盾構施工中防噴涌泥漿的制備與性能研究

張啟琿， 劉相華， 唐夢蝶， 鄭玉濤， 孫杰， 馬新偉

（1.哈爾濱工業大學海洋工程學院，山東 威海 264209；2.濟南城建集團有限公司，濟南 250031）

0 引言

隨著地鐵建設工程蓬勃發展，促進了盾構施工技術的發展，而在盾構施工中，地下水問題是引發工程事故的首要因素[1]。但在現代化的盾構機械問世后，因為施工人員避免了與滲水、透水的開挖面直接接觸，所以發生工程事故的幾率大大降低。盾構機械在隧道施工中起到支撐起周圍土層，防止坍塌的作用，并通過施工建設鞏固挖掘后的部分，從而順利進行隧道建設[2]。

雖然盾構機降低了地下水對施工的部分影響，但由于在帶壓進倉時需要有高性能、高質量的泥膜護壁來支撐開挖面，而傳統泥漿存在粘度小、致密性差、易脫落等諸多缺點，因此提高泥漿的性能對盾構施工技術的發展有重要意義[3，4]。

近些年，國內外學者在泥膜護壁問題中都做了相當多的研究。在首個土壓平衡盾構（EPB）隧道工程中，G.Wayne Clough驗證了其沉降比傳統盾構工程少且地下水位不會受隧道開挖的影響[5]。并對華盛頓特區三個軟土地基隧道工程中的EPB盾構施工技術進行分析，在沒有進行化學灌漿的砂土覆蓋區，頂部有粘土或者進行化學灌漿的情況下可以減少地面沉降[6]。廣州地鐵盾構技術研究所在富水復合地層進行了歷時25年、數量在350臺次以上的實踐，表明在富水砂卵石地層中，由于地下水含量豐富以及土層中存在大直徑卵石導致土層的級配比差，盾構機施工速度緩慢，出現超挖現象使開挖面與管片之間形成空隙，導致地表沉降進而影響到地面上部的建筑物及構筑物[3]。而在盾構機掘進過程中，有可能出現“滯排”現象[7]，需帶壓進倉，必須同時考慮噴涌、滲水問題，針對這一問題廣州軌道交通監理公司與佛山市泰迪斯材料有限公司聯合在2015年研制出了盾構施工輔助材料，并由竺維彬正式將其命名為“衡盾泥”[8]。李茂松結合蘭州軌道交通1號線，通過對“衡盾泥”的拌制、施工研究，提高了泥漿的穩定性和隔水性[9]。謝鐵軍通過長沙某電力隧道驗證了“衡盾泥”在富水砂卵石底層輔助施工的可能性[3]。萬維燕通過對廣州八號線8標段盾構區間地質研究，得出采用“衡盾泥”輔助帶壓進倉作業提高了施工安全性的結論[10]。

但由于在進行帶壓進倉時需要同時考慮泥膜護壁、地下水的噴涌、滲水等問題，因此文中在以上學者的研究基礎上，對護壁泥漿進行改良，沿用“雙液漿”的配制思路，采用膨潤土、石粉作為主要原材料，摻入不同的助劑，以粘度、密度、泌水率為主要指標，得到輔助漿料適用于不同環境下的最佳材料組成及最優配合比。

1 試驗方案設計

由于試驗中變量較多，如果進行全面試驗則會出現試驗次數過多的問題，所以通過控制變量法來進行。

泥漿分為A液與B液，分別對A液與B液進行研究，并測出在各種材料的不同配合比下新型防噴涌泥漿的物理性質、工程性質，從而得出適用于不同環境下的最佳材料組成及最優配合比。首先通過控制變量法測出A液在用水量、膨潤土及石粉用量等因素變化時粘度、密度、泌水率的變化，然后選擇合適的增稠劑摻入A液中并測量粘度指標，以粘度為依據選擇合適的增稠劑；在選擇好增稠劑后同樣用控制變量法測出加入B液后的泥漿在增稠劑相對摻入量等因素變化時粘度、密度的變化，由此確定增稠劑的品種及用量。

通過控制變量法完成泥漿B液全部試驗后，分析試驗數據，根據粘度等指標選取合適的泥漿A液配合比及泥漿B液摻入量，配置出合適的和泥漿A液B液混合后泥漿，即完整的防噴涌泥漿，再測試其稠度、密度等指標，并結合泥漿B液試驗所得粘度等數據綜合考量其性能。

2 試驗所用材料

2.1 膨潤土

膨潤土的主要礦物成分是蒙脫石，由于蒙脫石獨特的層漿晶體結構，可以把游離水分子吸收到晶體層間，導致層間距增大，體積膨脹[11，12]。用于該類泥漿時，可以吸收泥漿中的游離水，可以使泥漿在短時間內稠化。文中選擇鈉基膨潤土作為主要原材料之一，對兩種膨潤土進行粒徑分析，如圖1所示。

