含鹽地層頂管潤滑泥漿抗鹽及抗滲性能試驗研究

周千淼， 張 濤， 肖岸峰， 王劍鋒, ， 張 鵬, *

(1. 中國地質大學(武漢)工程學院， 湖北 武漢 430074； 2. 上海公路橋梁(集團)有限公司， 上海 200433)

0 引言

頂管法是一種非開挖管道鋪設方法，施工中由頂管機頭刀盤回轉切削地層，始發井千斤頂施加頂進力，逐節將管道頂入地層，具有施工深度大、對周圍環境影響小、成本低等優點。在頂進過程中，管節與地層之間的摩阻力是導致頂進力增大的重要原因[1]，對此，可以使用泥漿進行潤滑減阻。理想情況下，泥漿可以完全包裹管道，管道與地層由固-固接觸轉化為固-液-固接觸。在含鹽地層中進行頂管施工，由于地層鹽侵的作用，泥漿會出現黏度下降和漏失量增大等問題，導致泥漿套無法形成，潤滑失效[2]。例如： 黃水東調二期穿越某河流的頂管工程處于山東省濰坊地區，該地區自20世紀80年代起受海水入侵嚴重，地層水礦化度較高[3]，存在潤滑泥漿失穩的問題。

為解決鹽侵泥漿問題，國內學者開展了有關研究。王福芝等[4]通過正交試驗優選出抗鹽潤滑泥漿配方，并成功應用于港珠澳大橋拱北隧道管幕頂管施工。林俊宇[5]通過室內配伍性試驗，研究了鉆井泥漿體系對鈣離子的抵抗能力。劉晶晶等[6]通過試驗得到一種以海水作為配漿水、黃原膠作為增黏降濾失劑的海水泥漿，減少了咸水淡化費用。在抗鹽漿材方面，陶懷志[7]、朱騰[8]、李占國等[9]進行了高分子抗鹽降濾失劑的開發，研發的多元共聚物加入鉆井泥漿中具有抗單種鹽侵或復合鹽侵的能力。在注漿減阻方面，王春婷等[10]分析了泥漿滲透方式和潤滑原理。王雙等[11]考慮了管段在泥漿套中的位置狀態，針對不同形式的泥漿套提出了更接近實際情況的摩阻力計算方法。綜上所述，有關抗鹽泥漿的研究在鉆井液和漿材方面比較豐富，但針對頂管潤滑泥漿在砂層中的抗鹽、抗滲性能卻鮮有研究。

本文結合頂管相關技術規范[12-13]中對潤滑泥漿的性能要求，選用凹凸棒土等抗鹽漿材，以高黏度、低濾失量作為泥漿控制指標配制抗鹽潤滑泥漿，并通過抗鹽試驗和抗滲試驗分析不同陽離子的鹽侵特點和泥漿在不同粒徑地層中的抗滲效果，以期為頂管工程提供指導。

1 鹽侵原理及抗鹽方法

黃水東調二期穿越某河流的頂管工程施工穿越地層水質分析報告如表1所示。地層水最高礦化度為67 g/L，屬于鹽水—鹵水范圍；現場配漿使用的河水為“Cl-Mg-Na”型水質，其最高礦化度為11 g/L，屬于強咸水。因此，高含鹽地層中大量Mg2+、Ca2+、Na+等陽離子會抬高泥漿膠體ζ電位，并吸附在黏土顆粒表面或進入層間進行離子交換，縮小泥漿與造漿黏土的電位差，即壓縮雙電子層厚度，導致黏土顆粒水化膜變薄，擴散層半徑急劇減小，出現膠體率下降、濾失量增加、黏度下降等問題。這種狀態的泥漿無法滿足防滲和潤滑要求[14]。

對此，應在3方面改良泥漿性能： 1)提高降濾失性，使用降濾失劑可以吸附在泥漿顆粒表面以阻止泥漿顆粒絮凝，有利于形成致密的泥皮。2)提高黏度，通過加入高分子增黏劑與泥漿顆粒形成的網狀結構，提高泥漿分散度，起到支撐管節和地層的作用。3)提高配漿水礦化度，以縮小泥漿與管周土體的陽離子質量濃度差。

