周千淼， 張 濤， 肖岸峰， 王劍鋒, ， 張 鵬, *

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074； 2. 上海公路橋梁(集團(tuán))有限公司， 上海 200433)

0 引言

頂管法是一種非開挖管道鋪設(shè)方法，施工中由頂管機(jī)頭刀盤回轉(zhuǎn)切削地層，始發(fā)井千斤頂施加頂進(jìn)力，逐節(jié)將管道頂入地層，具有施工深度大、對(duì)周圍環(huán)境影響小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。在頂進(jìn)過程中，管節(jié)與地層之間的摩阻力是導(dǎo)致頂進(jìn)力增大的重要原因[1]，對(duì)此，可以使用泥漿進(jìn)行潤(rùn)滑減阻。理想情況下，泥漿可以完全包裹管道，管道與地層由固-固接觸轉(zhuǎn)化為固-液-固接觸。在含鹽地層中進(jìn)行頂管施工，由于地層鹽侵的作用，泥漿會(huì)出現(xiàn)黏度下降和漏失量增大等問題，導(dǎo)致泥漿套無法形成，潤(rùn)滑失效[2]。例如： 黃水東調(diào)二期穿越某河流的頂管工程處于山東省濰坊地區(qū)，該地區(qū)自20世紀(jì)80年代起受海水入侵嚴(yán)重，地層水礦化度較高[3]，存在潤(rùn)滑泥漿失穩(wěn)的問題。

為解決鹽侵泥漿問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者開展了有關(guān)研究。王福芝等[4]通過正交試驗(yàn)優(yōu)選出抗鹽潤(rùn)滑泥漿配方，并成功應(yīng)用于港珠澳大橋拱北隧道管幕頂管施工。林俊宇[5]通過室內(nèi)配伍性試驗(yàn)，研究了鉆井泥漿體系對(duì)鈣離子的抵抗能力。劉晶晶等[6]通過試驗(yàn)得到一種以海水作為配漿水、黃原膠作為增黏降濾失劑的海水泥漿，減少了咸水淡化費(fèi)用。在抗鹽漿材方面，陶懷志[7]、朱騰[8]、李占國(guó)等[9]進(jìn)行了高分子抗鹽降濾失劑的開發(fā)，研發(fā)的多元共聚物加入鉆井泥漿中具有抗單種鹽侵或復(fù)合鹽侵的能力。在注漿減阻方面，王春婷等[10]分析了泥漿滲透方式和潤(rùn)滑原理。王雙等[11]考慮了管段在泥漿套中的位置狀態(tài)，針對(duì)不同形式的泥漿套提出了更接近實(shí)際情況的摩阻力計(jì)算方法。綜上所述，有關(guān)抗鹽泥漿的研究在鉆井液和漿材方面比較豐富，但針對(duì)頂管潤(rùn)滑泥漿在砂層中的抗鹽、抗?jié)B性能卻鮮有研究。

本文結(jié)合頂管相關(guān)技術(shù)規(guī)范[12-13]中對(duì)潤(rùn)滑泥漿的性能要求，選用凹凸棒土等抗鹽漿材，以高黏度、低濾失量作為泥漿控制指標(biāo)配制抗鹽潤(rùn)滑泥漿，并通過抗鹽試驗(yàn)和抗?jié)B試驗(yàn)分析不同陽(yáng)離子的鹽侵特點(diǎn)和泥漿在不同粒徑地層中的抗?jié)B效果，以期為頂管工程提供指導(dǎo)。

1 鹽侵原理及抗鹽方法

黃水東調(diào)二期穿越某河流的頂管工程施工穿越地層水質(zhì)分析報(bào)告如表1所示。地層水最高礦化度為67 g/L，屬于鹽水—鹵水范圍；現(xiàn)場(chǎng)配漿使用的河水為“Cl-Mg-Na”型水質(zhì)，其最高礦化度為11 g/L，屬于強(qiáng)咸水。因此，高含鹽地層中大量Mg2+、Ca2+、Na+等陽(yáng)離子會(huì)抬高泥漿膠體ζ電位，并吸附在黏土顆粒表面或進(jìn)入層間進(jìn)行離子交換，縮小泥漿與造漿黏土的電位差，即壓縮雙電子層厚度，導(dǎo)致黏土顆粒水化膜變薄，擴(kuò)散層半徑急劇減小，出現(xiàn)膠體率下降、濾失量增加、黏度下降等問題。這種狀態(tài)的泥漿無法滿足防滲和潤(rùn)滑要求[14]。

