南京緯三路過江通道泥水盾構泥漿配制試驗研究

張 寧，朱 偉，閔凡路

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098;2.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

0 引言

隨著我國鐵路、公路、水利、城市軌道交通等事業的發展，泥水盾構以其良好的壓力控制模式在水下交通隧道建設中取得了廣泛應用［1－2］。泥漿被喻為泥水盾構的血液，在盾構施工中主要起到維持開挖面的穩定［3］、攜渣、潤滑掘削設備、減少管路磨損等作用［4］。盾構穿越地層性質差異較大，所需要的泥漿參數亦各不相同［5］。對于不同泥漿材料，相同的泥漿參數有多種不同的配制方法［6］。確定泥水盾構在不同地層中施工時合理的泥漿參數和配比，不僅可以保證施工的順利進行，也可以有效降低工程成本。

在泥水盾構施工中，泥漿最重要的作用是在開挖面上形成微透水的泥膜，防止泥漿大量濾失，保持開挖面的穩定。泥漿在地層中的成膜方式可以分為泥皮型、滲透帶型、泥皮+滲透帶型;MIN等［7］通過室內泥漿滲透試驗，選取d85作為泥漿顆粒代表粒徑，D0作為地層平均孔徑，通過計算d85和D0的比例關系可以確定泥膜的形成類型，同時發現泥漿顆粒級配和密度對泥漿在高滲透性地層中的成膜影響較大。Watanabe等［8］在高滲透地層中進行了泥漿滲透成膜實驗，發現隨著泥漿密度的增大，泥漿濾失量逐漸減小。袁大軍等［9］通過不同密度的泥漿滲透試驗，發現泥漿密度越大，泥漿中含有的細顆粒越多，泥漿填充地層孔隙的效果越好，形成泥膜時的濾水量越小;當泥漿密度達到1.08 g/cm3時，泥漿黏度的增加并不能有效減小泥膜濾水量。韓曉瑞等［10］通過3種泥漿在礫砂地層的滲透試驗，提出了以濾水量作為泥膜質量的評價指標，泥膜濾水量越小，泥膜越致密。基于以上研究，在高滲透性地層中，相比黏度，泥漿的密度尤其是泥漿中的顆粒組分是影響成膜的重要因素。對于泥漿黏度，更重要的是考慮其對攜渣能力、減少管路磨損的影響［11］。目前泥水盾構工程中泥漿的黏度一般取20～30 s(蘇氏漏斗黏度，測試清水為15 s，下同)以上。

南京緯三路過江通道依次穿越黏土、粉土、粉細砂、礫砂、圓礫等地層(見圖1)，最高水壓力達0.77 MPa。滲透系數大于10－2cm/s的中粗砂、礫砂、圓礫卵石地層累計長達2 177 m。地層條件復雜、地下水壓高、地層透水性強［12－13］，泥漿在砂礫地層成膜具有較大困難，需要消耗大量的泥漿材料。如何根據地質條件，合理地選取泥漿參數和配漿方案，已成為關系隧道施工安全性和經濟性的重要問題之一。

圖1 南京緯三路過江通道江中段地質斷面簡圖Fig.1 Profile of geological condition of Weisanlu Yangtze River Tunnel in Nanjing

本文針對南京緯三路過江通道的4種粗顆粒地層進行泥漿成膜試驗，確定泥漿在各地層的適用參數;然后以前期在淤泥質粉質黏土地層中掘進產生的黏土漿作為基礎材料，確定黏土漿+膨潤土漿和黏土漿+增黏劑溶液的配漿方案。該配方綜合考慮了地層對泥漿參數要求的差異和廢棄泥漿的使用，為工程施工提供了配漿依據，同時降低了工程成本，減少了廢棄泥漿對環境造成的污染。

1 工程概況及難點分析

1.1 工程概況

南京緯三路過江通道位于緯七路長江隧道和長江大橋之間，隧道采用雙層雙向八車道"X"形隧道方案。南線隧道盾構段長4 134.8 m，北線隧道盾構段長3 537.8 m，采用2臺φ14.96 m的泥水盾構同向掘進，由江北始發井出發，左右線分離布置［14］(見圖2)。

