游 智，鐘小春，張 洋，孫金鑫

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210000)

二十一世紀(jì)以來(lái)，盾構(gòu)法施工技術(shù)在我國(guó)隧道建設(shè)領(lǐng)域中得到了飛速發(fā)展，泥水平衡盾構(gòu)法施工因其良好的地層適應(yīng)性被廣泛采用，目前大多數(shù)的越海越江大直徑隧道都采用泥水平衡盾構(gòu)法進(jìn)行施工[1]。隨著社會(huì)對(duì)環(huán)保節(jié)能要求的不斷提高，對(duì)泥水平衡盾構(gòu)泥漿系統(tǒng)的棄漿處理提出了更高的要求[2-3]。壓濾機(jī)和泥水系統(tǒng)相結(jié)合，利用壓濾機(jī)處理盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的棄漿的方法近年來(lái)逐漸被推廣利用[4-5]。經(jīng)壓濾產(chǎn)生的大量泥餅，若采用丟棄的方式處理，不僅運(yùn)輸成本高，對(duì)環(huán)境也有很大污染。若能進(jìn)一步處理，將其調(diào)制成泥漿，并能為鄰近區(qū)間土壓平衡盾構(gòu)施工砂層渣土改良所用，這樣“變廢為寶”，不僅保護(hù)環(huán)境，減少浪費(fèi)，還能保障土壓盾構(gòu)順利掘進(jìn)，節(jié)約工程成本，具有較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)的砂層渣土改良，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。目前常用的砂層渣土改良劑有水、泡沫劑、膨潤(rùn)土泥漿等。Psomas等[6]在試驗(yàn)中對(duì)盾構(gòu)施工中砂層加入泡沫進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)加入泡沫后的混合砂抗剪強(qiáng)度和滲透系數(shù)大大減小。胡長(zhǎng)明等[7]發(fā)現(xiàn)采用濃度為1∶10膨潤(rùn)土泥漿，控制泥漿體積摻入比為1∶5進(jìn)行掘進(jìn)施工時(shí)，渣土呈比較理想的流塑態(tài)，螺旋機(jī)排土順暢且推進(jìn)速度有所提升，刀盤的磨損程度明顯減小。

在利用工程廢棄材料改良渣土方面，也有學(xué)者進(jìn)行了嘗試。王大永等[8]在哈爾濱地鐵3號(hào)線沿江車站區(qū)間盾構(gòu)穿越富水砂層時(shí)，利用膨潤(rùn)土摻加暗挖區(qū)間開(kāi)挖的黏土改良渣土，效果與利用純膨潤(rùn)土泥漿改良相似。目前，關(guān)于如何利用壓濾泥餅調(diào)制泥漿進(jìn)而改良渣土的研究還是很少，工程實(shí)踐中也鮮有嘗試。本文通過(guò)一系列室內(nèi)試驗(yàn)，從泥漿的性質(zhì)及用其改良渣土的效果兩方面，探究利用壓濾泥餅調(diào)制滿足砂層渣土改良需要的泥漿的可行性及方法。

1 壓濾泥餅調(diào)制泥漿試驗(yàn)

土壓平衡盾構(gòu)施工中，用于渣土改良泥漿應(yīng)具有合理范圍內(nèi)的密度和粘度以保證改良效果，同時(shí)也應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性，使其便于拌制及運(yùn)輸。下面就泥漿的密度控制、粘度控制、穩(wěn)定性控制三個(gè)方面，開(kāi)展壓濾泥餅調(diào)制泥漿的試驗(yàn)研究。

1.1 壓濾泥餅調(diào)制泥漿的密度控制

根據(jù)之前有關(guān)渣土改良的研究，為了達(dá)到砂性土地層渣土改良的效果，其泥漿摻入量一般需要達(dá)到渣土質(zhì)量的15%～25%[9]。為了減少泥漿的摻入量，可以通過(guò)提高泥餅調(diào)制泥漿的密度來(lái)實(shí)現(xiàn)[10]。壓濾泥餅如圖1，用其調(diào)制泥漿的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖1 壓濾泥餅Fig.1 Filter cake

從表1中可看出，泥漿蘇氏粘度與泥漿密度密切相關(guān)。當(dāng)泥漿密度達(dá)到1.365 g/cm3以上時(shí)，泥漿流動(dòng)性較低，不便于泥漿拌制和運(yùn)輸。因此，為滿足渣土改良的要求，且考慮到減少泥漿的摻入量，壓濾泥餅調(diào)制的泥漿密度宜控制在1.29～1.34 g/cm3。

