥漿密度。

2.3 試驗方法

1）使用尾水配制不同密度的黏土泥漿。密度為1.20，1.15，1.10，1.05 g/cm3的泥漿對應(yīng)的黏土與水的質(zhì)量比分別為1∶3，1∶4，1∶6，1∶12。

2）膨化不同膨水比（膨潤土質(zhì)量/水質(zhì)量）的膨潤土漿，24 h 后測試漿液基本性能指標，見表2。由于此處膨潤土漿主要用于調(diào)節(jié)黏土泥漿的黏度，因此選用漏斗黏度較高的膨水比為1∶10的膨潤土漿進行試驗。

表2 不同膨水比的膨潤土漿性能指標

3）在黏土泥漿中分別添加增黏劑溶液和膨潤土漿，測量混合泥漿的漏斗黏度及密度，以供現(xiàn)場不同工況下配制泥漿作參考。

2.4 試驗結(jié)果分析

2.4.1 黏土泥漿中添加增黏劑溶液

增黏劑溶液質(zhì)量分數(shù)為3%。向黏土泥漿中逐級添加占黏土泥漿質(zhì)量5%，10%，15%及20%的增黏劑溶液。具體添加量見表3。

表3 增黏劑溶液添加量

黏土泥漿添加不同量的增黏劑溶液后其基本性能指標變化曲線見圖1。

圖1 添加增黏劑溶液后泥漿基本性能指標變化曲線

由圖1 可見：①密度1.20 g/cm3的黏土泥漿初始漏斗黏度為17 s，增黏劑溶液添加量小于10%時，泥漿漏斗黏度隨添加量提高而增大，但是增黏劑溶液添加量大于10%后漏斗黏度變化不明顯。增黏劑溶液添加量由0 增至20%，泥漿密度由1.2 g/cm3逐漸減至1.17 g/cm3。因此，對于密度1.2 g/cm3的黏土泥漿，增黏劑溶液最佳添加量為10%。②密度為1.15 g/cm3的黏土泥漿初始漏斗黏度為16 s，增黏劑溶液添加量達到5%后漏斗黏度變化不明顯。增黏劑溶液添加量達到15% 時泥漿密度降為1.13 g/cm3。對于密度1.15 g/cm3的黏土泥漿，增黏劑溶液最佳添加量為5%。③密度1.10，1.05 g/cm3的黏土泥漿初始漏斗黏度均為16 s，添加增黏劑對其黏度影響很小，未達到工程要求的漏斗黏度指標（20 s）。因此，對于1.10 g/cm3及以下低密度泥漿，不再適合采用黏土泥漿+增黏劑的配漿方法，須在配漿中添加膨潤土漿。

2.4.2 黏土泥漿中添加膨潤土漿

向黏土泥漿中逐級添加占黏土泥漿質(zhì)量10%，20%，30%，40%，50%，60%，80%及100%的膨潤土漿（膨潤土漿膨水比為1∶10，膨化時間為24 h）。膨潤土漿具體添加量見表4。泥漿基本性能指標變化曲線見圖2。

表4 膨潤土漿添加量

圖2 添加膨潤土漿后泥漿基本性能指標變化曲線

由圖2（a）可知，密度1.20 g/cm3的黏土泥漿初始漏斗黏度為17 s，膨潤土漿添加量達到50%時混合泥漿黏度達到22 s 左右，密度為1.15 g/cm3。隨著膨潤土添加量增加，混合泥漿黏度逐漸增大，密度逐漸降低。添加量超過60%時添加膨潤土漿對混合泥漿黏度的提高效果更加明顯。添加量達到100%時混合泥漿黏度達到32 s，而密度降至1.12 g/cm3左右。

由圖2（b）可知，密度1.15 g/cm3的黏土泥漿初始漏斗黏度為16 s，當膨潤土漿添加量達到50%時混合泥漿黏度達到20 s 左右，密度為1.13 g/cm3。隨著膨潤土漿添加量的增加，混合泥漿黏度逐漸增大，密度逐漸降低。當添加量達到100%時，混合泥漿黏度達到27 s，而密度降至1.1 g/cm3左右。