圖2 南京緯三路過江通道工程示意圖Fig.2 Sketch map of Nanjing Weisanlu Yangtze River Tunnel

1.2 工程地質條件及難點分析

南京緯三路過江通道穿越各地層的基本物理性質如表1所示。隧道首先穿越526.8 m的淤泥質粉質黏土地層，該地層滲透系數為3×10－6cm/s，黏粉粒含量達80%，僅靠地層自造漿即可滿足成膜要求，同時還會產生密度在1.28～1.35 g/cm3，蘇式漏斗黏度60～75 s的廢棄泥漿。將廢棄泥漿臨時存放于池塘，待盾構掘進至中粗砂地層時作為配漿的原材料，不僅可以降低工程成本，還可以解決環境污染問題［15］。

2 泥漿成膜試驗

2.1 試驗方案

2.1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖3所示。裝置的主體是一個有機玻璃柱，高100 cm，內徑8.4 cm;調壓裝置的精度為0.01 MPa;電子稱精度為0.01 g;數據采集裝置可記錄濾水量隨時間的變化，其時間間隔可以自行設置。

2.1.2 試驗材料

選用膨潤土與水質量比(簡稱膨水比)為1∶10的膨潤土漿做為基礎泥漿。添加黏土調節泥漿密度，添加質量濃度為2%的高黏羧甲基纖維素鈉(CMCHV)水溶液調節泥漿黏度。采用蘇式漏斗黏度儀和1002型比重秤分別測得泥漿的黏度和密度，泥漿性質參數如表2所示。地層材料利用單一粒徑的天然砂配置，按相似級配法，使得密度和滲透系數盡量接近地質報告中給出的值。

表1 南京緯三路過江通道盾構段穿越地層統計(南線為例)Table 1 Different strata through which the southern tube of Nanjing Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel passes

圖3 泥漿成膜與閉氣試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test apparatus

表2 泥漿性質參數表Table 2 Basic physical properties of slurries

2.1.3 試驗方法

配制試驗地層，裝入地層并飽和，測量地層的滲透系數，配制試驗泥漿并裝入滲透試驗柱，密封試驗柱并施加壓力開始滲透試驗。

設置4 級泥漿壓力:0.05、0.1、0.15 及 0.3 MPa，第1級壓力用于判斷泥漿在地層中能否成膜，后面3級壓力用于評判泥膜的質量，每級維持200 s，確保泥漿滲透達到穩定狀態。

2.2 試驗結果

表3為試驗得到的泥膜形成情況，通過分析發現:在④1粉細砂地層和⑤1中粗砂地層中，均形成泥皮型泥膜;在⑤2礫砂地層和⑥1卵石圓礫地層中，當泥漿密度較小時形成泥皮+滲透帶型泥膜，泥漿密度較大時形成泥皮型泥膜。

表3 試驗過程中的泥膜形成情況Table 3 Types and thicknesses of filter membranes in the test

圖4為泥膜形成過程中濾水量(泥漿濾失量)統計圖。從圖4可以看出，泥漿在地層中滲透時，濾水量隨壓力逐級增長。密度為1.05 g/cm3的泥漿在4種地層中濾水量均較大，說明該泥漿不適用于砂性地層中成膜。密度為1.10 g/cm3的泥漿在粉細砂、中粗砂、礫砂地層中濾水量較大，且隨地層滲透系數的增加而增大;而在圓礫卵石地層中濾水量最小，是由于⑥1圓礫及卵石地層的孔隙比較小，泥漿較難滲入。密度為1.15 g/cm3和1.20 g/cm3的2種泥漿在4種地層中的濾水量較小。結合表3可以發現，密度為1.20 g/cm3的泥漿難以滲入地層，多在表面形成厚度較大的泥膜。通過泥漿成膜試驗得到了滿足緯三路過江通道各地層成膜的泥漿指標(見表4)。

圖4 不同地層不同泥皮厚度下的泥漿濾水量Fig.4 Water bleeding of different slurries under different strata

表4 各地層中的泥漿成膜指標Table 4 Performance of filter membranes formed in different strata

3 泥漿配比試驗

3.1 黏土漿+膨潤土漿的泥漿配制試驗

以淤泥質粉質黏土地層中掘進產生的黏土漿作為基礎泥漿，將南京亞東奧土礦業膨潤土按膨水比1∶10膨化，得到密度1.06 g/cm3、黏度52 s的膨潤土漿。向黏土漿中加入不同質量的水，得到4種密度的黏土漿，然后向其中逐漸添加不同質量的膨潤土漿調節泥漿參數。泥漿性質變化如圖5所示。