表1 壓濾泥餅調(diào)制泥漿性能試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行壓濾泥餅拌制泥漿時(shí)，泥餅與水的摻入質(zhì)量比與拌制泥漿的密度、泥餅的含水率有很大的關(guān)系。為此需要進(jìn)行泥漿的二相體分析，建立相關(guān)物理模型，通過(guò)計(jì)算分析得到泥餅與水的摻入質(zhì)量比、拌制泥漿的密度、泥餅的含水率三者之間的關(guān)系如公式(1)。

(1)

式中，m——單位質(zhì)量的泥餅所需摻入水的質(zhì)量，ρ——拌制泥漿的密度，w——壓濾泥餅的含水率，Gs——泥漿顆粒比重。

依據(jù)上述物理模型的計(jì)算結(jié)果，可以得到泥餅與水的摻入質(zhì)量比與拌制泥漿的密度、泥餅的含水率的關(guān)系曲線如圖2所示。根據(jù)此理論計(jì)算結(jié)果，可以再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定拌制泥漿時(shí)泥餅與水的質(zhì)量摻入比。

圖2 壓濾泥餅拌制泥漿時(shí)泥餅與水摻入比變化曲線Fig.2 Relationship between mixing ratio of mud cake and water when filter cake is mixed with mud

1.2 壓濾泥餅調(diào)制泥漿的穩(wěn)定性控制

在調(diào)制泥漿的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用純泥餅調(diào)制的泥漿穩(wěn)定性較差，長(zhǎng)時(shí)間靜置會(huì)出現(xiàn)明顯的泌水和分層現(xiàn)象，因此需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步改良，并進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)。

在密度分別為1.29 g/cm3和1.34 g/cm3的純泥餅調(diào)制泥漿中，分別摻入鈉基膨潤(rùn)土、鈣基膨潤(rùn)土(混入碳酸鈉分散劑)、CMC溶液(質(zhì)量含量1‰)對(duì)其進(jìn)行改良，用激光粒度分析儀測(cè)得其不同粒徑顆粒含量變化如圖3所示。

內(nèi)部控制體系是企業(yè)根據(jù)經(jīng)營(yíng)管理和發(fā)展需要，利用內(nèi)部因分工產(chǎn)生的相互聯(lián)系、相互牽制的內(nèi)在關(guān)系而形成的，包含一系列具有控制職能的制度、措施、程序等在內(nèi)的運(yùn)行系統(tǒng)。其目的是為了保證經(jīng)濟(jì)資源的安全完整、經(jīng)濟(jì)信息的正確可靠、經(jīng)營(yíng)行為的合理合法、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的有序進(jìn)行，以及經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)的有效規(guī)避。內(nèi)部控制體系的核心內(nèi)容是內(nèi)部控制，其包含內(nèi)部環(huán)境、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、控制活動(dòng)、信息與溝通、內(nèi)部監(jiān)督五大要素。目前，我國(guó)大部分企業(yè)的內(nèi)控體系建設(shè)，都逐步確立了以“內(nèi)部環(huán)境為重要基礎(chǔ)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為重要環(huán)節(jié)、控制活動(dòng)為重要手段、信息與溝通為重要條件、內(nèi)部監(jiān)督為重要保證”的內(nèi)部控制框架。

圖3 摻入不同外加劑泥漿顆粒粒徑變化情況Fig.3 Variation of particle size of mud mixed with different additives

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，摻入不同外加劑后泥漿的最小粒徑(D3)均有不同程度減小；摻入鈉基膨潤(rùn)土后，泥漿的平均粒徑(D50)明顯減??；摻入鈣基膨潤(rùn)土和CMC溶液的泥漿平均粒徑(D50)無(wú)明顯變化，而最大粒徑(D97)明顯增大。將摻入不同外加劑的泥漿靜置12 h后，觀察其泌水率，結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5、圖6。

圖4 密度1.29 g/cm3泥漿摻入不同外加劑的穩(wěn)定性試驗(yàn)Fig.4 Stability test of 1.29 g/cm3 mud mixed with different additives

圖5 密度1.34 g/cm3泥漿摻入不同外加劑的穩(wěn)定性試驗(yàn)Fig.5 Stability test of 1.34 g/cm3 mud mixed with different additives

圖6 摻入不同外加劑泥漿穩(wěn)定性對(duì)比Fig.6 Stability comparison of mud mixed with different additives

