佳木斯市江北水源工程松花江穿越隧道盾構(gòu)施工泥漿性能研究

摘 要:在泥水平衡盾構(gòu)施工過(guò)程中，針對(duì)佳木斯地質(zhì)條件的具體情況，經(jīng)過(guò)對(duì)泥漿的反復(fù)調(diào)配、試驗(yàn)，找出了適合本地層的泥漿配比。解決了在富水砂礫石地層中采用膨潤(rùn)土加粉質(zhì)粘土混合漿液充當(dāng)砂石輸送載體、土體開挖面護(hù)壁支撐介質(zhì)的難題，為泥水平衡盾構(gòu)在富水砂礫石地層中施工提供了一些思路。

關(guān)鍵詞:膨潤(rùn)土CMS泥膜泥漿粘度泥漿比重PH值

中圖分類號(hào):TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)07(c)-0091-02

泥水平衡盾構(gòu)是于20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種隧道施工機(jī)械，它通過(guò)向盾構(gòu)前端注入適當(dāng)壓力的泥漿，使其在開挖面形成泥膜，從而支撐正面的土體。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，刀盤切削土體表層泥膜，切削下來(lái)的土砂裹在泥漿中，經(jīng)由管道排送到地面。該種盾構(gòu)能較好地穩(wěn)定開挖面和防止地表隆陷，且適應(yīng)性好，在一些無(wú)法使用土壓盾構(gòu)的地層(例如本工程所處的砂礫石地層)也能正常工作。

在泥水平衡盾構(gòu)施工過(guò)程中，泥漿是一個(gè)非常重要的因素。尤其是在含泥量極低的富水砂礫石地層中使用泥水盾構(gòu)施工，對(duì)泥漿性能的要求是極為苛刻的，有必要對(duì)泥漿的性能進(jìn)行深入的研究。

1 概述

1.1 工程概況

佳木斯江北水源松花江穿越工程，位于佳木斯市松花江公路大橋東側(cè)約200米處。隧道全長(zhǎng)1300米，圓形斷面，凈直徑2.4米，采用直徑3.0米的泥水平衡盾構(gòu)施工。始發(fā)井位于松花江南岸，地下水水位標(biāo)高為73.9m，隧道洞口中心標(biāo)高為66.22m。地質(zhì)條件為透水性極強(qiáng)的砂卵石地層，卵石層最高滲透系數(shù)達(dá)150m/d，地下水與江水有著直接的水力聯(lián)系。

1.2 難點(diǎn)

本工程地層中的砂土比重為1.3kg/cm3，泥漿作為運(yùn)輸載體，其比重不得低于1.3kg/cm3這一數(shù)值方能保證泥水輸送系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)?shù)貨](méi)有性能良好的粘土，只能用粉質(zhì)粘土代用，給泥漿調(diào)配帶來(lái)了一定的難度。

由于地層是完全透水性的砂礫石且含泥量極低，地層本身對(duì)泥漿不能夠提供任何的補(bǔ)充，泥漿消耗量大。這種地質(zhì)條件，對(duì)泥漿各方面性能指標(biāo)有著極為苛刻的要求，如泥漿的粘度、比重、PH值、泥膜厚度和失水量等，只有這些指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，才能夠正常施工。

2 泥漿的組成

一般泥水平衡盾構(gòu)所用泥漿主要由膨潤(rùn)土、粘土、純堿及CMS組成。

2.1 膨潤(rùn)土

膨潤(rùn)土是構(gòu)成泥漿的主要原材料，它是一種以蒙脫石為主要成分的粘土礦物，蒙脫石礦物的晶格構(gòu)造具有晶層間的連接力弱、負(fù)電性大、水化能力強(qiáng)、分散性高等特性，故能制備性能較好的泥漿。膨潤(rùn)土一般分為天然膨潤(rùn)土、改性膨潤(rùn)土、活性膨潤(rùn)土三種，本工程選用了天然膨潤(rùn)土，其性能指標(biāo)如表1。

為了提高膨潤(rùn)土性能，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行鈉化處理，使它的水化能力和分散性得到提高。在本工程中選用純堿(Na2CO3)對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行離子交換，并使?jié){液的pH值控制在8～9，有效地提高了泥漿的性能。

2.2 粘土

粘土的主要作用是提高泥漿的比重以及粘度。在一般地層中，泥漿的比重一般為1.05～1.15之間，但本工程地處砂礫石地層，為了使泥漿能順利地將大直徑的礫石送出地面，要求泥漿要有較高的粘度和比重。

