强透水性地质条件下泥水盾构泥浆成膜技术.doc

强透水性地质条件下泥水盾构泥浆成膜技术1泥浆基本性质参数及评价指标1.1泥浆基本性质参数泥浆被称为泥水盾构的血液，它不仅肩负着维护开挖面稳定的重责，还担任着携带渣土的重任，泥浆参数的选择与控制对泥水盾构的正常安全施工具有极其重要的意义1) 比重泥浆比重通常是泥水盾构施工中泥浆管理的重要指标，它表征着泥浆中固相颗粒含量的多少通常来说，泥浆比重越大，其形成的泥膜质量越好，对开挖面稳定越有利；同时泥浆的比重越大，泥浆对掘削渣土的悬浮能力越强，泥浆的携渣能力就越强但是，泥浆比重越大，其在管道中流动的摩阻力就越大，容易使泥浆泵的超负荷运转；同时比重越大，地表泥水分离设备的负荷就越重，泥水分离难度越大综上所述，泥浆要具有合适的比重，要在保证开挖面稳定和出渣能力的基础上尽量小2) 粘度为了确保泥浆发生以下作用，泥浆还必须具备一定的粘度：① 防止泥浆析水或泥水舱中泥浆固体颗粒沉淀，一旦这样，泥浆的比重及粘度均将难以保证，这将严重威胁开挖面安全；② 防止逸泥或发生泥浆劈裂现象；③ 增加泥浆的悬浮能力，防止出渣时渣土在泥水舱底部或排泥管道中沉淀，引发欠挖、假推或水锤现象，诱发开挖面失稳通常来说，泥浆的粘度越大，泥浆在开挖面越容易形成泥膜，形成泥膜的质量也越好，同时，泥浆的粘度越大，泥浆对渣土的悬浮能力就越强，泥浆的出渣能力也越强。

但是，泥浆的粘度越大，泥浆在管道中流动的摩阻力也越大，容易使泥浆泵超负荷运转；泥浆粘度越大，地表泥水分离设备泥水分离的难度也越大；同时，泥浆粘度越大，泥浆的造价就越高综上所述，泥浆要具有合适的粘度，要在保证开挖面稳定和出渣能力的基础上，同时考虑泥浆泵的负荷、泥水分离效果及泥浆的造价3) 级配泥浆的比重表征着泥浆中固相颗粒的多少，而泥浆的级配则表征着泥浆中固相颗粒的粒径不同的地层孔隙需要不同粒径的颗粒去堵塞，故盾构机在不同的地层中掘进时需要泥浆中具有不同级配的固相颗粒例如，在粘土及粉细砂地层中施工时，泥浆中仅具有粘土颗粒就可以保证成膜质量，但在砾砂甚至卵砾石地层施工时，就必须要求泥浆中含有一定量的细砂(即泥浆中有一定的含砂量)来帮助堵塞地层孔隙，这样才能保证在开挖面上形成不透水或微透水的泥膜，保证开挖面安全1.2泥浆基本性质评价指标为方便管理泥浆参数，一般我们用以下几个指标来评价泥浆的基本性质：1) 比重在工程中，我们常用泥浆比重称来测量泥浆比重，见图2-1工程中常用的进浆比重为1.1~1.25之间图2-1 泥浆1002型比重称2) 粘度泥浆的粘度分为两种：一种为漏斗粘度，用漏斗粘度仪测定，见图2-2；一种为塑性粘度，用旋转粘度仪测定，见图2-3，工程中常用的泥浆粘度为20~30s。

图2-2 1006型漏斗粘度仪图2-3 ZNN—D6型电动六速旋转粘度计3) 级配泥浆的固相物质的级配可有两种方法测得：＞0.25mm的颗粒的级配可由筛分获得，见图2-4；＜0.25mm的颗粒的级配可由激光颗分仪获得，见图2-5以上方法得到的泥浆级配精确，但比较慢，不便捷，工程中使用另外一种方法来间接地反映泥浆的级配，即通过测定泥浆的含砂量，来反映泥浆中粗颗粒的含量，进而在某种程度上反映泥浆的级配泥浆含砂量可用泥浆含砂量计测得，见图2-5图2-4 土壤筛图2-5 激光颗分仪图2-6 泥浆含砂量计4) 物理稳定性泥浆的物理稳定性系指泥浆长时间静置后，泥浆中颗粒保持悬浮物理状态的能力，通常用界面高度来描述泥浆物理稳定性的好坏将一定量的泥浆置于量筒中，经过一段时间的静置后，部分土颗粒失去散悬特性出现沉淀，泥浆的表层出现清水，底部出现土颗粒，清水与泥浆之间出现分解面，清水与泥浆间分解面高度的经时变化，即为泥浆的界面高度变化，见图2-7由泥浆的界面变化情况可鉴别泥水中土颗粒的沉淀程度，即泥水的物理稳定性的好坏界面高度变化越小，说明泥浆的物理稳定性越好反之，亦反图2-7 泥浆物理稳定性测试试验5) 成膜质量泥浆的前4个基本性质评价的都是泥浆的单个指标，它是单独的评价泥浆性能的指标，和开挖地层没有直接关系，但泥浆的成膜质量则是综合地评价了泥浆的特性以及泥浆与地层的适应性。