圖5 膨潤土漿對泥漿黏度、密度的影響Fig.5 Effect of bentonite on viscosity and density of slurry

由圖5(a)可知，隨著膨潤土漿的添加，泥漿黏度逐漸增大。當黏度達到20 s以后，膨潤土漿對泥漿黏度的效果逐漸明顯。膨潤土漿對泥漿黏度的改善效果由泥漿的初始黏度決定，泥漿黏度越大，效果越明顯。初始泥漿的黏度相近，可以認為黏土對泥漿黏度的影響很小。由圖5(b)可知，在膨潤土漿添加初期，泥漿密度變化較明顯，隨著膨潤土漿添加量的增多，密度變化越來越弱，逐漸接近2種漿液的均值。

3.2 黏土漿+增黏劑溶液的泥漿調制試驗

以淤泥質粉質黏土地層中掘進產生的黏土漿作為基礎泥漿，選用任丘市超宇CYHS－3型增黏劑，濃度3%的增黏劑，密度為1.02 g/cm3，漏斗黏度為45 s。向黏土漿中加入不同質量的水，得到4種密度的黏土漿，然后逐級向其中添加占黏土漿不同質量百分比的增黏劑溶液，泥漿黏度變化如圖6所示。

圖6 增黏劑溶液對泥漿黏度的影響Fig.6 Effects of thickener on slurry viscosity

由圖6可以看出，增黏劑溶液添加初期對泥漿黏度的提高比較明顯，且逐漸趨于穩定。泥漿的最終黏度與泥漿密度有關，密度越大，黏度越大;不同密度的泥漿，增黏劑溶液的最優添加量不同。對于密度小于1.10 g/cm3的黏土漿，增黏劑溶液的添加對泥漿黏度幾乎沒有影響;故黏土漿+增黏劑溶液的配漿方案不再適用，應該考慮其他配漿方法，如黏土漿+膨潤土漿+增黏劑溶液、膨潤土漿+增黏劑溶液，或膨潤土漿等。

3.3 南京緯三路過江通道砂性地層配漿方案

根據黏土漿+膨潤土漿和黏土漿+增黏劑溶液的配漿試驗結果，得到了南京緯三路過江通道4種粗顆粒地層的配漿方案，如表5所示。

表5 各地層配漿方案及所得泥漿參數Table 5 Mixing proportion of slurries and their parameters

4 現場泥漿使用情況

在K4+328～+749的礫砂圓礫、卵石混合地層中掘進時，由于地層的黏粒含量小于5%，每掘進10環，需要補充黏土約60 t，膨潤土8.3 t。采用每 m31.20 g/cm3的黏土泥漿中添加膨水比1∶10膨潤土漿500 kg的配漿方案。在地層中掘進時切口水壓力在0.59 ～0.62 MPa;平均每環的掘削量在 327 ～368 m3，在理論掘削量(353 m3/環)上下波動，但波動幅度在20%之內;每環的泥漿濾失量在30～40 m3，與試驗室模擬結果相當，說明在地層表面形成了致密性較好的泥膜。

5 結論與建議

1)密度1.05 g/cm3的泥漿不適于在砂性地層中成膜;密度為1.10 g/cm3和1.15 g/cm3的泥漿可以在中粗砂、礫砂、圓礫卵石地層中形成泥皮+滲透帶型泥膜;密度大于1.20 g/cm3的泥漿難以滲入地層，多在地層表面形成厚度較大的泥皮型泥膜。

2)膨潤土漿和增黏劑溶液可以調節泥漿黏度，黏度大于20 s時，膨潤土漿對黏度的改善效果較顯著;泥漿密度越大，增黏劑溶液對泥漿黏度的改善越明顯，當密度小于1.10 g/cm3時，CYHS－3型增黏劑溶液對泥漿黏度幾乎沒有影響。

3)確定了黏土漿+膨潤土漿和黏土漿+增黏劑溶液在南京緯三路過江通道穿越4種砂性地層的配漿方案，并在現場施工中對配漿方案進行了驗證。通過回收利用穿越淤泥質粉質黏土層時儲存的高黏粒含量的泥漿，不僅解決了廢漿排放問題，還大大降低了工程成本。

本文所得到的研究結論為南京緯三路過江通道提供了部分砂卵石地層的配漿方案，減少了廢棄泥漿的排放，節約了工程成本。同時對于膨潤土、增黏劑對泥漿密度、黏度的影響有了新的認識，可以為研究人員和現場施工人員提供一定的幫助。在今后的研究中需要充分考慮地層滲透性和泥漿性質的匹配關系。

［1］ 王夢恕.中國盾構和掘進機隧道技術現狀、存在的問題及發展思路［J］.隧道建設，2014，34(3):179－187.(WANG Mengshu.Tunneling by TBM/shield in China:state-of-art， problems and proposals ［J］. Tunnel Construction，2014，34(3):179 －187.(in Chinese))

［2］ Yukinori Koyama.Present status and technology of shield tunneling method in Japan［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2003(18):145 －159.

