大直徑泥水盾構棄渣中的優質泥漿再利用研究

孔玉清

（中鐵十四局集團有限公司，山東濟南250014）

大直徑泥水盾構棄渣中的優質泥漿再利用研究

孔玉清

（中鐵十四局集團有限公司，山東濟南250014）

結合南京長江隧道工程，對大直徑泥水盾構棄渣中的優質泥漿在卵礫地層中的再利用問題進行了室內試驗研究及現場實施驗證。在此基礎上，提出了基于泥漿與地層匹配性的泥膜配制技術，使優質泥漿在泥水盾構施工中得以重復利用，降低了工程造價，減少了廢漿排放，保護了環境。

泥水盾構；泥漿；卵礫地層；再利用

泥水盾構以循環的泥漿實現了保證開挖面穩定和出渣2種功能，因此泥漿被稱為泥水盾構的血液。大直徑泥水盾構隧道工程量巨大，在施工中需要使用大量的泥漿，同時由于地層的自造漿功能，也會產生大量的泥漿。泥漿的使用或者存放不當會影響施工，隨意拋棄多余的泥漿也會對周圍的環境造成污染。因此，有必要針對工程實際情況，研究工程中廢棄泥漿的特性，以指導廢棄泥漿的循環利用。

1　工程概況

南京長江隧道為雙管盾構隧道，江北進口里程為K3+380.000，梅子洲出口里程為K6+854.053，總長度3 474.053 m，其中盾構段里程K3+600.000—K6+ 532.756，長度2 932.756 m。選用2臺泥水加壓盾構同向掘進。隧道盾構段位于隧道中部，盾構隧道內徑13.30 m，外徑14.50 m，襯砌厚度0.60 m。隧道覆土厚度最大30 m，最小5.5 m（始發段）。

隧道穿越場地為長江沖積平原區，主要為堤外灘地、堤內高漫灘、堤內低漫灘，長江水域及江心洲。隧道主要穿越第四系和白堊系地層，隧道場地通過部位不存在斷裂或破碎帶。第四系地層上部主要由第四系全新統新近沉積松散粉細砂組成，中部由第四系中密～密實粉細砂組成，下部由上更新統密實礫砂、圓礫等組成。第四系地層下伏基巖為白堊系鈣質泥巖夾鈣質細砂巖。隧道主要穿越地層為淤泥質粉質黏土地層、粉細砂地層、礫砂地層及圓礫地層。

表1　南京長江隧道盾構機穿越地層的顆粒粒徑分布

2　廢棄泥漿在卵礫地層中再利用可行性分析

根據各地層的顆粒粒徑分布（見表1）和盾構穿越地層順序，始發段的淤泥質粉質黏土地層，＜0.075 mm的顆粒占90%左右，＜0.05 mm的顆粒占50%以上，黏粒含量較高，地層自造漿能力強。該段地層占隧道總長的9.2%，約278 m，會產生近50 000 m3粉質黏土。由于地層中＜0.05 mm的顆粒泥水分離系統篩不出來，且沉淀池的有效長度有限，正常掘進時無法有效分離出這一部分顆粒。這使得流入調漿池的泥漿相對密度較大，不能直接被輸送至開挖面。因此，需要把多余的黏粒含量較高的泥漿排出，擇地儲存。

另外，盾構機隨后要穿越的粉細砂地層、礫砂地層、圓礫地層中粗粒土含量很高，達80%～90%，細粒土含量很少，地層自造漿能力較差。這部分地層的滲透系數均較大，屬于高滲透地層。如果泥漿質量變差而沒有及時調整，會造成泥膜形成困難，泥漿濾失量增加，增大施工風險。因此，在掘進中為保證泥漿的功能，需要補充大量的膨潤土、制漿劑等，不僅成本高，而且含有高聚物制漿劑的泥漿排放會造成環境污染。

盾構先后掘進地層地質條件差異與掘進順序上的時間差，使得廢棄泥漿的再利用有了可行性。將淤泥質粉質黏土地層中多余的泥漿或黏土儲存在工地旁邊的魚塘中，留作后續粉細砂、礫砂地層掘進配制泥漿時再利用。在儲漿池多處取樣，泥漿黏粒含量均較高，多在30%～50%左右。典型儲漿池泥樣的顆粒分析曲線見圖1。該處泥樣的黏粒含量高達50%。

圖1　儲漿池泥樣的顆粒分析曲線

3　廢棄泥漿再利用配比試驗

3.1試驗目的與方法

①試驗目的：試驗內用廢漿和其他制漿材料，調配出適合盾構在粉細砂、礫砂地層掘進的泥漿，為后續施工中的調配泥漿提供基本的泥漿配比和參考。②試驗材料：廢棄泥漿、膨潤土、制漿劑、水。③配漿方法：先以廢棄泥漿和膨化1 d的膨潤土漿混合，配出泥漿的相對密度在1.15～1.20，黏度要求在25 s以上；若黏度達不到要求，則采用制漿劑調整泥漿的黏度。

