泥水平衡盾构复合地层泥浆配比及应用研究.pdf

・隧道／地下工程・泥水平衡盾构复合地层泥浆配比及应用研究陈爽（中铁十四局集团有限公司山东济南２５００１４）摘要大直径泥水平衡盾构机在卵石一砾石地层施工过程中，高分子泥浆出现了泥浆大量漏失、携渣能力弱、卵石堆积、开挖面护壁泥膜形成困难等现象，影响掘进效率、存在开挖面坍塌风险。通过对高分子泥浆和黏土层废弃泥浆进行配比试验研究，制备出成本低、性能好的泥浆，并应用于复杂的卵石一砾石复合地层，解决了泥浆漏失、大卵石堆积、开挖面护壁泥膜形成难等问题。关键词盾构施工泥浆高分子材料废浆卵石一砾石地层中图分类号Ｕ４５５．４３文献标识码Ａ———文章编号１００９４５３９（２０１６）０８００８３０４ＳｌｕｒｒｙＲａｔｉｏｆｏｒＳｈｉｅｌｄＭａｃｈｉｎｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎＣｏｍｐｌｅｘＦｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＣｈｅｎＳｈｕａｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ“１４ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐ’Ｃｏ．Ｌｔｄ．，ＪｉｎＫｎＳｈａｎｄｏｎｇ２５００１４，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＤｕｒｉｎｇｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｓｌｕｒｒｙｂａｌａｎｃｅｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅｉｎｇｒａｖｅｌ－ｐｅｂｂｌｅｇｒｏｕｎｄ，ｓｏｍｅｃａｓｅｓｏｆｐｏｌｙｍｅｒｍｕｄａｐｐｅａｒｅｄｓｕｃｈａ８ｍｕｄｌｏｓｓ，ｗｅａｋｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ，ｐｅｂｂｌｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ，ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｆｏｒｍｍｕｄｆｉｌｍｏｆｔｈｅ—ｅｘｃａｖａｆｉｏｎｆａｃｅｅｔｃ．，ｗｈｉｃｈｌｅｄｔｏｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｒｉｖｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｃｏＵａｐｓｅｉｎｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｏｎｆａｃｅ．Ｉｎｔｈｉｓ—ｐａｐｅｒ，ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｇｔｅｓｔｓｔｕｄｙｈａｄｂｅｅｎｄｏｎｅａｂｏｕｔｐｏｌｙｍｅｒｍｕｄａｎｄｃｌａｙｌａｙｅｒｗａｓｔｅｍｕｄｔｏｍａｋｅｓｏｍｅｋｉｎｄｏｆｍｕｄｗｉｔｈｌｏｗｃｏｓｔａｎｄｇｏｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ＴｈｅｍｕｄＷａｓｕｓｅｄｉｎｃｏｍｐｌｅｘｇｒａｖｅｌ－ｐｅｂｂｌｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｇｒｏｕｎｄ，ａｎｄｉｔｓｏｌｖｅｄｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｍｕｄｌｏｓｓ，ｓｔａｃｋｉｎｇｐｅｂｂｌｅｓ，ａｎｄｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇｅｘｃａｖａｔｉｏｎｆａｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｓｌｕｒｒｙ；ｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｅｒｉａｌ；ｗａｓｔｅｄｍｕｄ；ｇｒａｖｅｌ－ｐｅｂｂｌｅｇｒｏｕｎｄ１引言南京长江隧道采用两台直径１４．