由此可知，在黏土泥漿中添加膨潤土漿能夠穩(wěn)定提高泥漿黏度。泥漿性質(zhì)不穩(wěn)定時可以通過添加膨潤土漿來調(diào)節(jié)泥漿性能。

3 尾水配制泥漿滲透成膜試驗

試驗用泥漿為黏土泥漿和膨潤土漿的混合泥漿，泥漿密度為1.13 g/cm3，漏斗黏度為20 s。泥漿顆粒級配曲線見圖3。

圖3 泥漿顆粒級配曲線

選擇本工程粉細砂地層進行試驗，地層滲透系數(shù)為5.0×10-3cm/s。泥漿滲透成膜試驗裝置如圖4所示。

圖4 泥漿滲透成膜試驗裝置示意

試驗裝置主體為高300 mm、內(nèi)徑120 mm 的有機玻璃滲透柱。試驗時在滲透柱下部裝入高約3 cm、粒徑2～5 mm 的中粗砂作為濾層，然后裝入高5 cm 的粉細砂層。采用正向飽和法先往滲透柱中注水再裝入濾層和粉細砂層使之飽和，并控制粉細砂層干密度為1.5 g/cm3；然后注入一定高度的泥漿，密封法蘭盤，通過空壓機和穩(wěn)壓閥向滲透柱中施加200 kPa 氣壓后，打開滲透柱底端的連通閥門，開始滲透試驗。試驗中記錄泥漿滲透過程中濾水量的變化，測量泥膜和滲透帶的厚度。

試驗中在每級壓力下泥漿濾失量都能迅速達到一個穩(wěn)定值，泥漿在粉細砂層表面快速形成厚4 mm的泥膜。成膜過程中泥漿濾失量和壓力曲線見圖5。

圖5 泥漿濾失量和壓力曲線

由圖5 可見，泥漿壓力為50 kPa 時泥漿濾失量僅為18 mL。繼續(xù)提高泥漿壓力，泥漿濾失量增加不多。泥漿壓力為150 kPa時泥漿濾失量為43 mL左右，繼續(xù)提高泥漿壓力到300 kPa，泥漿濾失量達到83 mL，泥漿在粉細砂層表面形成的泥膜能夠較好阻止泥漿中水向粉細砂層中滲透。

4 用尾水配制泥漿的經(jīng)濟性分析

擬采用密度1.13 g/cm3，漏斗黏度20 s 的泥漿作為泥水盾構(gòu)用泥漿。該泥漿由密度1.15 g/cm3的黏土泥漿與占泥漿質(zhì)量50%的膨潤土漿混合配制而成。

膨潤土漿按膨水比1∶10 配制，密度1.15 g/cm3的黏土泥漿按土水比1∶4配制，該配合比下每配制1 000 m3泥漿需要自來水約954 t。若采用尾水配制，則每配制1 000 m3泥漿至少可節(jié)約用水954 （t約2 000元），可產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益，同時提升水資源的利用率，具有環(huán)保意義。

5 結(jié)論

1）向不同密度的黏土泥漿中加入增黏劑溶液、膨潤土漿，均能提高泥漿漏斗黏度，改善泥漿的性質(zhì)。密度為1.15 g/cm3的黏土泥漿，增黏劑溶液最佳添加量為5%。當泥漿密度較低時，需加入膨潤土漿進一步提高泥漿漏斗黏度及密度。

2）使用尾水配制的密度1.13 g/cm3，漏斗黏度20 s的泥漿可以在粉細砂地層中形成結(jié)構(gòu)致密的泥膜。當泥漿壓力達到300 kPa，泥漿濾失量僅為83 mL，形成的泥膜能夠較好阻止泥漿中的水向地層中滲透。每配制1 000 m3泥漿至少可節(jié)約用水954 t，具有較好的經(jīng)濟和環(huán)保效益。

3）經(jīng)絮凝-帶式壓濾處理工藝分離出的尾水因投放的藥劑不同其性質(zhì)亦不同，在其他泥水盾構(gòu)工程中推廣及應(yīng)用時還須大量試驗研究。