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻入不同的外加劑對(duì)泥漿的穩(wěn)定性有明顯影響，摻入鈉基膨潤(rùn)土的泥漿，其泌水率明顯下降，當(dāng)摻入量達(dá)到泥漿質(zhì)量的1.7%時(shí)，泌水率降低至2.5%，當(dāng)摻入量達(dá)到泥漿質(zhì)量的3.4%時(shí)，泌水率降低至1%以下，幾乎看不到水層，泥漿表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性；摻入鈣基膨潤(rùn)土對(duì)泥漿穩(wěn)定性的改良效果不明顯；摻入CMC溶液甚至?xí)鼓酀{泌水率增大、穩(wěn)定性變差。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，摻入鈉基膨潤(rùn)土對(duì)泥漿穩(wěn)定性的改良效果最好。針對(duì)摻入鈉基膨潤(rùn)土的泥漿，為了達(dá)到渣土改良需要滿足的粘度，需進(jìn)一步進(jìn)行泥漿的粘度性能控制試驗(yàn)。

1.3 壓濾泥餅調(diào)制泥漿的粘度控制

在密度分別為1.29 g/cm3和1.34 g/cm3的泥漿中摻入泥漿質(zhì)量的1.7%、3.4%、5.1%的鈉基膨潤(rùn)土，充分?jǐn)嚢?0 min，靜置24 h后，其粘度性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

從表2中可以看出，摻入鈉基膨潤(rùn)土后泥漿改良后的粘度明顯提高，由于蘇氏漏斗粘度測(cè)試范圍有限，進(jìn)一步開(kāi)展泥漿的塑性旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器如圖7所示。

表2 摻入鈉基膨潤(rùn)土改良后的泥漿粘度性能

圖7 NXS-11B旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)Fig.7 NXS-11B rotational viscometer

試驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，密度為1.29 g/cm3和1.34 g/cm3的泥漿中摻入其質(zhì)量3.4%以上的鈉基膨潤(rùn)土，其泥漿粘度得到了大幅度提高，效果顯著，可以滿足砂層渣土改良的需要。考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工中涉及大漿液流動(dòng)性的問(wèn)題，可以在本試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展試配試驗(yàn)，摻入鈉基膨潤(rùn)土質(zhì)量在3%～5%之間。

圖8 密度為1.29 g/cm3純泥餅拌制的泥漿改良后塑性粘度曲線Fig.8 Plastic viscosity curve of mud mixed with 1.29 g/cm3 pure mud cake

圖9 密度為1.34 g/cm3純泥餅拌制的泥漿改良后塑性粘度曲線Fig.9 Plastic viscosity curve of mud mixed with 1.34 g/cm3 pure mud cake

2 砂土改良試驗(yàn)

圖10 中粗砂樣本顆粒級(jí)配曲線Fig.10 Grain size distribution curve of medium coarse sand sample

2.1 流動(dòng)性試驗(yàn)

在配制好的砂層土樣中，分別摻入不同量的水和調(diào)制好的泥漿，研究分析其流動(dòng)性隨摻水量和摻泥漿量的變化情況。

本試驗(yàn)砂土和水及泥漿混合物的流動(dòng)性通過(guò)塌落度和跳桌流動(dòng)度來(lái)綜合評(píng)價(jià)。試驗(yàn)方法依據(jù)為GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》，試驗(yàn)儀器如圖11所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖12、圖13。

圖11 流動(dòng)性試驗(yàn)Fig.11 Fluidity test

圖12 摻入不同水量渣土流動(dòng)性變化情況Fig.12 Fluidity change of slag soil mixed with different amount of water

圖13 摻入不同泥漿量渣土塌落度變化情況Fig.13 Variation of slump of slag soil mixed with different amount of mud

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著摻入水量的增加，砂土流動(dòng)性明顯提高，當(dāng)摻入渣土質(zhì)量的14%以上的水時(shí)，水-砂土混合物塌落度和跳桌流動(dòng)度均能達(dá)到100 mm以上，呈現(xiàn)較好的流動(dòng)狀態(tài)；摻入調(diào)制的泥漿后，水-砂土-泥漿混合物的流動(dòng)性和整體性進(jìn)一步提高；當(dāng)摻入渣土質(zhì)量的6%以上的泥漿時(shí)，改良后的渣土呈較好的流塑狀態(tài)。

2.2 滲透試驗(yàn)

滲透試驗(yàn)的目的是分析砂土地層渣土改良前后的滲透系數(shù)變化情況，確保改良后的渣土能滿足盾構(gòu)施工要求[13-14]。本試驗(yàn)利用的是空壓機(jī)+可密閉滲透儀組成的帶壓滲透儀裝置，裝置及試驗(yàn)過(guò)程如圖14所示。其中，空壓機(jī)提供的氣壓可以換算成常水頭滲透試驗(yàn)的水頭高度，滲透系數(shù)按照式(2)計(jì)算。

圖14 帶壓滲透試驗(yàn)Fig.14 Permeability test under pressure

(2)

式中，k——滲透系，m/s；V——滲出水的體積，m3；L——渣土的高度，m；A——滲流橫截面面積，m2；H1,H2——水頭高度，m；H3——?dú)鈮簱Q算水頭高度，m；t——滲流時(shí)間，s。