3.2試驗過程

1）膨化膨潤土泥漿。分別膨化不同濃度的膨潤土泥漿，24 h后測試泥漿基本性質，見表2。選擇濃度為8%，12%，15%的3組泥漿作為基漿。

2）取儲漿池的泥樣。從儲漿池取泥樣，調成相對密度1.30左右的泥漿（廢漿回打時相對密度在1.28～1.35），測得泥漿黏度75 s。

3）配置混合泥漿（相對密度1.15～1.20，黏度25 s以上）。廢漿分別與濃度8%，12%，15%的膨潤土泥漿按體積比1∶1混合后，測得相對密度分別為1.165，1.180，1.190，黏度分別為19.53，22.18，27.54 s。濃度15%的膨潤土泥漿不需要調整，而廢漿與濃度8%，12%的膨潤土泥漿按混合泥漿體積的0.2%添加制漿劑干粉后，測得黏度分別為40，70 s左右。利用1 m3膨潤土泥漿配置不同相對密度的漿液所需廢漿體積的計算公式為D×1+1.3V=d（1+V）。其中：D為不同濃度膨潤土泥漿的相對密度；V為廢漿體積；d為新配置漿液的相對密度（取1.15～1.20）。所需廢漿體積計算結果見表3，廢漿與8%，12%的膨潤土泥漿按表3中體積比配置后泥漿黏度仍需通過添加制漿劑調整。

表2　膨潤土泥漿基本性質（膨化24 h）

表3　不同濃度膨潤土泥漿配置混合漿液需要的廢漿體積

3.3在使用制漿劑時要注意的問題

1）制漿劑高溫下的不穩定性問題。

施工時，南京室外溫度在36～38℃。將泥漿場3 m3水配4包制漿劑（濃度約為3.23%）配制的新漿，添加到調漿池中調整泥漿的黏度。新漿剛配置出來時黏度為140 s，露天攪拌1 d后黏度降為23 s。為驗證制漿劑高溫下的不穩定性，選取多組泥漿在室外進行平行測定，制漿劑泥漿放置1 d后黏度降低較快，可見制漿劑泥漿在高溫下放置時穩定性較差。

高分子聚合物制漿劑調整泥漿黏度的原理是高分子聚合物與泥漿中活性顆粒（主要是黏粒）發生”架橋效應”，形成團聚體等，阻礙水分子自由運動，因此提高了泥漿的黏度。高分子聚合物在高溫下不穩定，分子鏈可能會斷裂、分解。這是泥漿黏度降低的主要原因。聚合物變得不穩定后，失效的聚合物會阻礙新的聚合物與黏粒接觸的機會。因此，向黏度已經降低的調漿池中繼續添加制漿劑，對提高泥漿的黏度效果不明顯。

當盾構機正常掘進時，由于泥漿循環較快，可以使用制漿劑泥漿；當盾構機因檢修等原因較長時間停止掘進時，建議使用穩定性好的膨潤土泥漿。

2）制漿劑的添加方式

采用制漿劑調制泥漿時，制漿劑的添加方式不同，效果和添加量也不同。目前常見的添加方式有直接添加制漿劑干粉和添加制漿劑溶液2種。試驗室內分別對2種添加方式的效果進行測試、對比，發現相同的添加量，采用添加制漿劑溶液達到的效果優于添加干粉，且更節省添加劑。

4　廢棄泥漿再利用成膜質量評價

4.1試驗材料

1）泥漿材料

以現場儲存的高黏粒含量的泥漿和粉土按不同比例混合，配出黏粒含量不同、相對密度相同的5組泥漿，模擬質量不同的廢漿，再以CMC（羧甲基纖維素鈉）溶液（與制漿劑相比，只改變泥漿黏度，不改變泥漿級配）將泥漿的黏度調得相同。泥漿的級配曲線和基本性質見圖2、表4。

圖2　5組泥漿的顆粒級配曲線

表4　5組泥漿的基本性質

2）試驗地層

采用南京長江隧道滲透系數最大、最危險的⑩礫砂地層，滲透系數約為（3～5）×10-2cm/s。

4.2黏粒含量對泥漿物理穩定性的影響

在泥水盾構施工中，泥漿的主要作用是在開挖面形成微透水的泥膜保證開挖面的穩定，同時將掘削下來的土砂運送排放出來。泥漿要很好地發揮上述作用，良好的物理穩定性是必備特性之一，通常以置于量筒中一定量的泥漿經過一段時間的析水率來表示，析水率越小泥漿的物理穩定性越好。

在相對密度和黏度相同時，隨著泥漿中黏粒含量的增加，泥漿的析水率明顯減小，即泥漿的物理穩定性越來越好，見圖3。黏粒含量30%以上的泥漿2 h析水率很小，不足10%；黏粒含量20%以下的泥漿2 h析水率比較大，超過了30%，會影響到泥漿的成膜質量及渣土的運送。這是由于黏土顆粒很小，沉降非常緩慢且比表面積較大，帶有負電荷，分散性非常好，所以泥漿黏粒含量較高時泥漿的物理穩定性好。