表1 復合鹽水中各陽離子質量濃度對照表

2 泥漿配制

2.1 抗鹽泥漿性能要求

為保證泥漿受鹽侵后能滿足頂管施工需求，結合頂管潤滑泥漿及鹽侵特點，對泥漿性能要求如下： 鹽侵前黏度>60 s，失水量小于15 mL/30 min，24 h無離析水，黏附系數轉矩值小于5 N·m；鹽侵后黏度>30 s，失水量小于25 mL/30 min，膠體率大于95%，NF-2轉矩儀測得黏附系數小于0.035[12-13]。

2.2 配漿材料

1)選擇安徽產200目提純凹凸棒土和山東濰坊產工業級膨潤土，其中凹凸棒土屬于海泡石族礦物，常規條件下其顆粒片狀程度較低，故造漿性能不如膨潤土，但凹凸棒土特殊的內部構造使其鹽侵前后的水化膨脹能力幾乎不變[15]。

2)使用抗鹽性能較好的黃原膠、HV-CMC(高黏度那羧甲基纖維素)作為的增黏劑，LV-CMC(低黏度那羧甲基纖維素)為降濾失劑，NaOH作為 pH調節劑，各材料純度均為分析級。

2.3 造漿黏土配比

本配方通過凹凸棒土與膨潤土配合使用的方法彌補凹凸棒土水化能力差的缺點。將配置好的泥漿靜止水化12 h后進行配比，試驗結果見表2。由表可知，泥漿性能隨著凹凸棒土加量增加而緩慢提升，考慮到2種材料的特點以及成本，確定配比為1∶1。

表2 不同的黏土配比對泥漿性能的影響

結合國內工程經驗，本配方造漿黏土加量范圍擬定為8%～14%，配漿并水化12 h后加量試驗結果如表 3所示。分析認為,2種造漿黏土加量增加導致漏斗黏度和動切力大幅度上升，這有利于發揮潤滑泥漿承載管道作用，但黏度過高會導致泵送困難和成本上升。綜合分析確定凹凸棒土與膨潤土加量各5%，NaOH加量0.35%。

表3 不同的黏土加量對泥漿性能的影響

2.4 增黏劑和降濾失劑單劑優選

為突出增黏劑和降濾失劑的抗鹽效果，本試驗將造漿黏土總加量設定為6%，并使用與現場河水礦化度相同的配漿水(下文簡稱配漿水)。增黏劑和降濾失劑加量范圍為0.2%～1.0%，加量梯度為0.2%。主要測試泥漿的膠體率、漏斗黏度和濾失量,得到結果如圖 1—3所示。由圖可知，HV-CMC對泥漿的黏度和降濾失性的改善最明顯，故可以選擇HV-CMC為增黏劑和降濾失劑，加量擬定0.8%。由此可以得到泥漿配方為： 配漿水+5%加量凹凸棒土+5%加量膨潤土+0.35%加量NaOH+0.8%加量HV-CMC。

XC為黃原膠。

圖2 3種增黏降濾失劑對漏斗黏度的影響

圖3 3種增黏降濾失劑對濾失量的影響

3 泥漿抗鹽侵性能試驗

為研究抗鹽性能，按照上述配方配漿并預水化12 h后，以表 1中模擬地層含鹽量對應加量為最大加量，向泥漿中加入梯度質量百分比的復合鹽粉末，攪拌30 min后測試得到的性能參數如表 4所示。在最高質量濃度復合鹽侵下，本配方性能達到2.1節要求。鹽侵主要表現為漏斗黏度、動切力下降，濾失量上升；鹽侵質量濃度對抗鹽泥漿的影響是非線性的： 復合鹽加量由0增至2%時漏斗黏度下降了37.8 s，濾失量增加6 mL/30 min；鹽加量由2%增至6.7%，漏斗黏度下降5.9 s，濾失量增加4 mL/30 min，泥漿性能不再隨復合鹽加量增加而大幅度下降。

表4 復合鹽侵對抗鹽泥漿的影響

單種陽離子對抗鹽泥漿的影響見表 5。通過進一步的單一陽離子鹽侵試驗可以發現，3種鹽對泥漿的影響差別較大。由表可知，泥漿抗Ca2+濃度最大為7.207 mol/L，而Na+、Mg2+濃度分別達到78.632、11.823 mol/L時泥漿仍滿足各項指標要求。這是由于Ca2+、Mg2+價位更高，對雙電子層的壓縮能力更強，并且Ca2+本身水化能力最弱，所以Ca2+鹽侵對泥漿影響最大，Mg2+其次,Na+最弱。

