泥水盾構(gòu)施工中的新型泥漿應(yīng)用研究

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

0 引言

伴隨各國對城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資的持續(xù)大力投入，國內(nèi)外已興建了許多大型跨海越江盾構(gòu)隧道工程（如日本東京灣海底隧道、荷蘭“綠心隧道”、武漢長江隧道、南京長江隧道等），大直徑隧道已經(jīng)成為隧道工程發(fā)展的趨勢之一[1]。泥水盾構(gòu)施工技術(shù)因具有無需特殊土體改良、地質(zhì)適應(yīng)性強、依靠泥水在開挖面形成泥膜抵抗土水壓力、開挖面穩(wěn)定性高等優(yōu)點，在城市大型隧道及大型過江過河隧道修建中均得到了廣泛應(yīng)用，如上海地區(qū)已經(jīng)建成的上海長江隧道、大連路隧道、復(fù)興東路隧道等[2]，都屬于泥水盾構(gòu)隧道。

1 泥水平衡盾構(gòu)工作原理

泥水平衡盾構(gòu)的工作原理主要在盾構(gòu)機前部刀盤后設(shè)置隔板，在刀盤和隔板之間形成一個密封的泥水壓力室，盾構(gòu)掘進施工時將加壓的泥水輸送到泥水壓力室；泥水在一定壓力下在開挖面上形成一層泥膜，平衡開挖面的水土壓力。與此同時，刀盤在泥水環(huán)境中旋轉(zhuǎn)切削和推進，切削下的土體與泥水壓力室內(nèi)的泥水混合形成高濃度的泥水，然后由泥水泵抽出并經(jīng)排泥管道輸送到地面。同時，新鮮泥水通過循環(huán)的泥水系統(tǒng)處理添加，保持開挖面的平衡穩(wěn)定性并控制地面沉降。

2 泥水盾構(gòu)泥漿作用

泥漿在泥水盾構(gòu)掘進施工過程中具有重要作用，泥漿猶如泥水盾構(gòu)掘進的血液，泥漿循環(huán)停止，泥水盾構(gòu)掘進工作就不能進行。泥漿在泥水盾構(gòu)施工中的作用主要是維持開挖面穩(wěn)定和攜帶土渣出地面。

2.1 維持開挖面穩(wěn)定

泥漿維持泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定主要依靠泥漿平衡開挖面土壓力和水壓力。首先泥漿作為流體，其壓力類似水壓，為平衡水壓力必須要求泥漿壓力大于開挖面水壓力；其次在開挖面上形成不（微）透水的泥膜，將部分泥漿壓力轉(zhuǎn)化為作用在開挖面上的有效應(yīng)力以平衡開挖面土壓力，因此開挖面上不透水泥膜的形成是核心因素。此外，泥漿滲透到開挖面前方一定范圍的地層中，增強了土體黏聚力。

2.2 攜帶土渣

泥水與掘削下來的渣土在泥水倉內(nèi)混合、攪拌之后，泥水懸浮裹挾渣土并保持一定的流動性，由排泥管送至地面盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)。

3 泥水盾構(gòu)新型泥漿工程應(yīng)用進展

泥漿作為泥水盾構(gòu)的“血液”，其性能質(zhì)量的好壞將直接影響隧道盾構(gòu)施工的速度及安全。新型的泥水盾構(gòu)隧道泥漿體系的研發(fā)與應(yīng)用，將推動泥水盾構(gòu)隧道工程進一步發(fā)展。

目前，國內(nèi)外泥水盾構(gòu)隧道大多采用由自然黏土、膨潤土、水、外加劑（CMC）所組成的分散泥漿體系。該泥漿體系具有以下顯著缺點[3]：廢棄泥漿排放量大、環(huán)境污染嚴重、泥漿性能評價指標不易控制、新漿制作材料用量大等。此外，在復(fù)雜地質(zhì)情況和泥水盾構(gòu)推進速度較快時，開挖面穩(wěn)定性和地面沉降較難控制。

為此，針對分散泥漿體系的以上缺點，泥水盾構(gòu)工程中為節(jié)約材料、保護環(huán)境，研發(fā)了不分散泥漿體系，并應(yīng)用于泥水盾構(gòu)施工。