本工程所用粘土取自施工現(xiàn)場(chǎng)南側(cè)，其中含有一定量的粉細(xì)砂，較好地起到了提高泥漿比重的目的。

2.3 泥漿處理劑

在加入膨潤(rùn)土、粘土及純堿后，還需要加入其它化學(xué)試劑，才能配制出施工所需要的泥漿。本工程根據(jù)需要選用了CMS(羧甲基淀粉)，CMS是一種高分子聚合物，在溶于水后，其線性長(zhǎng)鏈分子吸附大量水分子和土顆粒，使泥漿粘度迅速升高。表2是CMS的物理化學(xué)指標(biāo)。

2.4 水

配漿用水一般可用自來(lái)水或清潔的江河水，并無(wú)特殊要求。但在本工程中，由于工地離市區(qū)較遠(yuǎn)，配漿水取自現(xiàn)場(chǎng)地下水，水中鐵錳和氯化物含量非常高，且水的硬度達(dá)到了400，這直接影響到CMS水溶液的穩(wěn)定性。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們同CMS廠家聯(lián)系并做了大量的試驗(yàn)，確定使用五氯酚鈉作為添加劑，從而有效地確保了CMS水溶液的穩(wěn)定性(見(jiàn)表3)。同時(shí)有效的解決了CMS水溶液氧化變質(zhì)問(wèn)題。

3泥漿的性能和其參數(shù)的確定

評(píng)價(jià)泥漿性能的主要指標(biāo)有粘度、比重、pH值、泥膜厚度和失水量，其中泥膜厚度和失水量主要根據(jù)粘度和比重決定，如果粘度和比重值大，則失水量小，形成的泥膜薄而致密，相反則失水量大，形成的泥膜厚而疏松。對(duì)于本工程所面對(duì)的地下水位較高的砂礫地層，需要泥漿的粘度和比重都較大，才易形成泥水平衡，從而保持開挖面的穩(wěn)定。

3.1 泥漿的粘度

泥漿的粘度對(duì)泥漿工作壓力和開挖面穩(wěn)定有著重要影響。泥漿具有一定的粘度有利于保持開挖面壓力，并且可以防止泥漿中的砂礫在刀盤土艙內(nèi)或管道中沉淀，以便將開挖下來(lái)的砂礫以流體形式輸送到地表。

所選用泥漿的粘度應(yīng)能使開挖面較快地形成泥皮。粘度過(guò)高，泥漿壓力稍有波動(dòng)就容易造成噴漿，使開挖面嚴(yán)重變形，不利于開挖面穩(wěn)定;粘度過(guò)低，則不利于在開挖面形成穩(wěn)定的泥皮。控制泥漿壓力有效地作用于開挖面比較困難，也就難以抵抗地層的壓力(特別是側(cè)面壓力)，同樣對(duì)開挖面穩(wěn)定不利。

由試驗(yàn)得出，在本工程所處的這種砂礫層中，泥漿的粘度以40～50s(漏斗粘度計(jì)測(cè)量值)為宜。

3.2 泥漿的比重

較高的泥漿比重可以增加對(duì)開挖面的壓力，不僅可以防止工作面坍塌，而且可以平衡地下水壓力，由于砂土比重為1.9，要保證砂土靠泥漿為載體順利的運(yùn)至地上。從而維護(hù)開挖面穩(wěn)定。如果泥漿比重較低，會(huì)引起泥漿向砂礫層的大量滲透，不僅使泥漿壓力不能有效地作用于開挖面，而且泥皮形成慢，對(duì)開挖面穩(wěn)定不利。但泥漿比重也不宜太高，否則會(huì)使所形成的泥皮厚度增加，不利于泥皮穩(wěn)定，而且加大了泥漿的輸送、處理的難度。

通過(guò)試驗(yàn)得出，在砂礫石地層中，泥水平衡盾構(gòu)所用泥漿比重以1.25～1.32之間。

3.3 pH值

較大的pH值可以增加泥漿的粘度、穩(wěn)定性，從而提高泥漿的性能。如果pH值過(guò)大，則會(huì)腐蝕機(jī)械設(shè)備，而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。在本工程中，利用純堿(Na2CO3)來(lái)提高泥漿的pH值，同時(shí)對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行納化。