众所周之，泥水盾构开挖面稳定性由下列三个因素综合作用而维持：① 泥浆压力平衡土压力和水压力；② 在开挖面上形成不透水的泥膜，让泥浆压力有效地发挥作用；③ 泥浆从开挖面渗透到一定范围的地层中，使开挖面附近地层增加粘聚力；其中在开挖面上形成不透水的泥膜是核心因素，只有保证了这一条，泥水舱才能够封闭，泥浆压力才能够保持，开挖面才有稳定的前提泥浆的成膜试验运用自制的泥水成膜装置实现，如图2-8所示成膜装置由①土槽、②泥浆槽、③活塞、④加压砝码以及⑤排水管等组成①⑤②③④图2-8 成膜装置泥水成膜装置为圆柱形，由有机玻璃制成，内径为75mm，高为600mm，有足够的强度，能承受至少0.3MPa的压力试验步骤为：① 装入5cm排水层并击实；② 将地层装入成膜装置内，分层装入并击实，直至目标处，控制地层干密度及渗透系数和实际地层一致；③ 由排水管从下往上慢慢将水渗入地层，使其饱和；④ 将预先准备好的泥浆沿玻璃棒慢慢注入成膜装置，避免扰动地层颗粒；⑤ 将活塞抹油后慢慢压入成膜装置内，使活塞底部与泥浆表面充分接触；⑥ 分级加载(0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa及0.3MPa)，并读取每级荷载下泥浆滤水量的变化情况，直至稳定；⑦ 取出泥膜，测定其形式及厚度。

泥浆的成膜质量能综合地评价泥浆的各项特性以及泥浆与地层的适应性，是泥浆各指标中的核心指标，也是确定其他指标参数的依据2泥膜的定义、作用、分类及质量评价方法2.1 泥膜的定义及作用泥浆在泥浆压力和地下水压间压力差的作用下向地层中渗透，渗透过程中泥浆颗粒淤堵地层孔隙或淤堵在地层表面形成微透水或不透水的地层，这种微透水或不透水的地层即称为泥膜泥膜的作用：泥膜的形成阻止泥浆进一步向地层渗透保持了泥水舱内的泥浆压力，同时不透水的泥膜将部分泥浆压力转化为有效应力作用在开挖面上，支护了开挖面土体，保证了开挖面的稳定2.2 泥膜的分类根据泥膜的形成类型，我们可以将泥膜分为三类，即泥皮型、渗透带型及泥皮＋渗透带型，如图2-9所示a) 泥皮型泥膜 (b) 渗透带型泥膜 (c) 泥皮+渗透带型泥膜图2-9 三种类型泥膜泥皮型泥膜：当地层颗粒较细时(例如粉细砂层或粘土层)，颗粒间的孔隙更细，泥浆中的固相颗粒无法渗入地层内部形成渗透带，而仅在地层表面淤堵形成泥皮，见图2-9(a)渗透带型泥膜：当地层颗粒较粗时(例如砾砂或卵砾石地层)，颗粒间的孔隙也较大，此时如果泥浆中的固相颗粒粒径较小不足以淤堵在地层表面形成泥皮，泥浆中固相颗粒将直接渗入地层填充地层颗粒间孔隙形成渗透带，见图2-9(b)。

