盾构施工中防喷涌泥浆的制备与性能研究

时间：2024-12-27

张启珲，刘相华，唐梦蝶，郑玉涛，孙杰，马新伟

（1.哈尔滨工业大学海洋工程学院，山东威海 264209；2.济南城建集团有限公司，济南 250031）

0 引言

随着地铁建设工程蓬勃发展，促进了盾构施工技术的发展，而在盾构施工中，地下水问题是引发工程事故的首要因素[1]。但在现代化的盾构机械问世后，因为施工人员避免了与渗水、透水的开挖面直接接触，所以发生工程事故的几率大大降低。盾构机械在隧道施工中起到支撑起周围土层，防止坍塌的作用，并通过施工建设巩固挖掘后的部分，从而顺利进行隧道建设[2]。

虽然盾构机降低了地下水对施工的部分影响，但由于在带压进仓时需要有高性能、高质量的泥膜护壁来支撑开挖面，而传统泥浆存在粘度小、致密性差、易脱落等诸多缺点，因此提高泥浆的性能对盾构施工技术的发展有重要意义[3，4]。

近些年，国内外学者在泥膜护壁问题中都做了相当多的研究。在首个土压平衡盾构（EPB）隧道工程中，G.Wayne Clough验证了其沉降比传统盾构工程少且地下水位不会受隧道开挖的影响[5]。并对华盛顿特区三个软土地基隧道工程中的EPB盾构施工技术进行分析，在没有进行化学灌浆的砂土覆盖区，顶部有粘土或者进行化学灌浆的情况下可以减少地面沉降[6]。广州地铁盾构技术研究所在富水复合地层进行了历时25年、数量在350台次以上的实践，表明在富水砂卵石地层中，由于地下水含量丰富以及土层中存在大直径卵石导致土层的级配比差，盾构机施工速度缓慢，出现超挖现象使开挖面与管片之间形成空隙，导致地表沉降进而影响到地面上部的建筑物及构筑物[3]。而在盾构机掘进过程中，有可能出现“滞排”现象[7]，需带压进仓，必须同时考虑喷涌、渗水问题，针对这一问题广州轨道交通监理公司与佛山市泰迪斯材料有限公司联合在2015年研制出了盾构施工辅助材料，并由竺维彬正式将其命名为“衡盾泥”[8]。李茂松结合兰州轨道交通1号线，通过对“衡盾泥”的拌制、施工研究，提高了泥浆的稳定性和隔水性[9]。谢铁军通过长沙某电力隧道验证了“衡盾泥”在富水砂卵石底层辅助施工的可能性[3]。万维燕通过对广州八号线8标段盾构区间地质研究，得出采用“衡盾泥”辅助带压进仓作业提高了施工安全性的结论[10]。

但由于在进行带压进仓时需要同时考虑泥膜护壁、地下水的喷涌、渗水等问题，因此文中在以上学者的研究基础上，对护壁泥浆进行改良，沿用“双液浆”的配制思路，采用膨润土、石粉作为主要原材料，掺入不同的助剂，以粘度、密度、泌水率为主要指标，得到辅助浆料适用于不同环境下的最佳材料组成及最优配合比。

1 试验方案设计

由于试验中变量较多，如果进行全面试验则会出现试验次数过多的问题，所以通过控制变量法来进行。

泥浆分为A液与B液，分别对A液与B液进行研究，并测出在各种材料的不同配合比下新型防喷涌泥浆的物理性质、工程性质，从而得出适用于不同环境下的最佳材料组成及最优配合比。首先通过控制变量法测出A液在用水量、膨润土及石粉用量等因素变化时粘度、密度、泌水率的变化，然后选择合适的增稠剂掺入A液中并测量粘度指标，以粘度为依据选择合适的增稠剂；在选择好增稠剂后同样用控制变量法测出加入B液后的泥浆在增稠剂相对掺入量等因素变化时粘度、密度的变化，由此确定增稠剂的品种及用量。

通过控制变量法完成泥浆B液全部试验后，分析试验数据，根据粘度等指标选取合适的泥浆A液配合比及泥浆B液掺入量，配置出合适的和泥浆A液B液混合后泥浆，即完整的防喷涌泥浆，再测试其稠度、密度等指标，并结合泥浆B液试验所得粘度等数据综合考量其性能。

