佳木斯市江北水源工程松花江穿越隧道盾构施工泥浆性能研究

佳木斯市江北水源工程松花江穿越隧道盾构施工泥浆性能研究

作者：王勇

来源：《科技创新导报》2011年第21期

摘 要:在泥水平衡盾构施工过程中,针对佳木斯地质条件的具体情况,经过对泥浆的反复调配、试验,找出了适合本地层的泥浆配比。解决了在富水砂砾石地层中采用膨润土加粉质粘土混合浆液充当砂石输送载体、土体开挖面护壁支撑介质的难题,为泥水平衡盾构在富水砂砾石地层中施工提供了一些思路。

关键词:膨润土CMS泥膜泥浆粘度泥浆比重PH值

中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)07(c)-0091-02

泥水平衡盾构是于20世纪60年代发展起来的一种隧道施工机械,它通过向盾构前端注入适当压力的泥浆,使其在开挖面形成泥膜,从而支撑正面的土体。盾构掘进时,刀盘切削土体表层泥膜,切削下来的土砂裹在泥浆中,经由管道排送到地面。该种盾构能较好地稳定开挖面和防止地表隆陷,且适应性好,在一些无法使用土压盾构的地层(例如本工程所处的砂砾石地层)也能正常工作。

在泥水平衡盾构施工过程中,泥浆是一个非常重要的因素。尤其是在含泥量极低的富水砂砾石地层中使用泥水盾构施工,对泥浆性能的要求是极为苛刻的,有必要对泥浆的性能进行深入的研究。 1 概述 1.1 工程概况

佳木斯江北水源松花江穿越工程,位于佳木斯市松花江公路大桥东侧约200米处。隧道全长1300米,圆形断面,净直径2.4米,采用直径3.0米的泥水平衡盾构施工。始发井位于松花江南岸,地下水水位标高为73.9m,隧道洞口中心标高为66.22m。地质条件为透水性极强的砂卵石地层,卵石层最高渗透系数达150m/d,地下水与江水有着直接的水力联系。 1.2 难点

本工程地层中的砂土比重为1.3kg/cm3,泥浆作为运输载体,其比重不得低于1.3kg/cm3这一数值方能保证泥水输送系统的正常运转。

当地没有性能良好的粘土,只能用粉质粘土代用,给泥浆调配带来了一定的难度。

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由于地层是完全透水性的砂砾石且含泥量极低,地层本身对泥浆不能够提供任何的补充,泥浆消耗量大。这种地质条件,对泥浆各方面性能指标有着极为苛刻的要求,如泥浆的粘度、比重、PH值、泥膜厚度和失水量等,只有这些指标均达到设计要求,才能够正常施工。 2 泥浆的组成

一般泥水平衡盾构所用泥浆主要由膨润土、粘土、纯碱及CMS组成。 2.1 膨润土

膨润土是构成泥浆的主要原材料,它是一种以蒙脱石为主要成分的粘土矿物,蒙脱石矿物的晶格构造具有晶层间的连接力弱、负电性大、水化能力强、分散性高等特性,故能制备性能较好的泥浆。膨润土一般分为天然膨润土、改性膨润土、活性膨润土三种,本工程选用了天然膨润土,其性能指标如表1。

为了提高膨润土性能,应对其进行钠化处理,使它的水化能力和分散性得到提高。在本工程中选用纯碱(Na2CO3)对膨润土进行离子交换,并使浆液的pH值控制在8～9,有效地提高了泥浆的性能。 2.2 粘土

粘土的主要作用是提高泥浆的比重以及粘度。在一般地层中,泥浆的比重一般为1.05～1.15之间,但本工程地处砂砾石地层,为了使泥浆能顺利地将大直径的砾石送出地面,要求泥浆要有较高的粘度和比重。

本工程所用粘土取自施工现场南侧,其中含有一定量的粉细砂,较好地起到了提高泥浆比重的目的。

2.3 泥浆处理剂

在加入膨润土、粘土及纯碱后,还需要加入其它化学试剂,才能配制出施工所需要的泥浆。本工程根据需要选用了CMS(羧甲基淀粉),CMS是一种高分子聚合物,在溶于水后,其线性长链分子吸附大量水分子和土颗粒,使泥浆粘度迅速升高。表2是CMS的物理化学指标。 2.4 水

配浆用水一般可用自来水或清洁的江河水,并无特殊要求。但在本工程中,由于工地离市区较远,配浆水取自现场地下水,水中铁锰和氯化物含量非常高,且水的硬度达到了400,这直接影响到CMS水溶液的稳定性。为了解决这个问题,我们同CMS厂家联系并做了大量的试验,确定使用五氯酚钠作为添加剂,从而有效地确保了CMS水溶液的稳定性(见表3)。同时有效的解决了CMS水溶液氧化变质问题。

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3泥浆的性能和其参数的确定

评价泥浆性能的主要指标有粘度、比重、pH值、泥膜厚度和失水量,其中泥膜厚度和失水量主要根据粘度和比重决定,如果粘度和比重值大,则失水量小,形成的泥膜薄而致密,相反则失水量大,形成的泥膜厚而疏松。对于本工程所面对的地下水位较高的砂砾地层,需要泥浆的粘度和比重都较大,才易形成泥水平衡,从而保持开挖面的稳定。 3.1 泥浆的粘度

