泥浆的性能参数在泥水平衡盾构施工中的应用

Application of Mud Performance Parameters in the Construction of Slurry Balance Shield

摘要: 泥浆对泥水平衡盾构的掘进效果影响巨大，泥浆应用技术的好坏直接影响工程进度、成本、安全、质量。系统研究了泥浆性能参数及其变化规律，以工程中常见的卵石、黏土、砂层为例，深入剖析了泥浆在不同环境下的应用实例。

Abstract: The mud had an important influence on the tunneling effect of the slurry balance shield. The quality of the mud application technology directly affected the project progress, cost, safety and quality. The mud performance parameters and its variation were systematically studied; by taking common pebbles, clay and sand layer in the project as an example, the mud application cases in different environments were systematically expounded.

1. 引言

泥浆在泥水平衡盾构中具有稳定开挖面、排渣、保护刀具等作用。施工中，泥浆应用不当，将造成刀具磨损速度加快，缩短刀具使用寿命，管路堵塞，泥浆循环系统不流畅等不良影响，延缓工程进度 [1] 。有时甚至会造成开挖面坍塌，地表出现沉降、建筑物塌陷，造成安全事故和国家财产的损失，影响工程的顺利贯通 [2] 。对泥浆性能参数及其变化规律进行研究，有利于快速、准确地在不同地层中对泥浆进行调整，使泥浆能满足施工的需要，保证工程顺利进行。

2. 泥浆性能参数及其变化规律

以膨润土、CMC、纯碱、正电胶、自来水为原料来配制掘进循环的泥浆并测试其关键性能，分析泥浆性能参数及其变化规律。

2.1. 膨润土对泥浆性能的影响

配制密度1.12 t/m³的泥浆，在其他成分质量分数不变的情况下，改变膨润土的质量分数，得出膨润土质量分数对泥浆黏度、屈服值的影响曲线，如图1所示。由图1可知，膨润土质量分数与泥浆黏度、屈服值呈近似抛物线关系，当膨润土质量分数增大至10.5%后，泥浆屈服值将急剧增长。

Figure 1. The effect of bentonite mass fraction on mud viscosity and yield value

图1. 膨润土质量分数对泥浆黏度、屈服值的影响

2.2. 纯碱对泥浆黏度的影响

配制密度1.12 t/m³的泥浆，在其他成分含量不变的情况下，改变纯碱的质量分数，可以得出纯碱质量分数对泥浆黏度的影响曲线，如图2所示。由图2可知，纯碱质量分数 < 0.5%时，泥浆黏度上升幅度小；纯碱质量分数在0.5%~0.6%时，泥浆黏度急剧上升。因此，在黏土掘进中，若要增大泥浆pH值，建议加入的纯碱质量分数小于0.5%。

Figure 2. The effect of pure alkali mass fraction on mud viscosity

图2. 纯碱质量分数对泥浆黏度的影响

2.3. CMC对泥浆黏度、屈服值的影响

配制密度1.12 t/m³的泥浆，在膨润土及纯碱质量分数不变的情况下，改变CMC的质量分数，可以得出CMC质量分数对泥浆黏度、屈服值的影响曲线，如图3所示。

Figure 3. The effect of CMC mass fraction on mud viscosity and yield value

图3. CMC质量分数对泥浆黏度、屈服值的影响

2.4. 正电胶对泥浆黏度、滤失水量、屈服值的影响

配制密度为1.12 t/m³的泥浆，测出黏度与滤失水量，做正电胶与泥浆黏度、屈服值、滤失水量的曲线关系图，如图4、图5所示。由图4可知，在正电胶质量分数在0.5%~0.7%的范围内，泥浆的黏度、屈服值波动较大。由图5可知，膨润土质量分数在6%时，泥浆滤失水量的减小幅度最大，说明膨润土质量分数影响正电胶对滤失水量的作用。

Figure 4. The effect of positive adhesive mass fraction on mud viscosity and yield value

图4. 正电胶质量分数对泥浆黏度、屈服值的影响

Figure 5. The effect of positive adhesive mass fraction on filtration loss of mud

图5. 正电胶质量分数对泥浆滤失水量的影响

对比图3与图4可以得出，如泥浆加入物质的质量分数相同，则加入CMC的泥浆黏度上升幅度较大，屈服值上升幅度较小；加入正电胶的泥浆黏度上升幅度较缓，但屈服值上升幅度比加入CMC的明显，表现为“低黏度高屈服值”的泥浆体系，有利于提高泥浆净化设备的分离效率。因此，工程中应优先使用正电胶干粉作增黏剂。

3. 泥浆应用实例

3.1. 卵石地层中泥浆应用

卵石地层天然含水量25%，天然密度为2 g/cm³，土粒密度为27 g/cm³，饱和度为100%，压缩模量为60 MPa，内聚力为0 kPa，内摩擦角为46˚，承载力特征值550 kPa。根据上述泥浆性能参数，配制5种不同的浆液进行测试、试验，由于卵石中掘进滤失水量较大，可加入适量降滤失水剂，得出卵石地层中最佳泥浆配制方案为：水 + 10%膨润土(一级) + 5%纯碱 + 0.5%正电胶干粉 + 0.2%降滤失水剂(以上配方均为质量分数，下同)。

3.2. 砂层中泥浆应用

砂层地层天然含水量23%，天然密度为1.9 g/cm³，土粒密度为2.65 g/cm³，饱和度为100%，压缩模量为12 MPa，内聚力为3 kPa，内摩擦角为34˚，承载力特征值160 kPa。根据上述泥浆性能参数，配制5种不同的浆液进行测试、试验，得出砂层地层中最佳泥浆配制方案为：水 + 9%膨润土(一级) + 5%纯碱 + 0.5%正电胶干粉 + 0.2%降滤失水剂。

3.3. 黏土地层泥浆应用

黏土地层天然含水量30%，天然密度为1.85 g/cm³，土粒密度为2.71 g/cm³，饱和度为95%，压缩模量为16 MPa，内聚力为30 kPa，内摩擦角为17˚。承载力特征值150 kPa。由于黏土具有黏性，其成分与天然膨润土有一定共性，与清水结合后的混合物具有一定屈服值与黏度，同时滤失水量较小。因此，试验中仅使用清水作为浆液，并加入适量扩散剂，以解决渣土将刀具包裹，黏泥结成泥块，影响循环系统通畅的问题。黏土地层泥浆配制方案为：水 + 0.2%扩散剂。

4. 结语

根据泥浆的性能参数及其变化规律以及各地层试验结果，得出卵石、砂层、黏土地层中泥水平衡盾构掘进的最佳泥浆配比。卵石层中泥浆配比：水 + 膨润土(一级) 10% + 5%纯碱 + 0.5%正电胶干粉 + 0.2%降滤失水剂。砂层中泥浆配比：水 + 9%膨润土(一级) + 5%纯碱 + 0.5%正电胶干粉 + 0.2%降滤失水剂。黏土层中泥浆配比：水 + 0.2%扩散剂。