城市高铁隧道泥水盾构自造浆成膜技术研究

杨圣建

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司 江苏南京 211899)

1 引言

随着我国跨江公路、城市道路和铁路的不断建设，隧道建设进入了高峰期，泥水盾构逐渐成为大直径盾构隧道的首选[1－3]。而随着城市的建设发展，土地不断开发利用，对泥水盾构施工所产生的废浆处理要求也越来越严格[4]。如何将废弃泥浆重新利用，使其进入到泥水循环进浆系统中，实现完整自造浆的泥水处理闭合系统，成为需要探索解决方法的问题之一。

泥水盾构以压力泥浆支护开挖面，在开挖面上形成不透水或微透水的泥膜，将部分泥浆压力转化为有效应力从而平衡开挖面处的土水压力[5]，保证开挖面的稳定。而泥浆材料组成和泥浆性质对泥膜形成及泥浆滤失有重要的影响[6]。韩晓瑞[7]、闵凡路[8]等针对南京长江隧道穿越砂砾地层，进行了泥浆配比及渗透成膜试验，认为泥浆的黏粒含量宜调节到20%。泥浆黏度高，物理稳定性好，形成的泥膜薄、致密，滤水量小。张宁[9]、陈爽[10]针对淤泥质黏土地层中产生的废浆进行了泥浆配制试验，提供了砂卵石地层的配浆方案。袁大军等[11－12]通过渗透试验研究泥浆对砂卵石地层的适应性，发现泥浆密度越大，泥膜质量越好，在相对密度达到1.08 g/cm3时，增大泥浆的黏度并不能有效减少泥浆的渗流量。以上研究多基于泥浆对地层适应性的配制、成膜问题，如何对废弃泥浆进行改良再利用，在粉细砂地层中形成质量良好的泥膜则有待研究。

本文通过外加HS-1、HS-3药剂改良废弃泥浆的泥浆配制试验，明确配制所需各种泥浆材料的配比，并使用自制的泥浆渗透装置验证泥浆在粉细砂和中砂地层中的成膜效果，为废浆重新循环进浆，实现完整自造浆的泥水处理闭合系统提供参考。

2 工程概况与问题分析

京沈客专望京隧道位于北京市东五、东六环之间，大致沿京承高速公路走行。采用双单线盾构隧道，管片外径10.5 m，内径9.5 m，环宽2 m，盾构段全长3 190 m。隧道穿越地层表层为第四系人工堆积层素填土、杂填土；下伏地层为第四系全新统黏土、粉质黏土、粉土、粉砂等及第四系上更新统黏土、粉质黏土、粉土、粉砂、细砂、中砂等。

本工程盾构穿越的以粉质黏土、黏土为主的地层约1 590 m，断面占比超过80%，粉细砂占比不足20%，隧道顶埋深12.97～18.6 m，隧道底埋深23.47～29.15 m。采用2台大直径盾构机并行施工，盾构开挖直径10.87 m，每环挖土方量185.6 m3，需要2 200 m3泥浆携带出渣，废弃440 m3(按20%废弃)。泥浆集中排放量大，仅25 μm以下泥浆达到140.2万m3。大量废弃泥浆外运弃置会造成浪费，如能重新利用到泥水循环进浆系统中，将会极大地降低配浆的成本，减少对环境的影响。

3 废弃泥浆配制泥水盾构用掘进泥浆试验

根据前期施工经验，本工程粉细砂地层对泥浆性质指标要求为密度1.13 g/cm3，苏式漏斗黏度为20 s。为充分利用废弃泥浆，以此泥浆密度和黏度指标为度量，进行废弃泥浆自造浆基本性质试验。

3.1 试验材料与方法

废弃泥浆取自京沈客专望京隧道盾构穿越的黏粉土地层，黏粒含量为22.35%。分别向密度为1.10 g/cm3、1.15 g/cm3、1.20 g/cm3、1.25 g/cm3的泥浆中添加浓度3%的HS-3(编号为A～D组)和HS-1的溶液(编号为E～H组)，混合后测试泥浆的密度、黏度等基本指标的变化。具体HS-3、HS-1干粉添加量见表1～表3。