９３ｍ泥水平衡盾构机施工，由江北火药洲始发、江心洲接收。随着南京长江隧道东线施工的展开，掘进地层进入卵石一砾石复合地层，复合地层起止里程为Ｋ４＋７５０一Ｋ６＋ｏｏｏ、长达１２５０ｍ。复合地层中卵石、砾石、中粗砂等地层粒径较大、级配较差、致密度底、地层孔隙大，由于长江下方地层内地下水含量丰富，泥水仓泥浆中的黏性颗粒与地下水置换较为强烈；在切口压力较高的情况下，甚至出现泥浆向地层孔隙中扩散漏失的问题，从而导致泥水压力的不断下——收稿日期：２０１６０４２１降，存在地层失稳风险，严重时将引发拱顶坍塌、江水贯入等灾难性后果¨ｊ。为确保盾构机安全顺利地穿越江底复合地层，制备出适用的泥浆是盾构施工的一个重要保障因素。目前使用的高分子材料泥浆存在漏失量大、携渣能力弱、开挖面护壁泥膜形成困难的缺陷。为解决上述问题、保证盾构机掘进作业安全，拟探索高分子制浆材料泥浆和黏土层的废弃泥浆的复合利用，以找出成本较低、级配较好、适用于复合地层的高性能泥浆的配比。考虑到浅埋段黏土地层废弃了大量泥浆，可泵送回收用于补充掘进过程中的泥浆损失。为此，针对高分子材料泥浆和黏土层废弃泥浆在复合地层的应用进行了研究旧Ｊ。铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（ｏｏｌ万方数据・隧道／地下工程・２高分子材料泥浆和废弃泥浆复合应用的研究２．１盾构泥浆作用原理泥水盾构施工过程中泥浆主要用于实现水土压力平衡和开挖与出渣平衡。（１）水土压力平衡通过泥浆在地层孔隙的滤失作用实现，泥浆通过泥水仓压力向地层渗透，泥浆中的大颗粒填充和吸附于颗粒孔隙内，水分子则渗透人地层中，随着此过程的进行，地层颗粒表面将堆积形成一层致密的泥膜，从而阻断泥浆和地下水的置换，维持泥水仓压力和水土压力保持平衡（见‘图１）３。。图１泥膜形成机理示意图（２）开挖与出渣平衡通过泥浆的携渣作用实现。泥浆作为稳定连续介质进入开挖仓，通过流体作用将渣土运送出开挖仓，此时排除泥浆内固体含量增加、密度增大；经泥水处理后，泥浆内固体分离出去，轻质泥浆再次送人泥水仓将渣土运出，不断循环即实现盾构开挖和出渣的平衡Ｍ１。即：Ｑ出＝Ｑ进＋ＳＶ（１）式中，Ｑ出为泥浆进量；Ｑ进为泥浆出量；Ｓ为开挖截面；Ｖ为掘进速率。２．２影响因素在复合地层中，随着地层颗粒和地层孔隙的增大，泥浆形成泥膜的效率降低，并由此造成如下影响：（１）为维持水土平衡，泥水仓切Ｅｌ压力应略高于水土压力，则导致泥浆在地层中的漏失量加剧，施工成本增加；（２）形成的泥膜质量较差、速率较慢，不利于维持水土压力和开挖面的稳定；为减小上述不利影响，需制备出适于该复合地层的泥浆，提高泥膜形成的质量和速率，解决泥浆漏失问题。新配制的泥浆应满足指标一般为：泥浆的漏斗黏度不低于２０ｓ，密度不高于１２５０ｋｇ／ｍ轧５｜。２．３复合泥浆的配比２．３．１泥浆来源及特点（１）高分子材料泥浆高分子材料泥浆是采用溶于水的高分子材料和膨润土泥浆共同制备而成，高分子聚合物具有复杂庞大的空间结构和吸附特性，可以吸附在膨润土颗粒表面，在膨润土颗粒间、膨润土与高聚物间交联吸附形成布满整个空间的网架结构（见图２），自由水被包围在结构中，这种结构直接反映在黏度、切力、泥浆携带出渣的能力ＭＪ。坚塑吸附基团有益颗粒满粉鬻图２高分子材料泥浆网络架构机理（２）废浆废浆主要由黏土层掘进产生。由于黏土层基本由细微黏性颗粒组成，悬浮有较大粉土及粉细砂颗粒，掘进时黏土层的黏性颗粒经扰动切削搅拌，产生大量黏性颗粒自造浆。由于颗粒粒径较小（一般小于５０Ｉ．Ｌｍ），泥水分离设备无法有效筛分黏性颗粒，随着掘进和泥水环流的持续进行，泥浆中的细颗粒含量逐渐增加，泥浆比重随之增大并超出泥浆泵负荷，则必须进行泥浆外排废弃，并补充低比重泥浆维持泥水环流的正常进行。由此可见，废浆实际上是天然黏土泥浆。废浆由黏土层黏性颗粒组成，级配好、浆液稳定性强，在高渗透地层中能有效填充地层孔隙、抑制泥浆漏失，适用于复合地层掘进（见图３）¨Ｊ。