對(duì)此，應(yīng)在3方面改良泥漿性能： 1)提高降濾失性，使用降濾失劑可以吸附在泥漿顆粒表面以阻止泥漿顆粒絮凝，有利于形成致密的泥皮。2)提高黏度，通過加入高分子增黏劑與泥漿顆粒形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高泥漿分散度，起到支撐管節(jié)和地層的作用。3)提高配漿水礦化度，以縮小泥漿與管周土體的陽(yáng)離子質(zhì)量濃度差。

表1 復(fù)合鹽水中各陽(yáng)離子質(zhì)量濃度對(duì)照表

2 泥漿配制

2.1 抗鹽泥漿性能要求

為保證泥漿受鹽侵后能滿足頂管施工需求，結(jié)合頂管潤(rùn)滑泥漿及鹽侵特點(diǎn)，對(duì)泥漿性能要求如下： 鹽侵前黏度>60 s，失水量小于15 mL/30 min，24 h無離析水，黏附系數(shù)轉(zhuǎn)矩值小于5 N·m；鹽侵后黏度>30 s，失水量小于25 mL/30 min，膠體率大于95%，NF-2轉(zhuǎn)矩儀測(cè)得黏附系數(shù)小于0.035[12-13]。

2.2 配漿材料

1)選擇安徽產(chǎn)200目提純凹凸棒土和山東濰坊產(chǎn)工業(yè)級(jí)膨潤(rùn)土，其中凹凸棒土屬于海泡石族礦物，常規(guī)條件下其顆粒片狀程度較低，故造漿性能不如膨潤(rùn)土，但凹凸棒土特殊的內(nèi)部構(gòu)造使其鹽侵前后的水化膨脹能力幾乎不變[15]。

2)使用抗鹽性能較好的黃原膠、HV-CMC(高黏度那羧甲基纖維素)作為的增黏劑，LV-CMC(低黏度那羧甲基纖維素)為降濾失劑，NaOH作為 pH調(diào)節(jié)劑，各材料純度均為分析級(jí)。

2.3 造漿黏土配比

本配方通過凹凸棒土與膨潤(rùn)土配合使用的方法彌補(bǔ)凹凸棒土水化能力差的缺點(diǎn)。將配置好的泥漿靜止水化12 h后進(jìn)行配比，試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表可知，泥漿性能隨著凹凸棒土加量增加而緩慢提升，考慮到2種材料的特點(diǎn)以及成本，確定配比為1∶1。

表2 不同的黏土配比對(duì)泥漿性能的影響

結(jié)合國(guó)內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)，本配方造漿黏土加量范圍擬定為8%～14%，配漿并水化12 h后加量試驗(yàn)結(jié)果如表 3所示。分析認(rèn)為,2種造漿黏土加量增加導(dǎo)致漏斗黏度和動(dòng)切力大幅度上升，這有利于發(fā)揮潤(rùn)滑泥漿承載管道作用，但黏度過高會(huì)導(dǎo)致泵送困難和成本上升。綜合分析確定凹凸棒土與膨潤(rùn)土加量各5%，NaOH加量0.35%。

表3 不同的黏土加量對(duì)泥漿性能的影響

2.4 增黏劑和降濾失劑單劑優(yōu)選

為突出增黏劑和降濾失劑的抗鹽效果，本試驗(yàn)將造漿黏土總加量設(shè)定為6%，并使用與現(xiàn)場(chǎng)河水礦化度相同的配漿水(下文簡(jiǎn)稱配漿水)。增黏劑和降濾失劑加量范圍為0.2%～1.0%，加量梯度為0.2%。主要測(cè)試泥漿的膠體率、漏斗黏度和濾失量,得到結(jié)果如圖 1—3所示。由圖可知，HV-CMC對(duì)泥漿的黏度和降濾失性的改善最明顯，故可以選擇HV-CMC為增黏劑和降濾失劑，加量擬定0.8%。由此可以得到泥漿配方為： 配漿水+5%加量凹凸棒土+5%加量膨潤(rùn)土+0.35%加量NaOH+0.8%加量HV-CMC。

XC為黃原膠。

圖2 3種增黏降濾失劑對(duì)漏斗黏度的影響

圖3 3種增黏降濾失劑對(duì)濾失量的影響

3 泥漿抗鹽侵性能試驗(yàn)

為研究抗鹽性能，按照上述配方配漿并預(yù)水化12 h后，以表 1中模擬地層含鹽量對(duì)應(yīng)加量為最大加量，向泥漿中加入梯度質(zhì)量百分比的復(fù)合鹽粉末，攪拌30 min后測(cè)試得到的性能參數(shù)如表 4所示。在最高質(zhì)量濃度復(fù)合鹽侵下，本配方性能達(dá)到2.1節(jié)要求。鹽侵主要表現(xiàn)為漏斗黏度、動(dòng)切力下降，濾失量上升；鹽侵質(zhì)量濃度對(duì)抗鹽泥漿的影響是非線性的： 復(fù)合鹽加量由0增至2%時(shí)漏斗黏度下降了37.8 s，濾失量增加6 mL/30 min；鹽加量由2%增至6.7%，漏斗黏度下降5.9 s，濾失量增加4 mL/30 min，泥漿性能不再隨復(fù)合鹽加量增加而大幅度下降。