表1 HS-3干粉添加量(A、B组)

表2 HS-3干粉添加量(C、D组)

表3 HS-1干粉添加量

3.2 试验结果与分析

测试各密度泥浆添加HS-1、HS-3前后的2 h泌水率，泌水率均为增粘剂添加量最大时的观测数据。测试结果见表4～表5。

表4 HS-3添加前后的2 h泌水率指标

表5 HS-1添加前后的2 h泌水率指标

可以看出，原泥浆2 h泌水率绝大部分超过了50%，添加HS-1、HS-3后泌水率显著减小，能很好地抑制原泥浆的泥水分离。

试验A组和B组废弃泥浆中分别加入5%、10%、15%、20%的HS-3溶液，将混合后泥浆的密度、黏度等基本性质指标变化绘制成曲线，见图1。

图1 A、B组HS-3添加量与泥浆性质关系曲线

可以看出，漏斗黏度和泥浆密度均与HS-3添加量呈较好线性关系，两种泥浆的起始漏斗黏度相近，随着HS-3添加量增加，漏斗黏度逐渐升高，添加量最大时，泥浆密度均达到最小。密度为1.15 g/cm3添加10%以上的HS-3(3%的溶液)时，所得混合泥浆密度满足要求，黏度适当，稳定性较好。而密度为1.10 g/cm3添加15%以上的HS-3(3%的溶液)时，所得混合泥浆黏度较好，但密度不满足要求，仅为1.08 g/cm3，补充添加占泥浆质量10%的膨润土后，密度、黏度均满足要求。在密度为1.20 g/cm3和1.25 g/cm3废弃泥浆中分别加入3%、5%、8%，10%的HS-3溶液，同样将混合后泥浆的密度、黏度等基本性质指标变化绘制成曲线，见图2。

图2 C、D组HS-3添加量与泥浆性质关系曲线

可以看出，漏斗黏度和泥浆密度均与HS-3添加量呈较好的线性关系。随着HS-3添加量增加，漏斗黏度逐渐升高，密度为1.25 g/cm3泥浆黏度增长幅度较大。泥浆密度随HS-3添加量增加逐渐减小，所得泥浆密度均大于1.15 g/cm3。当密度为1.20 g/cm3泥浆中添加5%以上的HS-3(3%的溶液)、密度为1.25 g/cm3泥浆中添加3%以上的HS-3(3%的溶液)时，所得混合泥浆黏度适当，稳定性较好。

由图3～图4可以看出，漏斗黏度和泥浆密度均与HS-1添加量呈较好的线性关系。随着添加量增加，漏斗黏度逐渐升高，添加量为20%时，泥浆密度均达到最小。E组和F组泥浆添加20%的HS-1后泥浆黏度仍较小，需要添加5%的HS-3溶液进行调节，以提高漏斗黏度。同时E组泥浆需补充添加泥浆质量10%的膨润土，使泥浆密度满足要求。G组泥浆添加15%以上的HS-1(3%的溶液)时，可配合添加5%以上的HS-3(3%的溶液)调节黏度至20 s，得到黏度适当的泥浆。H组泥浆起始黏度为19.21 s，起始黏度较大，只需添加5%的HS-1溶液，便可得到稳定性较好的泥浆。

图3 HS-1添加量与混合泥浆密度关系曲线

图4 HS-1添加量与泥浆漏斗黏度关系曲线

综合以上废弃泥浆添加HS-3、HS-1后配制掘进用泥浆的试验结果，得出各密度泥浆最优添加量，见表6。

表6 各密度泥浆最优添加量

4 废弃泥浆成膜效果验证试验

(1)试验仪器与方法

采用自主设计的泥浆渗透成膜装置进行试验，装置示意图见图5。

图5 泥浆渗透试验装置示意

试验装置主体为一高300 mm、内径120 mm的有机玻璃渗透柱。进行试验时，在渗透柱下部装入高约3 cm、粒径为2～5 mm的中粗砂作为滤层，然后装入高度为5 cm的砂地层。采用先往渗透柱中注水再装入滤层和地层的正向饱和法饱和滤层与地层，并控制地层干密度为1.5 g/cm3；然后注入一定高度的泥浆，密封法兰盘，通过空压机和稳压阀向渗透柱中施加0.2 MPa气压后，打开渗透柱底端的连通阀门，开始进行渗透试验。试验中记录泥浆渗透过程中滤水量的变化，测量泥膜及渗透带厚度。