上海復(fù)興東路越江隧道南線工程首次成功應(yīng)用PMS泥漿[4,5]。PMS泥水體系是典型的不分散體系，泥漿使用高分子聚合物（相對分子質(zhì)量為1.5×107的高分子、相對分子質(zhì)量為1×106的中分子、相對分子質(zhì)量為2×105的小分子合理配置）和帶正電荷的MMH正電膠、高分子聚合物對盾構(gòu)泥水壓力室中的切削土體與泥水形成的高濃度混合物進行選擇性化學(xué)絮凝，得到凈化泥漿和劣化泥漿；MMH正電膠與凈化泥漿形成復(fù)合體，使泥漿具有良好的剪切稀釋特性和一定結(jié)構(gòu)強度，便于攜帶和懸浮土渣。在復(fù)興東路越江隧道南線工程的成功應(yīng)用表明：PMS泥水體系的泥水廢漿排放量少，抑制黏土地層分散能力強，可在砂土層中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，開挖面穩(wěn)定性強。

楊繼范[6]針對泥水盾構(gòu)的特點，開發(fā)了一種新的聚合物正電膠盾構(gòu)泥水體系（Polymer-MMH Shield Slurry System）。新型泥漿體系采用高分子聚合物和MMH正電膠制備及泥漿固控工藝，應(yīng)用于復(fù)興東路隧道工程南線隧道641～804環(huán)工程性試驗。聚合物正電膠盾構(gòu)泥水體系也是一種不分散泥水體系，具有泥膜質(zhì)量好、泥水性能穩(wěn)定、不容易受黏土、泥沙和可溶性鹽類等的污染的典型特點。工程性試驗表明：新型泥漿體系可快速形成泥膜，提高盾構(gòu)推進速度，減少刀盤扭矩和同步注漿量，降低了工程成本；針對上海地區(qū)地層特性，該泥漿體系具有較好的地層適應(yīng)性，較好地抑制⑤土層造漿、棄漿現(xiàn)象，解決了⑥土層堵管情況，堵塞②土層孔隙，克服了淺表雜填土層的冒漿和地面沉降控制問題；新型泥漿體系減少了泥水廢漿排放，實現(xiàn)了泥水零排放，降低了盾構(gòu)泥水成本，保護了環(huán)境。

黃德中[7]針對上海軟土層的特點，研制了新型不分散泥水材料，其組分主要包括水、活性顆粒、化學(xué)處理劑，該材料具有不分散性、觸變性、抑制性和攜帶性的特點，具體表現(xiàn)在不同施工階段造漿能力強，在黏土層有強的網(wǎng)結(jié)能力和抑制分散能力，在砂土層要有強的網(wǎng)結(jié)能力和增黏效果，并適用于不同土層、不同孔隙的封堵能力等。該泥漿成功應(yīng)用于上海上中路越江隧道，應(yīng)用表明：經(jīng)過循環(huán)后泥水黏度值基本不變，泥漿回收率達到90%以上。

張子新等[8]發(fā)明了一類特殊的泥水盾構(gòu)穿越砂質(zhì)地層的綠色泥漿，該泥漿的主要組分包括普通水、增效土（天然黏土）、淀粉和微量固體堿。該泥漿主要利用了淀粉的膠凝化特性，克服了不分散泥漿體系中廢棄泥漿降解難度大和添加化合物和聚合物多， 容易造成較嚴重的水土環(huán)境污染的缺點。此新型綠色泥漿材料來源廣泛、抗污染能力強、無化學(xué)添加、綠色無污染。同時，試驗結(jié)果表明綠色泥漿具有良好的力學(xué)特性，在不同地層和應(yīng)力狀態(tài)下泥膜形成迅速、結(jié)構(gòu)致密、抗?jié)B能力強、泥漿壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力范圍廣，有利于維持開挖面穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文簡要介紹了泥水盾構(gòu)的原理和泥漿體系的作用，詳細論述了泥水盾構(gòu)新型泥漿體系的特點，主要結(jié)論如下：

1）目前，泥水盾構(gòu)泥漿體系在我國仍是一個新的領(lǐng)域，新型泥水盾構(gòu)隧道泥漿體系的研發(fā)與應(yīng)用，將推動我國泥水盾構(gòu)施工取得長足發(fā)展。

2）不分散泥漿體系是目前泥水盾構(gòu)施工中應(yīng)用較廣泛的一種體系，但是也具有廢棄泥漿降解難度大和添加化合物和聚合物多， 容易造成較嚴重的水土環(huán)境污染的缺點。

3）應(yīng)針對不同地區(qū)地層特性，滿足土木工程建造領(lǐng)域“綠色、節(jié)能、安全、高效”的實踐要求，研發(fā)新型綠色泥漿，實現(xiàn)泥漿處理的污染零排放和泥漿處理產(chǎn)物的再利用。