［3］ Skempton A W，Brogan J M.Experiments on piping in sandy gravels ［J］. Geotechnique， 1994， 44(3):449－460.

［4］ 張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004.(ZHANG Fengxiang，ZHU Hehua，FU Deming.Shield tunnelling method［M］.Beijing:China Communications Press，2004.(in Chinese))

［5］ 韓曉瑞.基于泥漿與地層匹配性的泥水盾構泥膜形成規律研究［D］.南京:河海大學，2009.(HAN Xiaorui.Study on the matching of slurry and ground［D］.Nanjing:Hohai University，2009.(in Chinese))

［6］ 蔣龍.砂卵石地層泥水盾構泥漿材料選擇及配比優化分析［D］.北京:北京交通大學，2014.(JIANG Long.Mud materials selection in slurry shield and ratio optimization analysis used for sandy cobble ground［D］.Beijing:Beijing Jiaotong University，2014.(in Chinese))

［7］ MIN Fanlu，ZHU Wei，HAN Xiaoru.Filter cake formation for slurry shield tunneling in highly permeable sand［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2013，38:423－430.

［8］ Watanabe T，Yamazaki H.Giant size slurry shield is a success in Tokyo［J］.Tunnels and Tunnelling，1981，13(Jan.－Feb.):13 －17.

［9］ 袁大軍，李興高，李建華，等.砂卵石地層泥水盾構泥漿滲透試驗分析［J］.都市快軌交通，2009(3):32－35.(YUAN Dajun， LI Xinggao， LI Jianhua， et al. Mud seepage tests for slurry shields driving in sandy cobble ground［J］.Urban Rapid Rail Transit，2009(3):32 －35.(in Chinese))

［10］ 韓曉瑞，朱偉，劉泉維，等.泥漿性質對泥水盾構開挖面泥膜形成質量影響［J］.巖土力學，2008，29(增刊):288 － 292.(HAN Xiaorui，ZHU Wei，LIU Quanwei，et al.Influence of slurry property on filter cake quality on working face of slurry shield［J］. Rock and Soil Mechanics，2008，29(S):288 －292.(in Chinese))

［11］ 郭信君，閔凡路，鐘小春，等.南京長江隧道工程難點分析及關鍵技術總結［J］.巖石力學與工程學報，2012，31(10):2154 － 2160.(GUO Xinjun，MIN Fanlu，ZHONG Xiaochun，et al.Summaries of key technologies and difficulties in Nanjing Yangtze river tunnel project［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(10):2154 －2160.(in Chinese))

［12］ 石新棟，吳全立.南京緯三路過江盾構隧道工程主要地質問題及其對策［J］.隧道建設，2011，31(6):652－656.(SHI Xindong，WU Quanli.Geological conditions and construction counter measures of Weisanlu rivercrossing shield-bored tunnel in Nanjing［J］. Tunnel Construction，2011，31(6):652 －656.(in Chinese))

［13］ 張士龍.南京緯三路過江通道工程技術難點分析［J］.隧道建設，2013，33(3):147 －150.(ZHANG Shilong.Analysis on technical difficulties of Nanjing Weisanlu Yangtze river tunnel［J］.Tunnel Construction，2013，33(3):147 －150.(in Chinese))

［14］ 肖明清.南京緯三路長江隧道總體設計的關鍵技術研究［J］.現代隧道技術，2009，46(5):1 －5，12.(XIAO Mingqing.General design of Nanjing Weisanlu Yangtze River tunnel［J］.Modern Tunnelling Technology，2009，46(5):1 －5，12.(in Chinese))

［15］ 姜騰，姚占虎，閔凡路，等，廢棄黏土在泥水盾構泥漿配制中的再利用研究［J］.隧道建設，2014，34(12):1148 － 1152.(JIANG Teng，YAO Zhanhu，MIN Fanlu.Study on cyclic use of waste clay in preparing slurry for slurry shield boring［J］.Tunnel Construction，2014，34(12):1148 －1152.(in Chinese))