圖3　泥漿析水率隨泥漿黏粒含量變化曲線

4.3黏粒含量對添加劑添加量的影響

本試驗的泥漿增黏劑選用CMC。采用激光粒度儀測試加CMC溶液前后泥漿的級配，發現其幾乎不改變泥漿的級配，僅提高了泥漿的黏度。將5組相對密度相同的泥漿調至相同黏度時，CMC干粉用量隨泥漿黏粒含量變化曲線見圖4。天然泥漿的黏粒含量越高，調整泥漿黏度用的增黏劑越少；黏粒含量低于20%的泥漿比黏粒含量30%以上的泥漿增黏劑用量高出2倍以上。

圖4　添加劑添加量隨泥漿黏粒含量變化曲線

4.4泥漿黏粒含量對泥水盾構成膜質量的影響

室內模擬南京長江隧道泥水盾構實際穿越⑩礫砂地層時高滲透性和高壓力的情景，以5組黏粒含量不同的泥漿，分別在自制的泥漿滲透成膜試驗裝置中進行滲透成膜試驗。5組泥漿濾水量隨時間的變化曲線見圖5。1～5號泥漿成膜時的濾水量依次增大，其中1～4號泥漿濾水量較小且在較短的時間滲透穩定，而5號泥漿濾水量比前面4組泥漿大得多且較長時間之后泥漿滲透才趨于穩定。因此，泥漿黏粒含量越大，成膜時濾水量越小，泥漿達到滲透穩定的時間越短，則泥膜形成越致密，質量越好。當黏粒含量低于20%以后，泥漿成膜的濾水量明顯變大，且達到穩定的時間也變長，形成的泥膜質量也較差。

圖5　泥漿濾水量隨時間的變化曲線

5　工程應用情況

南京長江隧道穿越淤泥質粉質黏土地層278 m，粉細砂地層長1 978 m，礫砂地層517.5 m，圓礫地層50 m。前期盾構穿越淤泥質粉質黏土地層中產生的大量廢漿，排放至附近征用的魚塘進行存貯，穿越后續地層時將漿液抽排至泥漿池與膨潤土漿液進行混合調配，制造出適合后續地層掘進的泥漿。通過該項措施，重復利用廢棄泥漿約50 000 m3，既有效地解決了廢漿排放問題，又節約了制漿材料。

6　結論與建議

1）泥漿的黏土顆粒含量可以作為泥水盾構掘進中泥漿調整的一個指標。施工中采用黏粒含量較高的泥漿，不僅泥漿物理穩定性好，有利于泥漿成膜和渣土運送，而且可以節約大量的增黏劑等制漿劑，既經濟又環保。

2）由于制漿劑在高溫下性質不穩定，因此建議：當盾構機正常掘進時，由于泥漿循環較快，可以使用制漿劑泥漿；當在盾構機檢修等較長時間停止掘進時，建議使用穩定性好的膨潤土泥漿。

3）使用制漿劑時，添加制漿劑溶液的效果優于直接添加干粉，制漿劑的用量也少一些，但應注意溶液現場攪拌的效果。

4）南京長江隧道掘進礫砂地層時，為保證泥漿性質穩定和成膜良好，應將泥漿的黏粒含量控制在30%以上。掘進中通過回打穿越淤泥質粉質黏土層時儲存的黏土泥漿來補充泥漿黏粒，既可以節約成本，又減少了廢棄泥漿占地面積。

5）由于廢漿存儲需要很大的場地，實施前需對周邊場地進行充分調查，確定方案實施的可行性。

［1］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.

［2］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）：288-292.

［3］閔凡路，朱偉，王守慧，等.泥水盾構開艙時泥漿配制及泥膜形成試驗研究［C］//第五屆中日盾構隧道交流會論文集.成都：西南交通大學出版社，2009：559-564.

［4］范英宏，洪蔚，侯世全.京滬高速鐵路廢棄泥漿化學脫穩與分離處理的試驗研究［J］.鐵道建筑，2009（11）：59-60.

［5］范英宏，洪蔚，侯世全，等.鐵路橋梁鉆孔樁泥漿黏度及流變特性研究［J］.鐵道建筑，2011（6）：55-57.

（責任審編李付軍）

Research on Reuse of High Quality Mud from Treated Waste Muck in Construction of Tunnel with Large Diameter Slurry Shield

KONG Yuqing
（China Railway 14th Bureau Group Corporation，Jinan Shandong 250014，China）

T he paper took Nanjing Yangtze River T unnel as the study object and performed analysis，experiments and on-site verification to the reuse of high quality mud from treated waste muck in construction of tunnel with large diameter slurry shield to gravel stratum.On this basis，it proposed the technique for the preparation of mud film，well suited for the slurry and the stratum at the same time.As waste mud was properly reused in slurry shield construction，the practice helps cut the engineering cots，reduce slurry emission and protect the environment.

Slurry shield；M ud；Gravel stratum；Reuse

U455.49

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.20

1003-1995（2016）10-0075-04

2016-04-02；

2016-06-09

孔玉清（1979—），男，高級工程師。