高分子泥浆技术在泥水盾构开挖面稳定
单位：上海市第二市政工程有限公司 高级工程师 赵国强
关键词：高分子泥浆 泥水盾构 开挖面稳定 防塌机理
摘要：盾构工程施工的关键之一是在开挖过程中确保在掘进过程中所造成的地面的隆起和沉降问题，而维持开挖面的稳定性是一个很重要的因素，而沿线地质条件决定了施工的相对难易程度。对于复杂地层条件下的盾构控制这是地下工程界普遍关注的一个问题。对于泥水平衡盾构，泥浆的性能及控制对于开挖面稳定至关重要。
一、前言
泥水盾构从气压盾构、水压盾构、膨润土泥水加压盾构、泥浆水盾构，经历了100多年的历史，20世纪60年代开始先后在英国、日本和德国研究开发了泥水加压式盾构，泥水加压式盾构用泥浆代替气压，用管道输送代替轨道出土，加快了掘进速度，改善了劳动条件和施工环境，并能在盾构掘进时较好地稳定开挖面和防止地表隆陷，成为当今划时代的盾构新技术。
盾构工程施工的关键之一是在开挖过程中确保在掘进过程中所造成的地面的隆起和沉降问题，而维持开挖面的稳定性是一个很重要的因素，而沿线地质条件决定了施工的相对难易程度。对于复杂地层条件下的盾构控制这是地下工程界普遍关注的一个问题。对于泥水平衡盾构，泥浆的性能及控制对于开挖面稳定至关重要。
目前国内在泥水盾构隧道中常采用的是由膨润土、水、外加剂(CMC)所组成的分散泥水体系。该泥水体系在已往的工程中，基本满足了工程需要，但也存在许多不足的地方，突出表现为造浆性能和适应性能还不能满足工程的需要。特别，这样的泥浆体系在软土层中的粘土、砂土不断的在泥水中分散，其粒度级配不能受到控制，引起泥水密度也不断的改变，使得的开挖面泥膜质量难以控制，使得泥水盾构在掘进过程中开挖面很难进行控制，造出施工过程中的施工质量很难保证。
二、高分子泥浆的机理
2.1泥水盾构开挖面失稳的简要分析
泥水平衡盾构开挖面的不稳定实质是力学的不稳定。当盾构开挖面所受的应力超过其本身的强度分布就会发生作业面的不稳定。其原因较复杂，主要有三个方面的因素：地层本身的力学因素、地层组分及工程技术方面的因素。
(1)原地应力状态
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地层被盾构之前，地下的岩石受到上覆压力、水平方向地应力的作用，开挖面的应力状态即为原地应力状态，且处于平衡状态。当地层被盾构开后，地应力被释放，盾构端面钻井液作用于盾构端面的压力取代了所盾构地层原先对盾构端面岩石的支撑，破坏了地层和原有应力的平衡，引起隧道周围应力的重新分布。若泥水对盾构端面地层的压力小于地层地应力，盾构端面就要发生坍塌。
（2）地层组分
盾构地层埋藏较浅，大多数未形成岩石，地层较疏松，如果地层属于砂质或粉砂质泥岩、流砂、泥质砂岩、粘土层，且粘土矿物含量高，泥水中的水份均容易渗入地层；如果是粉砂层，砂粒之间胶结性差，地层渗透性强，遇到泥水作用后，大量水份渗入地层，使工作面不稳定而发生坍塌。
（3）工程技术
在盾构作业过程中，由于人工操作的原因、泥水性质、密度的变化等种种原因引起的对作业面产生的压力不均匀，从而产生压力激动，均会引起作业面的不稳定。分析认为，工程技术因素较其它两个因素引起的作业面的不稳定更严重。
2.2. 盾构开挖面稳定的技术措施
(1) 施工中尽量减少对开挖面的压力波动； (2) 选用合理的泥浆液密度，保持开挖面的稳定；
（3）优选防塌泥浆液类型与配方，采用物理化学方法阻止或抑制地层的水化作用。 2.3.高分子泥浆中主要作用机理 (1)桥联与包被作用
聚合物在泥浆中颗粒上的吸附是其发挥作用的前提。当一个高分子同时 吸附在几个颗粒上，而一个颗粒又可同时吸附几个高分子时，就会形成网络结构，聚合物的这种作用称为桥联作用。当高分子链吸附在一个颗粒上，并将其覆盖包裹时，称为包被作用。实际体系中，这两种吸附状态不可能严格分开，一般会同时存在，只是以其中一种状态为主而已。吸附状态不同，产生的作用也不同，如桥联作用易导致絮凝和增粘等，而包被作用对抑制钻屑分散有利。
(2)絮凝作用
当聚合物在钻井液中主要发生桥联吸附时，会将一些细颗粒聚结在一起形成粒子团，这种作用称为絮凝作用，相应的聚合物称为絮凝剂。形成的絮凝块易于靠重力沉降或固控设备清除，有利于维持钻井液的低固相。所以，絮凝作用是钻井液实现低固相和不分散的关键。 根据絮凝效果和对钻井液性能的影响，絮凝剂又可分为两类：一是全絮凝剂，能同时絮凝钻屑、劣质土和蒙脱土；二是选择性絮凝剂，只絮凝钻屑和劣质土，不絮凝蒙脱土。