表5 單種陽離子對抗鹽泥漿的影響

4 抗滲性能研究

4.1 試驗方案及設備

通過API中壓濾失儀抗漏失試驗可以證明抗鹽泥漿在鹽侵條件下良好的降濾失性。然而,頂管施工中管周地質條件復雜于濾紙表面，泥漿的真實滲透量無法通過該試驗表示。對此，以表1所示含鹽量配置地層水對泥漿進行鹽侵，并制備3種級配的飽和砂樣，依據表 6試驗參數，使用滲透儀進行試驗。其中，對照組普通泥漿鹽侵前漏斗黏度大于70 s，API濾失量小于5 mL/30 min。3種砂樣級配如圖4—6所示。

表6 注漿抗滲試驗參數表

圖4 樣品1砂樣級配圖

圖5 樣品2砂樣級配圖

圖6 樣品3砂樣級配圖

參考蘇立君等[16]、朱崇輝[17]使用的滲透量測試儀，本試驗設計的滲透設備如圖7所示，由框架、亞克力管道、密封端蓋和壓力系統組成，最大試驗壓力500 kPa。其工作原理如圖8所示，通過調壓閥控制氮氣罐輸出氣壓，將泥漿經由管道注入含鹽量為6.7%的地層水(見表1)浸泡的飽和砂樣中，并使用量筒和電子天平實時記錄滲透量變化。

圖7 滲透儀組件實物圖

圖8 滲透儀組件原理圖

4.2 試驗結果分析

滲透試驗結果如圖9—11所示。通過分析泥漿滲透量曲線可以發現，抗鹽泥漿滲透主要發生在泥皮和滲透帶形成之前，泥皮形成后，滲透量僅在壓力梯度增加時產生小幅度上升；而普通泥漿滲透量普遍較大，且曲線形態在不同粒徑地層中有很大區別。

圖9 砂樣1中3種漿水抗滲性能對比

圖10 砂樣2中3種漿水抗滲性能對比

(a)

在砂樣1中，鹽侵后的普通泥漿滲透量達到2 177 mL，這是由于砂樣1滲流通道直徑較大，受鹽侵的泥漿顆粒黏度低，滲透速率快，難以在滲流通道中形成橋接。而在砂樣2和砂樣3的試驗中，絮凝狀泥漿顆粒堆積在砂樣上方，形成的松散泥皮無法阻止泥漿中的水繼續漏失，在調壓期間出現滲透量激增現象。

相較于普通泥漿，鹽侵后的抗鹽泥漿滲透速率下降更快，能夠短時間內堵塞砂樣滲流通道并形成具有阻流作用的滲透帶；并且由于泥漿分散度更高，泥漿顆粒可以在砂樣表面形成致密的泥皮，起到抗壓抗滲的作用。如圖11所示，在砂樣3中僅注漿壓力增加瞬間滲透量發生少量增加，其他時間泥漿不發生滲透，總滲透量小于50 mL，抗滲效果良好。

綜合分析認為，泥漿滲透量受泥漿抗鹽能力和地層粒徑2方面影響，抗鹽泥漿在砂樣1的滲透量是砂樣3的17.8倍。因此，施工中需注意泥漿與地層的匹配性，如在粗砂層中注漿可在泥漿中添加適量細砂作為骨架材料，更有利于形成泥皮和抗滲滲透帶。

5 結論與討論

1)凹凸棒土-膨潤土頂管潤滑泥漿具有抗鹽效果好、高黏度、低濾失量的特點，在鹽侵試驗中各項指標能達到要求，可以應用于含鹽地層頂管工程。

2)泥漿性能在受到鹽侵時表現為先快速下降后趨于穩定的趨勢，且抗滲性和黏度受鹽侵影響最大。不同價位陽離子鹽侵能力不同，Na+通過縮小電位差壓縮擴散層；而Mg2+、Ca2+離子在縮小電位差的同時減少擴散層中的離子個數，擴散層被壓縮更嚴重，鹽侵能力更強。

3)在中粗砂層注漿中，提高泥漿的黏度和分散度有利于降低泥漿顆粒的滲流速率、堵塞滲流通道。并且在不同粒徑的砂層中泥漿的抗滲能力相差很大，建議施工前進行抗滲試驗，分析泥漿與地層的匹配效果，使室內試驗更具有現場指導意義。

4)本文對含鹽地層頂管泥漿材料進行了室內研究，泥漿材料對頂管施工至關重要，下一步準備結合工程案例進行應用研究，并將頂管泥漿拓展到各地層的應用中。