圖1 膨潤土粒徑分析

由圖1可知，一級膨潤土中粒徑在10μm以內的顆粒的占比超過50%，而二級膨潤土中粒徑在10μm以內的顆粒的占比不足50%，且一級膨潤土中粒徑在1～5μm的顆粒的占比二級膨潤土中1～5μm的顆粒的占比要高。一級膨潤土的中位徑為7.546μm，二級膨潤土的中位徑為12.48μm。綜合判斷采用一級膨潤土較好。

2.2 石粉

石粉在防噴涌泥漿中起到填充作用。由于石粉顆粒對水的吸附力較弱，加入石粉可以減小用水量；在不減小用水量時還可以增大泥漿的流動性。石粉的粒徑分析如圖2所示。

圖2 石粉粒徑分析

由圖2可知，石粉中粒徑在20μm以內的顆粒的占比不足40%，小于一級膨潤土與二級膨潤土中20μm以內的顆粒的占比。石粉的中位徑為27.36μm，大于一級膨潤土與二級膨潤土的中位徑。

2.3 增稠劑和增粘劑

防噴涌泥漿試驗中所用到的增稠劑有羧甲基纖維素（CMC）、羥丙基甲基纖維素（HPMC）、低分子量聚丙烯酸鈉、中分子量聚丙烯酸鈉、高分子量聚丙烯酸鈉、聚丙烯酰胺、黃原膠、瓜爾豆膠，這些增稠劑呈固體粉末狀或固體顆粒狀，在不同程度上提高了泥漿粘度。

2.4 無水乙醇

用水作為增稠劑的載體制作B液時，增稠劑快速吸水稠化。且少量的增稠劑就需要大量的水，無形中在混合泥漿中額外帶入了大量的水，對泥漿的最終稠化是不利的。因此試驗中采用無水乙醇作為載體制備懸浮液作為B液，增稠劑不溶于乙醇，少量的無水乙醇即可攜帶較多的增稠劑，以更好地滿足材料制備及施工需要。所用無水乙醇中乙醇的質量分數≥99.7%。

3 試驗過程

3.1 防噴涌泥漿A液制備及性能

制備A液時，首先將膨潤土與石粉等固體粉料充分混合，將粉料先快后慢倒入水中。為了保證A液的流動性，便于泵送，通過探索性試驗，確定A液中石粉與膨潤土之比的合適范圍為6：4到8：2之間，各配比下加入相應量的水，以確保粘度在合適的范圍。

3.1.1 A液組成對粘度的影響

試驗采用NDJ-9S型粘度儀，采用3號轉子、30rpm轉速測量A液石粉與膨潤土各適宜配比下的粘度如圖3所示。

圖3 各配比下粘度曲線（3號轉子轉速30rpm）

由圖3可以看出，在一定范圍內各配比下水固比越大，即水的相對用量越多，粘度越小。當膨潤土和水的用量比為1：6時，石粉的用量為自變量（分別為240、140、90g），再加兩組石粉用量為40、65g，做出粘度隨石粉用量的變化曲線，如圖4所示。

圖4 泥漿A液粘度隨石粉用量關系曲線（3號轉子轉速30rpm）

當石粉用量40g時，經充分攪拌后泥漿仍不具有流動性，其粘度極大，因此認為不符合實際要求，不進行粘度分析；石粉用量65g時，經過充分攪拌后泥漿具有一定流動性，但其自然流下時呈扁平狀，不能成股流下，可近似認為此石粉用量是使泥漿初具流動性的臨界點。由圖4可以看出，其他組分不變時，在一定范圍內石粉用量越多，泥漿粘度越小。

3.1.2 密度

由于對A液和B液分開制備，但施工時需要將二者混合，混合后的密度、粘度都會增大，需要具有一定的流動性，否則影響泵送，因此需要研究密度和膨潤土與石粉的比例關系。

采用NB-1型泥漿比重計測量泥漿密度，進行密度分析。由文中粘度試驗可知石粉與膨潤土之比為8：2時，粘度和水固比基本呈線性變化，因此來進行密度分析試驗，分組測得各組如表1所示。

表1 泥漿A液密度測試數據

將1～3組做對比，即石粉與膨潤土用量固定，可以看出在一定范圍內用水量越大，泥漿密度越小。

將1、4、5組做對比，即固體粉料和為300g、水量為300g時，可以看出在一定范圍內膨潤土和石粉的比例越大，泥漿密度越大。

3.1.3 泌水率

由于在試驗過程中發現泥漿A液出現泌水現象，因此需要測量泌水率。

設置五組試驗，分別測量泌水率和用水量的關系及膨潤土與石粉的比例和泌水率的關系見表2。

表2 泥漿A液泌水率測試數據

將1～3組數據做對比，可以看出在一定范圍內用水量越大，泥漿泌水率越小。

將1、4、5組數據做對比，可以看出在一定范圍內膨潤土和石粉的比例越大，泥漿泌水率越小。

3.2 防噴涌泥漿B液制備

B液主要起到使A液稠化的作用，由增稠劑和載體物質組成。當以水作為載體時，由于增稠劑快速溶于水，并使大量的水稠化，所以少量的增稠劑就需要大量的水，而大量的水與A液混合后并不利于混合泥漿的稠化。因此試驗中嘗試用無水乙醇作為B液的載體。