选择性絮凝的机理是：钻屑和劣质土颗粒的负电性较弱，蒙脱土的负电性较强。选择性絮凝剂也带负电，由于静电作用易在负电性弱的钻屑和劣质土上吸附，通过桥联作用将颗粒絮凝成团块而易于清除；而在负电性较强的蒙脱土颗粒上吸附量较少，同时
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由于蒙脱土颗粒问的静电排斥作用较大而不能形成密实团块，桥联作用所形成的空间网架结构还能提高蒙脱土的稳定性。
图1 完全絮凝剂与选择性絮凝剂作用效果示意图
(3)增粘作用。增粘剂多用于低固相和无固相水基泥浆，以提高悬浮力和携带力。 （4）降滤失作用。
泥浆液滤失量的大小主要决定于泥饼的质量(渗透率)和滤液的粘度。降滤失作用主要是通过降低泥饼的渗透率来实现的。
(5)抑制与防塌作用
高分子泥浆在钻屑表面的包被吸附是阻止钻屑分散的主要原因。包被能力越强，对钻屑分散的抑制作用也越强。
高分子泥浆具有良好的防塌作用，其原因有以下两个方面：一是长链聚合物在泥 页岩开挖面表面发生多点吸附，封堵了微裂缝，可阻止泥页岩剥落；二是聚合物浓度较高时，在泥页岩开挖面上形成较为致密的吸附膜，可阻止或减缓水进入泥页 岩，对泥页岩的水化膨胀有一定的抑制作用。
(6)降粘作用
高分子泥浆的结构主要由粘土颗粒与粘土颗粒、粘土颗粒与聚合物和聚合物与聚合物之间的相互作用组成，降粘剂就是拆散这些结构中的部分结构而起降粘作用的。
3.高分子泥浆的防塌机理
高分子泥浆的防塌机理主要有以下几个方面： 1．K+、NH4+ 的防塌机理
首先K+、NH4+ 进入粘土晶层间的 Al—O 四面体和 Si—O 八面体之间，使晶层间的静电引力加强，同时，K+ 刚好能镶嵌在相邻晶层间的氧离子网格所形成的孔穴中，不能被其它离子所交换，使得水分子不易进入晶层间，从而防止了粘土因水化作用而引起的膨胀分散现象。其次，K+、NH4+ 的水化能很低，由于粘土对阳离子的吸附具有选择性，它会优先吸附水化能较低的阳离子，因而K+、NH4+ 往往比Na+ 和Ca+ 优先被粘土所吸附。此外，由于水化能比较低，会促使晶层之间脱水，使晶层受到压缩，从而形成紧密的构造，所以K+、NH4+类处理剂能够有效的抑制粘土的水化。
2、正电荷及高价正电荷对双电层的压缩作用
粘土的水化作用使水分子在粘土片上形成双电层，正电荷的存在使双电层间水分子厚度减薄，使粘土不易膨胀分散，从而起到防塌作用。这类防塌剂主要有 NaCl、KCl、正电胶，羟基铝（即 MMH）等，NaCl、KCl 盐类的评价方法建议用页岩回收率、膨胀实验、CST 实验、页岩粒度分布，至于正电胶，羟基铝等具有高价正电荷的防塌剂建议用粘度抑制率及动切力提高率的方法来评价。
3、高分子聚合物的包被作用
高分子聚合物上的吸附基团吸附在粘土片上，将众多粘土片连接在一起，对粘土片
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进行包被，这一方面使粘土不易分散，另一方面使水分子不易进入粘土晶层间，防止了粘土因水化作用而引起的膨胀分散，从而起到防塌作用。这类处理剂主要有 HPAM、80A--51、K-PAM、FA367 等，这类处理剂的评价方法建议用页岩回收率、膨胀实验、泥饼质量。
4、充填作用
这类防塌剂通过进入岩心微裂缝中并填充在岩心微裂缝的孔隙中，在微裂缝中进行吸附，防止水分子继续进入岩心中，使水分子不易进入，防止了粘土因水化作用而引起的膨胀分散，从而起到防塌作用。这类防塌剂主要指沥青类产品，如氧化沥青、磺化沥青和其它一些通过充填岩心微裂缝而起到防塌作用的产品。
5、高分子低失水作用
高分子泥浆的失水的降低，使水分子不易进入岩心中，从而降低了由于水化分散而引起的粘土不稳定作用，因此，大多数降失水剂也应称为防塌剂。
由于现在防塌剂的种类繁多，有许多防塌剂都具有一种甚至多种防塌机理，例如，正电胶具有对双电层的压缩作用及对钻井液流型的改进作用两方面的作用机理，K-PAM 具有 K+ 镶嵌作用、高分子聚合物包被作用及低失水作用三方面的机理，因此，对不同防塌机理的防塌剂应用不同的评价方法。
4.高分子泥浆防塌泥浆体系的选择