2 试验所用材料

2.1 膨润土

膨润土的主要矿物成分是蒙脱石，由于蒙脱石独特的层浆晶体结构，可以把游离水分子吸收到晶体层间，导致层间距增大，体积膨胀[11，12]。用于该类泥浆时，可以吸收泥浆中的游离水，可以使泥浆在短时间内稠化。文中选择钠基膨润土作为主要原材料之一，对两种膨润土进行粒径分析，如图1所示。

图1 膨润土粒径分析

由图1可知，一级膨润土中粒径在10μm以内的颗粒的占比超过50%，而二级膨润土中粒径在10μm以内的颗粒的占比不足50%，且一级膨润土中粒径在1～5μm的颗粒的占比二级膨润土中1～5μm的颗粒的占比要高。一级膨润土的中位径为7.546μm，二级膨润土的中位径为12.48μm。综合判断采用一级膨润土较好。

2.2 石粉

石粉在防喷涌泥浆中起到填充作用。由于石粉颗粒对水的吸附力较弱，加入石粉可以减小用水量；在不减小用水量时还可以增大泥浆的流动性。石粉的粒径分析如图2所示。

图2 石粉粒径分析

由图2可知，石粉中粒径在20μm以内的颗粒的占比不足40%，小于一级膨润土与二级膨润土中20μm以内的颗粒的占比。石粉的中位径为27.36μm，大于一级膨润土与二级膨润土的中位径。

2.3 增稠剂和增粘剂

防喷涌泥浆试验中所用到的增稠剂有羧甲基纤维素（CMC）、羟丙基甲基纤维素（HPMC）、低分子量聚丙烯酸钠、中分子量聚丙烯酸钠、高分子量聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、黄原胶、瓜尔豆胶，这些增稠剂呈固体粉末状或固体颗粒状，在不同程度上提高了泥浆粘度。

2.4 无水乙醇

用水作为增稠剂的载体制作B液时，增稠剂快速吸水稠化。且少量的增稠剂就需要大量的水，无形中在混合泥浆中额外带入了大量的水，对泥浆的最终稠化是不利的。因此试验中采用无水乙醇作为载体制备悬浮液作为B液，增稠剂不溶于乙醇，少量的无水乙醇即可携带较多的增稠剂，以更好地满足材料制备及施工需要。所用无水乙醇中乙醇的质量分数≥99.7%。

3 试验过程

3.1 防喷涌泥浆A液制备及性能

制备A液时，首先将膨润土与石粉等固体粉料充分混合，将粉料先快后慢倒入水中。为了保证A液的流动性，便于泵送，通过探索性试验，确定A液中石粉与膨润土之比的合适范围为6：4到8：2之间，各配比下加入相应量的水，以确保粘度在合适的范围。

3.1.1 A液组成对粘度的影响

试验采用NDJ-9S型粘度仪，采用3号转子、30rpm转速测量A液石粉与膨润土各适宜配比下的粘度如图3所示。

图3 各配比下粘度曲线（3号转子转速30rpm）

由图3可以看出，在一定范围内各配比下水固比越大，即水的相对用量越多，粘度越小。当膨润土和水的用量比为1：6时，石粉的用量为自变量（分别为240、140、90g），再加两组石粉用量为40、65g，做出粘度随石粉用量的变化曲线，如图4所示。

图4 泥浆A液粘度随石粉用量关系曲线（3号转子转速30rpm）

当石粉用量40g时，经充分搅拌后泥浆仍不具有流动性，其粘度极大，因此认为不符合实际要求，不进行粘度分析；石粉用量65g时，经过充分搅拌后泥浆具有一定流动性，但其自然流下时呈扁平状，不能成股流下，可近似认为此石粉用量是使泥浆初具流动性的临界点。由图4可以看出，其他组分不变时，在一定范围内石粉用量越多，泥浆粘度越小。

3.1.2 密度

由于对A液和B液分开制备，但施工时需要将二者混合，混合后的密度、粘度都会增大，需要具有一定的流动性，否则影响泵送，因此需要研究密度和膨润土与石粉的比例关系。

采用NB-1型泥浆比重计测量泥浆密度，进行密度分析。由文中粘度试验可知石粉与膨润土之比为8：2时，粘度和水固比基本呈线性变化，因此来进行密度分析试验，分组测得各组如表1所示。