試驗表明無水乙醇與B組分粉料混合形成懸浮液，因為B組分粉料不溶于無水乙醇因此不會增大B液粘度，能夠達到泵送要求；同時又使得B液本身不具有水分，相當于減少了A液與B液摻和后泥漿中的水分，增強了泥漿性能；而且僅需要少量無水乙醇就可以制得B液。

值得注意得是，由于B液在配置完成后是懸浮液，因此在泵送之前需要攪拌使粉料均勻分布在液體中，然后盡快泵送，同時要注意無水乙醇具有揮發性。

此外，為了使B液更粘稠，通過分別加入羧甲基纖維素（CMC）、羥丙基甲基纖維素（HPMC）觀察B液泥漿粘度，如圖5所示，經對比發現HPMC增粘性能優于CMC，決定加入HPMC。

圖5 加入CMC和HPMC對比曲線

3.3 防噴涌泥漿B液加入A液

在確定了A液合適的配合比及B液合適的配料后，因為B液中固體粉料成分單一，且A液合適的配合比范圍較小，因此采用控制變量法，選出3種合適的A液配合比，在每種配合比下加入三種不同量的B液，進行9組試驗。

3.3.1 粘度

第一種A液石粉與膨潤土的質量比為6：4，泥水比為1：2.6，B液無水乙醇與HPMC的質量比為5：1。第一種3組A液和B液摻和后測得泥漿粘度見表3。

表3 第一種A液B液摻和后測得的泥漿粘度（轉子：4號）

第二種情況為A液石粉與膨潤土的質量比為7：3，泥水比為1：1.8，B液無水乙醇與HPMC的質量比為6：1。第二種3組A液和B液摻和后測得泥漿粘度見表4。

表4 第二種A液B液摻和后測得的泥漿粘度（轉子：4號）

第三種情況為A液石粉與膨潤土的質量比為8：2，泥水比為1：0.9，B液無水乙醇與HPMC的質量比為16：3。第三種3組A液B液摻和后測得的泥漿粘度見表5。

表5 第三種A液B液摻和后測得的泥漿粘度（轉子：4號）

由表3～表5可知在A液中石粉占比相對其他組較多，水占比相對其他組較少的情況下，在不增加HPMC的用量的基礎上，泥漿粘度相對較大，性能也更好，同時泥漿中水分較少也有利于充分發揮泥漿性能，因此認為第三種配合比較為適宜。第三種A液B液摻和后測得的泥漿粘度和B液與A液質量比關系曲線見圖6。

圖6 泥漿粘度和B液與A液質量比關系曲線

由圖6可得，在一定范圍內B液與A液質量比越大，泥漿粘度越大，且該組泥漿的粘度明顯大于第一種泥漿和第二種泥漿的粘度。

3.3.2 密度

由于在一定范圍內B液中HPMC越多會導致泥漿密度越小，體積越來越大，因此要控制HPMC的含量，防止出現密度過小的情況，同時也要考慮粘度即HPMC含量少導致粘度過小，從而無法滿足工程要求。往含有240g石粉、60g膨潤土、300g水的A液中摻入無水乙醇摻入量固定的B液后測得的泥漿密度與B液中HPMC的含量關系曲線見圖7。

圖7 泥漿密度與B液中HPMC的含量關系曲線

由圖7可以看出一定范圍內B液中無水乙醇與HPMC的質量比為16：3較為適宜。

綜上可得，防噴涌泥漿A液中膨潤土與石粉的最佳比例為8：2，泥漿中A液的最佳泥水比在1：0.8到1：1.0之間，在泥漿滿足A液膨潤土與石粉的比例為8：2、泥水比在1：0.8～1：1.0之間、B液中無水乙醇與HPMC的質量比為16：3的情況下，防噴涌泥漿B液與A液的質量比在0.03～0.05之間較為適宜。

4 結語

文中沿用“雙液漿”的配制思路，采用膨潤土、石粉作為主要原材料，石粉在制備泥漿A液時不僅能夠起到增大泥漿流動性、減小泥漿粘度的效果，還能充分利用工業廢棄物，減少污染物排放。在防噴涌泥漿B液中用無水乙醇代替水既增強了泥漿性能，且B組粉料不溶于乙醇進而不會導致粘度增加，能夠達到泵送要求。

得到防噴涌泥漿中A液中膨潤土與石粉的最佳比例為8：2，A液的最佳泥水比在1：0.8～1：1.0之間，當在滿足A液膨潤土與石粉的比例為8：2、泥水比在1：0.8～1：1.0之間、B液中的無水乙醇與HPMC的質量比為16：3的情況下，泥漿中B液與A液的質量比在0.03～0.05之間較為適宜。