泥皮+渗透带型泥膜：当泥浆中固相颗粒的粒径和地层中颗粒的粒径相适宜时，泥浆中固相颗粒将部分渗入地层形成渗透带，部分淤堵在地层表面形成泥皮，见图2-9(c)一般来说，哪种地层能形成哪种泥膜在一定程度上是可以确定的，例如粉细砂层或粘土层仅能形成泥皮型泥膜，因为连颗粒最细的纯膨润土泥浆都无法渗透进入地层内部形成渗透带；但同时又是可以变化的，例如在砾砂层或卵砾石地层：当泥浆中固相颗粒粒径较小时，泥浆仅能形成渗透带型泥膜，甚至泥浆大量流失不能形成泥膜；当泥浆中固相颗粒稍大时，泥浆中即有颗粒能渗透进入地层形成渗透带，又有颗粒能淤堵在地层表面形成泥皮，这种情况下即可以形成泥皮+渗透带型泥膜；当泥浆中固相颗粒粒径进一步增大，增大到所有颗粒都不能渗透进入地层形成渗透带，这种情况下，泥浆中固相颗粒仅能淤堵在地层表面形成泥皮由于泥浆从开挖面渗透到一定范围的地层中，可以增加开挖面地层的粘聚力，同时泥浆中颗粒淤堵在地层表面形成泥皮可以有效地阻止了泥浆进一步向地层中渗透，有利于保证泥水压力，所以对于开挖面稳定来言泥膜质量：泥皮+渗透带型＞泥皮型＞渗透带型我们可以根据工程需要配制不同的泥浆来形成不同形式的泥膜2.3泥膜质量的评价方法泥膜的形成一方面阻止了泥浆进一步向地层中渗透保持了泥水舱内的泥浆压力，一方面将部分的泥浆压力转化为有效应力作用在开挖面土体上保证开挖面稳定。

泥膜质量实际上反映了泥浆与地层的匹配程度，泥浆与地层匹配良好，则泥膜容易形成，形成后致密，反之亦然在试验室我们以滤水量的大小评价泥膜质量：泥膜形成过程中泥浆滤失量小说明泥膜容易形成，泥膜形成后滤水量小说明泥膜致密，两者均小则说明泥膜质量良好3五种制浆剂作用效果研究本工程新浆的调制使用华北油田提供的NSHS-1、NSHS-2、NSHS-3、NSHS-4、NSHS-5等5种制浆剂进行此5中制浆剂是由数种产品复合而成，结构比较复杂，由于使用了多种高分子聚合物，同时同种高分子聚合物又因其分子量不同、取代度不同、聚合度不同，故每种制浆剂的实际效果尚不是清楚，需进行试验研究3.1 NSHS-1型制浆剂NSHS-1型制浆剂由大、中分子量的聚丙烯酸盐类、纤维素盐类、抗钙剂、改性土、增效添加剂等组成其2%水溶液的基本性质如表2-1所示表2-1 NSHS-1(2%水溶液)性质Φ600(mPa·s)Φ300(mPa·s)塑性粘度(mPa·s)胶体率(%)NSHS-1(2%水溶液)453114100将NSHS-1(2%水溶液)与旧浆混合后，其性质见表2-2：表2-2 旧浆与NSHS-1(2%水溶液)混合浆液性质比重漏斗粘度(s)Φ600(mPa·s)Φ300(mPa·s)塑性粘度(mPa·s)24h析水率(%)旧浆1.2117.3116527旧浆+2‰ 1#1.22722111120旧浆+4‰ 1#1.2322912178旧浆+6‰ 1#1.19403518173旧浆+1% 1#1.184138221611由表3可知，NSHS-1型制浆剂有增粘的效果，它可以同时提高泥浆的漏斗粘度及塑性粘度，降低析水率。

只是建议添加量＜1%，因为添加量过多会引起泥浆絮凝，从而降低泥浆的漏斗粘度及塑性粘度，增加析水率试验照片如图2-10所示图2-10 NSHS-1型制浆剂试验照片3.2 NSHS-2型制浆剂NSHS-2型制浆剂由不同级配的云母、蛭石、果壳、石棉粒、橡胶粉、单封等原植物纤维和惰性矿物质组成其重要用途是洞门圈堵水、防止浅覆土层冒浆、封堵砂土层、砾石层、风化岩层等孔隙，配合其他材料形成致密泥膜，防止开挖面垮塌，起到稳定开挖面的作用它被称为堵漏剂，建议加量：在易漏失地层占泥浆总量的0.8~4%(质量体积比)3.3 NSHS-3型制浆剂NSHS-3型制浆剂由不同的大、中分子量的聚丙烯酸盐类、纤维素盐类、抗钙剂、乙烯基多元单体共聚物类、堵塞微孔膨胀剂、改性土、增效添加剂等组成其2%水溶液的基本性质如表2-3所示：表2-3 NSHS-3(2%水溶液)性质Φ600(mPa·s)Φ300(mPa·s)塑性粘度(mPa·s)胶体率(%)NSHS-3(2%水溶液)725319100将NSHS-3(2%水溶液)与旧浆混合后，其性质见表2-4：表2-4 旧浆与NSHS-3(2%水溶液)混合浆液性质比重漏斗粘度(s)Φ600(mPa·s)Φ30。