表1 泥浆A液密度测试数据

将1～3组做对比，即石粉与膨润土用量固定，可以看出在一定范围内用水量越大，泥浆密度越小。

将1、4、5组做对比，即固体粉料和为300g、水量为300g时，可以看出在一定范围内膨润土和石粉的比例越大，泥浆密度越大。

3.1.3 泌水率

由于在试验过程中发现泥浆A液出现泌水现象，因此需要测量泌水率。

设置五组试验，分别测量泌水率和用水量的关系及膨润土与石粉的比例和泌水率的关系见表2。

表2 泥浆A液泌水率测试数据

将1～3组数据做对比，可以看出在一定范围内用水量越大，泥浆泌水率越小。

将1、4、5组数据做对比，可以看出在一定范围内膨润土和石粉的比例越大，泥浆泌水率越小。

3.2 防喷涌泥浆B液制备

B液主要起到使A液稠化的作用，由增稠剂和载体物质组成。当以水作为载体时，由于增稠剂快速溶于水，并使大量的水稠化，所以少量的增稠剂就需要大量的水，而大量的水与A液混合后并不利于混合泥浆的稠化。因此试验中尝试用无水乙醇作为B液的载体。

试验表明无水乙醇与B组分粉料混合形成悬浮液，因为B组分粉料不溶于无水乙醇因此不会增大B液粘度，能够达到泵送要求；同时又使得B液本身不具有水分，相当于减少了A液与B液掺和后泥浆中的水分，增强了泥浆性能；而且仅需要少量无水乙醇就可以制得B液。

值得注意得是，由于B液在配置完成后是悬浮液，因此在泵送之前需要搅拌使粉料均匀分布在液体中，然后尽快泵送，同时要注意无水乙醇具有挥发性。

此外，为了使B液更粘稠，通过分别加入羧甲基纤维素（CMC）、羟丙基甲基纤维素（HPMC）观察B液泥浆粘度，如图5所示，经对比发现HPMC增粘性能优于CMC，决定加入HPMC。

图5 加入CMC和HPMC对比曲线

3.3 防喷涌泥浆B液加入A液

在确定了A液合适的配合比及B液合适的配料后，因为B液中固体粉料成分单一，且A液合适的配合比范围较小，因此采用控制变量法，选出3种合适的A液配合比，在每种配合比下加入三种不同量的B液，进行9组试验。

3.3.1 粘度

第一种A液石粉与膨润土的质量比为6：4，泥水比为1：2.6，B液无水乙醇与HPMC的质量比为5：1。第一种3组A液和B液掺和后测得泥浆粘度见表3。

表3 第一种A液B液掺和后测得的泥浆粘度（转子：4号）

第二种情况为A液石粉与膨润土的质量比为7：3，泥水比为1：1.8，B液无水乙醇与HPMC的质量比为6：1。第二种3组A液和B液掺和后测得泥浆粘度见表4。

表4 第二种A液B液掺和后测得的泥浆粘度（转子：4号）

第三种情况为A液石粉与膨润土的质量比为8：2，泥水比为1：0.9，B液无水乙醇与HPMC的质量比为16：3。第三种3组A液B液掺和后测得的泥浆粘度见表5。

表5 第三种A液B液掺和后测得的泥浆粘度（转子：4号）

由表3～表5可知在A液中石粉占比相对其他组较多，水占比相对其他组较少的情况下，在不增加HPMC的用量的基础上，泥浆粘度相对较大，性能也更好，同时泥浆中水分较少也有利于充分发挥泥浆性能，因此认为第三种配合比较为适宜。第三种A液B液掺和后测得的泥浆粘度和B液与A液质量比关系曲线见图6。

图6 泥浆粘度和B液与A液质量比关系曲线

由图6可得，在一定范围内B液与A液质量比越大，泥浆粘度越大，且该组泥浆的粘度明显大于第一种泥浆和第二种泥浆的粘度。

3.3.2 密度

由于在一定范围内B液中HPMC越多会导致泥浆密度越小，体积越来越大，因此要控制HPMC的含量，防止出现密度过小的情况，同时也要考虑粘度即HPMC含量少导致粘度过小，从而无法满足工程要求。往含有240g石粉、60g膨润土、300g水的A液中掺入无水乙醇掺入量固定的B液后测得的泥浆密度与B液中HPMC的含量关系曲线见图7。

图7 泥浆密度与B液中HPMC的含量关系曲线

由图7可以看出一定范围内B液中无水乙醇与HPMC的质量比为16：3较为适宜。

综上可得，防喷涌泥浆A液中膨润土与石粉的最佳比例为8：2，泥浆中A液的最佳泥水比在1：0.8到1：1.0之间，在泥浆满足A液膨润土与石粉的比例为8：2、泥水比在1：0.8～1：1.0之间、B液中无水乙醇与HPMC的质量比为16：3的情况下，防喷涌泥浆B液与A液的质量比在0.03～0.05之间较为适宜。