摻入不同量泥漿渣土的滲透系數(shù)見(jiàn)表3。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，未摻入泥漿的渣土滲透性較強(qiáng)，滲透系數(shù)達(dá)到2.33×10-2，摻入調(diào)制的泥漿后，滲透系數(shù)明顯下降，達(dá)到10-4數(shù)量級(jí)，可以滿足土壓平衡盾構(gòu)施工的要求[15-17]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻入泥漿量達(dá)到6%以上，隨著泥漿摻入量的增加，渣土泥漿混合物的滲透性降低程度逐漸減緩。綜合考慮改良效果和經(jīng)濟(jì)性，泥漿最優(yōu)摻入量為渣土質(zhì)量的6%～10%。

表3 摻入不同量泥漿渣土的滲透系數(shù)(單位：cm/s)

實(shí)際施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)穿越全斷面中粗砂地層時(shí)，單采用泡沫劑進(jìn)行渣土改良時(shí)，盾構(gòu)機(jī)推力達(dá)到40 000 kN左右，刀盤扭矩達(dá)到12 000 kN·m，刀具磨損較為嚴(yán)重，并且渣土易排水固結(jié)，引發(fā)在土艙及螺旋機(jī)內(nèi)“結(jié)泥餅”現(xiàn)象，后果嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)無(wú)法順利排土，掘進(jìn)困難[18-21]。采用泡沫劑+調(diào)制泥漿進(jìn)行渣土改良，盾構(gòu)機(jī)推力和刀盤扭矩均能下降20%以上，螺旋機(jī)排土順暢，推進(jìn)速度也有所提高且穩(wěn)定。因此，從實(shí)際施工的情況來(lái)看，利用泥水平衡盾構(gòu)壓濾泥餅調(diào)制泥漿，用于土壓平衡盾構(gòu)砂層渣土改良，能取得不錯(cuò)的效果，同時(shí)節(jié)約了工程成本，保護(hù)了環(huán)境。

3 結(jié)論

1)利用泥水平衡盾構(gòu)壓濾泥餅調(diào)制泥漿用于土壓平衡盾構(gòu)渣土改良時(shí)，泥漿密度宜為1.29～1.34 g/cm3。密度過(guò)小則泥漿摻入量過(guò)大，不經(jīng)濟(jì)；密度過(guò)大則泥漿粘度過(guò)大，流動(dòng)性較差甚至無(wú)法流動(dòng)，在施工中無(wú)法運(yùn)輸和使用。

2)壓濾泥餅調(diào)制泥漿，若不摻入外加劑，泥漿泌水率較大，穩(wěn)定性較差，不便于施工。比較摻入鈉基膨潤(rùn)土、鈣基膨潤(rùn)土、CMC溶液(質(zhì)量含量1‰)三種外加劑效果，鈉基膨潤(rùn)土對(duì)其穩(wěn)定性提高作用明顯，當(dāng)摻入3%質(zhì)量以上的鈉基膨潤(rùn)土?xí)r，靜置24 h以上，泌水率降到1%以下，漿體幾乎沒(méi)有水層，具有較好的穩(wěn)定性。

3)摻入鈉基膨潤(rùn)土對(duì)調(diào)制泥漿粘度的提高有明顯效果，摻入泥漿質(zhì)量3.4%以上的鈉基膨潤(rùn)土?xí)r，泥漿粘度大幅提高，效果顯著。實(shí)際施工中，考慮到現(xiàn)場(chǎng)涉及大漿液流動(dòng)性的問(wèn)題，可以在鈉基膨潤(rùn)土摻入量3%～5%范圍內(nèi)進(jìn)一步開(kāi)展試配試驗(yàn)，以進(jìn)一步明確鈉基膨潤(rùn)土的摻入量。

4)將利用壓濾泥餅配制的密度為1.34 g/cm3并摻入4%質(zhì)量鈉基膨潤(rùn)土的泥漿，運(yùn)用到土壓平衡盾構(gòu)中粗砂地層渣土改良中，取得了不錯(cuò)的效果。泥漿摻入量?jī)H需達(dá)到渣土質(zhì)量的6%～10%，就可以接近純膨潤(rùn)土泥漿的改良效果，渣土呈現(xiàn)較好的流動(dòng)性和較低的滲透性，能滿足施工要求。

5)在使用壓濾機(jī)處理泥水平衡盾構(gòu)棄漿的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮如何利用壓濾泥餅調(diào)制泥漿，并運(yùn)用到臨近區(qū)間土壓平衡盾構(gòu)施工中，是一個(gè)泥漿廢棄物回收利用的節(jié)能環(huán)保新思路，有一定的參考價(jià)值。