(2)泥膜质量评价

本工程勘察报告中的盾构主要穿越地层为粉细砂地层和中砂地层，粉细砂层的渗透系数为5.0×10－3cm/s。依据各类土层的渗透系数大小，分别选取两种单一粒径砂地层作为试验地层:0.1～0.25 mm，代表渗透系数5×10－3～9×10－3cm/s的地层；0.25～0.5 mm，代表渗透系数1×10－3～6×10－2cm/s的地层。

采用B组试验泥浆在粒径为0.1～0.25 mm的细砂地层、0.25～0.5 mm的中砂地层以及盾构掘进的原粉细砂地层中进行三组泥浆渗透试验。滤水量随时间的变化曲线如图6所示。

图6 泥浆在不同地层中的滤水量曲线

由图6可以看出，在粒径为0.25～0.5 mm的中砂地层中，泥浆渗透开始时，滤水量急剧增大；在粒径为0.1～0.25 mm的细砂地层以及粉细砂地层中，泥浆渗透开始时，滤水量缓慢增加。随着渗透的进行，滤水量的增加量逐渐减小，直至最后稳定。以上变化规律说明，废弃泥浆中的细颗粒含量较多，泥浆渗透时，细颗粒向地层中渗透，堵塞地层孔隙，使得泥浆在砂层中渗透时可以形成致密的泥膜。实际形成的泥膜见图7。

图7 粒径为0.25～0.5 mm地层中形成的泥膜

泥膜渗透系数能衡量泥膜透水性强弱，泥膜渗透系数越小，说明泥膜透水性弱，自身结构致密，相应的闭气能力强。根据泥膜形成稳定后在一段时间内的滤水量以及泥膜的厚度，采用达西渗透定律计算泥浆在三种地层中形成的泥膜的渗透系数，结果见表7。

表7 泥膜性质指标

可以看出在三种地层中泥浆渗透形成的泥膜渗透系数差异不大，泥膜渗透系数很小。这说明京沈客专望京隧道中盾构在黏土层中掘进时产生的泥浆形成的泥膜结构致密，能满足工程上在粉细砂、中砂地层中的盾构开舱要求。

5 工程应用经济效益分析

本工程盾构在长达1 670 m的粉质黏土、黏土为主地层掘进，每环开挖土体需2 200 m3泥浆完成携带出渣，正常施工阶段每台盾构机每天进度为8环，则两台盾构机可掘进16环/d。

采用B组试验泥浆配比，向密度1.15 g/cm3废弃泥浆加入10%以上HS-3增黏剂，每1 000 m3废弃泥浆需要3.1 t增黏剂。与完全利用膨润土制备上述体量泥浆，配制每1 000 m3泥浆至少可节约膨润土 238.24 t、增黏剂 3.1 t、水 894.36 t，且不考虑场地存储、耗电、人员等成本，一天可节约施工成本约41.6万元，经济效益显著。

6 结论

(1)使用增黏剂HS-1、HS-3对废弃泥浆改良，HS-1、HS-3能提高泥浆的漏斗黏度，漏斗黏度和泥浆密度均与HS-1、HS-3添加量呈较好的线性关系。

(2)使用废弃黏土泥浆配制而成的泥水平衡盾构泥浆可以在细砂、中砂地层形成结构致密的泥膜，能满足工程上在细砂、中砂地层中的盾构开舱要求。

(3)京沈客专望京隧道工程中通过对废弃泥浆改良再利用，大大减少了泥水盾构施工中泥浆配制的成本，提出了泥水盾构废弃泥浆处理的新思路。