泥水盾构开挖面的稳定是正常盾构施工的前提。依据高分子泥浆的的特点，防塌泥浆体系选择不分散聚合物钻井液体系，利用聚合物的防塌性，稳定隧道工作面，另外，体系中需要有一定量的膨润土，以形成较好的泥饼，减少泥浆滤失量有利于防塌。盾构每天产生大量的土渣需要泥浆携带出隧道工作面，这些土渣在被清除后，泥浆循环使用，因而体系中要有起抑制作用的选择性絮凝剂，只絮凝钻渣，不絮凝膨润土，这样在作业过程中，使钻渣处于包被状态，不易分散得更细，为后期固相清除带来方便，做到废泥浆的零排放。
三、工程应用
3. 1.南路越江隧道工程概况
南路越江隧道工程盾构推进段分为西线和东线盾构隧道。其中西线盾构隧道长度为1176.784m，共784环，东线盾构隧道长度为1158.772m，共772环 ，采用日本三菱公司生产的外径为Ø11.58m，全长约11.245m的泥水平衡盾构掘进机施工。 根据南路隧道的地质资料,本隧道穿越的土层主要为⑦1－1草黄色砂质粉土、⑦1－2灰黄色粉砂。该土层胶接性差，透水性强，在刀盘的扰动和泥浆动水压力作用下，极易产生流砂现象，导致挖掘面坍塌，影响隧道的工程质量。
3．1对泥浆的要求：
1.合理的比重和粘度指标，具备堵塞孔隙的能力，以堵塞砂土层的孔隙，能在较短的时间内形成薄而致密的泥膜，满足开挖面的稳定，防止隧道沉降和开挖面垮塌。
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2.要有良好的流变性，防止开泵时产生压力激动。
3.泥水应具备配合固控设备分离的要求，有利于提高固控设备的使用效率，减少废浆排放，提高经济效益。
3.2高分子材料的选择：
根据地质资料，和其他工地的应用，选择高分子泥浆比较合适该地质状况，它具有： ①其中的微孔堵漏材料能够堵塞地层微孔。
②各种大、中分子的合理配合，能够使泥水达到良好的流变性和稳定性。 ③长链使泥膜强度更高，能更好地解决砂层胶结能力差和易坍塌的问题。 ④长链的水化膜，使泥膜更致密。 1.泥水性能参数设计依据
根据高分子泥浆工艺理论和以往隧道泥水的工作经验，泥水指标为：
比重在1.20－1.35，漏斗粘度在19－25秒， 滤失量应小于10 ml（0.35Mpa／7.5min）。
2.应急措施：
①预先配制200方的新浆备用，如有异常作成隔离液来恢复开挖面的稳定。 ②要保证两台剪切泵的完好，如开挖面有异常，能达到快速配制新浆的要求。 ③安排专人对泥水进行时时检测，密切观察泥水数据变化，及时调整，使泥水性能保持在设计范围内，并且指标要平稳，防止突变。
④及时清理沉淀池，提高固控设备的使用效率以保持泥水具有合适的比重。应避免用加入清水的方法来维持比重，大量加入清水使泥浆性能大幅度变化，会对开挖面造成破坏性影响，极易发生坍塌砂涌。
3.3应用效果
采用高分子泥浆高分子泥水体系。该体系在盾构机刀盘切屑土体后可迅速形成新的泥膜，有利于开挖面的稳定。同时，高分子泥水体系具有很好的悬浮和携带土体的能力。特别在砂性土中，其优越的性能更加明显。泥水比重控制在1.25左右、粘度控制在22s左右。
四、结束语
采用高分子泥浆体系后，隧道开挖面的切口水压比原有膨润土泥水体系应用时的切口水压增加了10%左右（在切口水压的允许波动范围内），有利于泥膜的快速形成和开挖面的稳定。 高分子泥浆体系的应用使得盾构的掘进速度比原有泥水体系应用时提高了将近15％，有利于缩短施工工期。同时，由于高分子泥浆在开挖面形成的泥膜的护壁效果既减少了上部土体的坍塌，又减少了同步注浆浆液向土层当中渗透的损失，同步注浆量约减少了30％，隧道推进质量得到提高，又降低了工程成本。
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综观上述，高分子泥浆在泥水盾构施工中的应用将有很好的前景。 参考文献：
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2. 汪德珍，王建英 翻译 泥水盾构的开挖面稳定与掘削管理（日本），1982 3. 周文波，盾构法隧道施工技术及应用，中国建筑工业出版社，2004
4. 项兆池，楼如岳，傅德明，最新泥水盾构技术，上海隧道工程股份有限公司
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