图３废弃泥浆在高渗透地层的填充作用机理（３）施工效率下降。由式（１）可知，ｓ不变，维持Ｑ进恒定的条件下，Ｑ出减小（部分泥浆漏失），则２．３．２复合地层泥浆取样ｙ减小，即出渣能力下降、掘进速度降低。（１）目标：通过废浆和高分子泥浆混合，制备出８４铁道建筠技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６ｎＤ８Ｊ万方数据・隧道／地下工程・适用于复合地层盾构施工高性能泥浆，用于改善整个环流泥浆性能；要求新制泥浆性能稳定，２ｈ析水率低于７％，具有良好的塑性黏度Ｍ１。（２）选材：高分子材料泥浆、黏土层废弃泥浆（称为废浆，下同）。随机取得废浆及高分子泥浆样本，废浆指标见表１、图４，高分子泥浆指标见表２。表１废浆基本指标浆液比重／漏斗黏度／ｓ２ｈ２４ｈ塑性类型（ｇ・ｃｍ一３）析水率析水率黏度废浆１２１１８６１１１％４１％＼、、Ｌ＼、．、＼土粒枉径砂ｍｎｌ图４废浆颗粒粒径分布表２高分子泥浆基本指标（２％浓度）２．３．３复合地层泥浆配比试验（１）废浆和高分子泥浆配比试验根据高分子泥浆性能及废浆指标，分别选取不同浓度的配比对混合后泥浆进行了性能测试，并检‘验成膜质量９Ｉ，其泥浆配比及性能见表３。表３复合泥浆配比及性能指标比重／漏斗黏６６００／曲１３００／塑性黏度／析水率浆液配比（ｇ－ｃｍ一３）度／ｓ（ｍＰａ・８）（ｍＰａ・ｓ）（ｍＰａ・８）２４ｈ废浆１．２ｌ１８．６ｌ１ｌ６５４ｌ％‰废浆＋２１．２２７２２ｌｌｌｌ２０％高分子泥浆‰废浆＋４１．２３２２９１２１７８％高分子泥浆‰废浆＋６１．１９４０３５１８１７３％高分子泥浆废浆＋１０％１．１８４１３８２２１６ｌｌ％高分子泥浆２％高分子泥浆４５３１１４（２）泥浆在高渗透地层成膜试验根据实际工况，选取本工程实际取样地层渣土作为试验地层（砂砾层），该地层干密度１．７８ｋ／ｃｍ３，渗透系数４．０５ＸｌＯ～ｃｍ／ｓ，与实际地层参数相近㈣１。其地层情况见图５。鋈１００象８０碧６０羞４０曩２０、、＼＼■＼压力／ＭＰａＯ．０５Ｏ．１Ｏ．１５｜｜ｊ｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜｜０．２Ｏ．２５Ｏ．３４．５４．５４．５室内每分钟／ｍＬＯ．３３．６３．６２２．５２２．５废浆现场每２ｈ／ｍ３１５１８１８２２．５３．６３．６３．６室内每分钟／ｍＬ０．６１．５３１８１８现场每２ｈ／ｍ３泥浆３７．５１５１８２．２３３室内每分钟／ｍＬ０．６１．６２．１１５１５现场每２ＩＶｍ３子泥浆３８１０．５ｌｌ２．７２．７２．４室内每分钟／ｍＬ２．４３３１３．５１２现场每２ｈ／ｍ３泥浆１２１５１５１３．５２．４２．４２．２室内每分钟／ｍＬ０．３１．８２．４１２１１废浆＋１０％高分子泥浆现场每２ｈ／ｍ３１．５９１２１２万方数据・隧道／地下工程・过泥膜均匀地传递到开挖面土体上，有效支护了开挖面的稳定、规避了开挖面坍塌事故。在卵石一砾石地层施工过程中，优质泥膜不仅在掘进时保证了开挖面稳定和施工安全，在带压进仓进行刀盘检修和刀具更换时，也起到了支护土体稳定的作用。扎学瓣？竺黧鬻浆ｈ笔訾ｊ１０翟妻苎；二爹浆４５结束语形成５ｍｍ厚泥皮形成２．ｍｍ厚泥皮：日不旧３施工效果评价‰效填裂徽嚣器㈣高分子………３．３鼎黝雨小山曰雏．目㈣黧鬻跺裂馨翥盏淼分析。．套留三二变夏竺辱唑璺皇璺竺竺雹兰墨竞把曼：”…”””“”“…Ｈ。古ｆ簇釜襟癌嚣：猛１（１０水）：９及６口－９８．１７。由于渣土颗粒粒径较大，筛分效率高，曼擎泥浆宴帮‘［６］茹菜蕹：荔基；ｊ菇泵平衡盾构开挖面稳定性模型试鐾紫嚣篓篡塑矍盟璺翌乏霎瓣三篓型蠢ｐ１孺品骂禁鬈嬲翟２０１４：５选择３－５及配７．毗化苍；墨竺置篓拿孝曼璧兰堂篓警踅爱翌葱乎要蝥耋差≤［。ｏ］芸吴芸菇未掣茹荽薯ｊ磊石地层泥水盾构泥浆渗也事至刊髭魄。。。警芒吝量加入芋拿鎏篓堡垦箜娶“’”…“…”…”””卜薹菇棼薪鬲蒸误薪菇ｉ～７’配，复合泥浆能够快速地椅．Ｉ／－ｗ驯Ｌ－ｒｌ｜日ｌｔｕ，Ｉ的大粒径卵石排除开’［１１］磊磊希，朵伟，阂凡路：漉泵吾福ａ泥ｘ９膜，形９９成（３过）：３程２－中３超５．Ｉ‘Ｌ＃Ｊｌａｒ－ｉｉ＊静万方数据