泥浆的粘度对泥浆工作压力和开挖面稳定有着重要影响。泥浆具有一定的粘度有利于保持开挖面压力,并且可以防止泥浆中的砂砾在刀盘土舱内或管道中沉淀,以便将开挖下来的砂砾以流体形式输送到地表。

所选用泥浆的粘度应能使开挖面较快地形成泥皮。粘度过高,泥浆压力稍有波动就容易造成喷浆,使开挖面严重变形,不利于开挖面稳定;粘度过低,则不利于在开挖面形成稳定的泥皮。控制泥浆压力有效地作用于开挖面比较困难,也就难以抵抗地层的压力(特别是侧面压力),同样对开挖面稳定不利。

由试验得出,在本工程所处的这种砂砾层中,泥浆的粘度以40～50s(漏斗粘度计测量值)为宜。

3.2 泥浆的比重

较高的泥浆比重可以增加对开挖面的压力,不仅可以防止工作面坍塌,而且可以平衡地下水压力,由于砂土比重为1.9,要保证砂土靠泥浆为载体顺利的运至地上。从而维护开挖面稳定。如果泥浆比重较低,会引起泥浆向砂砾层的大量渗透,不仅使泥浆压力不能有效地作用于开挖面,而且泥皮形成慢,对开挖面稳定不利。但泥浆比重也不宜太高,否则会使所形成的泥皮厚度增加,不利于泥皮稳定,而且加大了泥浆的输送、处理的难度。

通过试验得出,在砂砾石地层中,泥水平衡盾构所用泥浆比重以1.25～1.32之间。 3.3 pH值

较大的pH值可以增加泥浆的粘度、稳定性,从而提高泥浆的性能。如果pH值过大,则会腐蚀机械设备,而且会对环境造成污染。在本工程中,利用纯碱(Na2CO3)来提高泥浆的pH值,同时对膨润土进行纳化。

通过试验,本工程泥浆的PH值以7～9为宜。 3.4 泥膜厚度与失水量

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泥浆失水量是指泥浆在一定压力作用下部分水渗入开挖面的现象,同时,它与泥膜质量是相互关连的,泥膜致密,则泥浆失水量小,而泥浆失水量大则证明泥膜疏松,它们取决于膨润土质量的好坏。

一般要求在开挖面上形成薄而致密的泥膜,厚而疏松的泥膜不利于刀盘切削,影响掘进速度。

总的来说,影响泥浆性能的主要参数是粘度、比重和pH值,前期针对本工程做了大量试验,确定泥浆的参数如表4。 4 泥浆配制

泥浆的配制要分成两部分,一是新浆配制,另一部分是回收浆配制。 4.1 新浆配制

在工程初期,需要在沉淀池中预先配制200m3左右的泥浆(新浆),以便能建立起泥水循环。根据试验结果,新浆配合比见表5。 4.2 新浆配制注意事项

在进行新浆配制时,要注意以下几点:

A、大量CMS不易溶于水,在配制时要先将CMS配制成2％或3％浓度溶液(需要做CMS搅拌槽,叶片转速为0～200nps),再将溶液加入膨润土浆中;

B、配制时,要分别配制膨润土浆和粘土浆,配比如表五,然后以1:1的比例混合,这样在实际配制泥浆时能更易于操作,而且在利用回收浆配制泥浆时能根据情况加入膨润土浆或粘土浆; C、表五的配合比是试验室配合比,在实际中由于配浆条件无法于实验室相比,应根据实际情况加以调整。

4.3 利用回收浆配制泥浆

在施工中,为了节省成本,泥浆需要循环利用,首先要对回收浆进行分离,然后对分离出的泥浆进行量测,并作试验。根据试验结果来决定要向回收浆中加入多少膨润土浆、粘土浆、CMS等才能够达到新浆标准,重新配制出合格的泥浆。 5 泥浆质量的控制

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在工程施工过程中,由于泥浆配制量较大,而且拌浆设备的质量也存在着一定的问题,通过对材料的控制不能完全保证泥浆的质量,为了配制出合格的泥浆,必须加强对泥浆的监测。 5.1 膨润土浆及粘土浆

膨润土浆及粘土浆的质量还是主要通过对材料的监控来实现,但同时加强了对成品的检测,每拌制5槽浆液要抽查1槽。 5.2 调整槽浆液

调整槽的浆液通过P1－1泵直接送至井下,所以必须保证它的质量,在调整槽下部安装有取浆孔,以便随时能对其进行检查。

5.3 在施工时,每前进一环,要对沉淀池前部、尾部、泥浆槽、调整槽的泥浆进行测量,掌握最新的数据,以便进行调整

5.4 检测出不合格的泥浆后,要马上进行相对应的试验,根据试验结果进行调整 6 泥浆的净化与处理

由于泥浆在施工中会不停带出砂石,为了使泥浆能够循环利用,必须对泥浆进行分离净化。本工程为砂砾石地层,施工中首先利用滚动筛和沉淀池除去直径2mm以上的砂石,然后送入旋留器进行进一步分离,再在此回收浆中加入膨润土浆、粘土浆或直接加入CMS水溶液(根据试验结果)进行调整,以便循环利用。

对于施工过程中产生的废弃泥浆,对其进行检查和调整PH值后再排放,以防污染。 参考文献

[1] 程骁、张凤祥,土建注浆施工与效果检测,同济大学出版社,1998-01-01.