通過(guò)試驗(yàn)，本工程泥漿的PH值以7～9為宜。

3.4 泥膜厚度與失水量

泥漿失水量是指泥漿在一定壓力作用下部分水滲入開挖面的現(xiàn)象，同時(shí)，它與泥膜質(zhì)量是相互關(guān)連的，泥膜致密，則泥漿失水量小，而泥漿失水量大則證明泥膜疏松，它們?nèi)Q于膨潤(rùn)土質(zhì)量的好壞。

一般要求在開挖面上形成薄而致密的泥膜，厚而疏松的泥膜不利于刀盤切削，影響掘進(jìn)速度。

總的來(lái)說(shuō)，影響泥漿性能的主要參數(shù)是粘度、比重和pH值，前期針對(duì)本工程做了大量試驗(yàn)，確定泥漿的參數(shù)如表4。

4 泥漿配制

泥漿的配制要分成兩部分，一是新漿配制，另一部分是回收漿配制。

4.1 新漿配制

在工程初期，需要在沉淀池中預(yù)先配制200m3左右的泥漿(新漿)，以便能建立起泥水循環(huán)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，新漿配合比見(jiàn)表5。

4.2 新漿配制注意事項(xiàng)

在進(jìn)行新漿配制時(shí)，要注意以下幾點(diǎn):

A、大量CMS不易溶于水，在配制時(shí)要先將CMS配制成2％或3％濃度溶液(需要做CMS攪拌槽，葉片轉(zhuǎn)速為0～200nps)，再將溶液加入膨潤(rùn)土漿中;

B、配制時(shí)，要分別配制膨潤(rùn)土漿和粘土漿，配比如表五，然后以1:1的比例混合，這樣在實(shí)際配制泥漿時(shí)能更易于操作，而且在利用回收漿配制泥漿時(shí)能根據(jù)情況加入膨潤(rùn)土漿或粘土漿;

C、表五的配合比是試驗(yàn)室配合比，在實(shí)際中由于配漿條件無(wú)法于實(shí)驗(yàn)室相比，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加以調(diào)整。

4.3 利用回收漿配制泥漿

在施工中，為了節(jié)省成本，泥漿需要循環(huán)利用，首先要對(duì)回收漿進(jìn)行分離，然后對(duì)分離出的泥漿進(jìn)行量測(cè)，并作試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)決定要向回收漿中加入多少膨潤(rùn)土漿、粘土漿、CMS等才能夠達(dá)到新漿標(biāo)準(zhǔn)，重新配制出合格的泥漿。

5 泥漿質(zhì)量的控制

在工程施工過(guò)程中，由于泥漿配制量較大，而且拌漿設(shè)備的質(zhì)量也存在著一定的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)材料的控制不能完全保證泥漿的質(zhì)量，為了配制出合格的泥漿，必須加強(qiáng)對(duì)泥漿的監(jiān)測(cè)。

5.1 膨潤(rùn)土漿及粘土漿

膨潤(rùn)土漿及粘土漿的質(zhì)量還是主要通過(guò)對(duì)材料的監(jiān)控來(lái)實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)加強(qiáng)了對(duì)成品的檢測(cè)，每拌制5槽漿液要抽查1槽。

5.2 調(diào)整槽漿液

調(diào)整槽的漿液通過(guò)P1－1泵直接送至井下，所以必須保證它的質(zhì)量，在調(diào)整槽下部安裝有取漿孔，以便隨時(shí)能對(duì)其進(jìn)行檢查。

5.3 在施工時(shí)，每前進(jìn)一環(huán)，要對(duì)沉淀池前部、尾部、泥漿槽、調(diào)整槽的泥漿進(jìn)行測(cè)量，掌握最新的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行調(diào)整

5.4 檢測(cè)出不合格的泥漿后，要馬上進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整

6 泥漿的凈化與處理

由于泥漿在施工中會(huì)不停帶出砂石，為了使泥漿能夠循環(huán)利用，必須對(duì)泥漿進(jìn)行分離凈化。本工程為砂礫石地層，施工中首先利用滾動(dòng)篩和沉淀池除去直徑2mm以上的砂石，然后送入旋留器進(jìn)行進(jìn)一步分離，再在此回收漿中加入膨潤(rùn)土漿、粘土漿或直接加入CMS水溶液(根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果)進(jìn)行調(diào)整，以便循環(huán)利用。

對(duì)于施工過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄泥漿，對(duì)其進(jìn)行檢查和調(diào)整PH值后再排放，以防污染。

參考文獻(xiàn)

[1]程驍、張鳳祥，土建注漿施工與效果檢測(cè)，同濟(jì)大學(xué)出版社，1998-01-01.