表4 復(fù)合鹽侵對(duì)抗鹽泥漿的影響

單種陽(yáng)離子對(duì)抗鹽泥漿的影響見表 5。通過進(jìn)一步的單一陽(yáng)離子鹽侵試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，3種鹽對(duì)泥漿的影響差別較大。由表可知，泥漿抗Ca2+濃度最大為7.207 mol/L，而Na+、Mg2+濃度分別達(dá)到78.632、11.823 mol/L時(shí)泥漿仍滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求。這是由于Ca2+、Mg2+價(jià)位更高，對(duì)雙電子層的壓縮能力更強(qiáng)，并且Ca2+本身水化能力最弱，所以Ca2+鹽侵對(duì)泥漿影響最大，Mg2+其次,Na+最弱。

表5 單種陽(yáng)離子對(duì)抗鹽泥漿的影響

4 抗?jié)B性能研究

4.1 試驗(yàn)方案及設(shè)備

通過API中壓濾失儀抗漏失試驗(yàn)可以證明抗鹽泥漿在鹽侵條件下良好的降濾失性。然而,頂管施工中管周地質(zhì)條件復(fù)雜于濾紙表面，泥漿的真實(shí)滲透量無法通過該試驗(yàn)表示。對(duì)此，以表1所示含鹽量配置地層水對(duì)泥漿進(jìn)行鹽侵，并制備3種級(jí)配的飽和砂樣，依據(jù)表 6試驗(yàn)參數(shù)，使用滲透儀進(jìn)行試驗(yàn)。其中，對(duì)照組普通泥漿鹽侵前漏斗黏度大于70 s，API濾失量小于5 mL/30 min。3種砂樣級(jí)配如圖4—6所示。

表6 注漿抗?jié)B試驗(yàn)參數(shù)表

圖4 樣品1砂樣級(jí)配圖

圖5 樣品2砂樣級(jí)配圖

圖6 樣品3砂樣級(jí)配圖

參考蘇立君等[16]、朱崇輝[17]使用的滲透量測(cè)試儀，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的滲透設(shè)備如圖7所示，由框架、亞克力管道、密封端蓋和壓力系統(tǒng)組成，最大試驗(yàn)壓力500 kPa。其工作原理如圖8所示，通過調(diào)壓閥控制氮?dú)夤掭敵鰵鈮?，將泥漿經(jīng)由管道注入含鹽量為6.7%的地層水(見表1)浸泡的飽和砂樣中，并使用量筒和電子天平實(shí)時(shí)記錄滲透量變化。

圖7 滲透儀組件實(shí)物圖

圖8 滲透儀組件原理圖

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

滲透試驗(yàn)結(jié)果如圖9—11所示。通過分析泥漿滲透量曲線可以發(fā)現(xiàn)，抗鹽泥漿滲透主要發(fā)生在泥皮和滲透帶形成之前，泥皮形成后，滲透量?jī)H在壓力梯度增加時(shí)產(chǎn)生小幅度上升；而普通泥漿滲透量普遍較大，且曲線形態(tài)在不同粒徑地層中有很大區(qū)別。

圖9 砂樣1中3種漿水抗?jié)B性能對(duì)比

圖10 砂樣2中3種漿水抗?jié)B性能對(duì)比

(a)

在砂樣1中，鹽侵后的普通泥漿滲透量達(dá)到2 177 mL，這是由于砂樣1滲流通道直徑較大，受鹽侵的泥漿顆粒黏度低，滲透速率快，難以在滲流通道中形成橋接。而在砂樣2和砂樣3的試驗(yàn)中，絮凝狀泥漿顆粒堆積在砂樣上方，形成的松散泥皮無法阻止泥漿中的水繼續(xù)漏失，在調(diào)壓期間出現(xiàn)滲透量激增現(xiàn)象。

相較于普通泥漿，鹽侵后的抗鹽泥漿滲透速率下降更快，能夠短時(shí)間內(nèi)堵塞砂樣滲流通道并形成具有阻流作用的滲透帶；并且由于泥漿分散度更高，泥漿顆?？梢栽谏皹颖砻嫘纬芍旅艿哪嗥?，起到抗壓抗?jié)B的作用。如圖11所示，在砂樣3中僅注漿壓力增加瞬間滲透量發(fā)生少量增加，其他時(shí)間泥漿不發(fā)生滲透，總滲透量小于50 mL，抗?jié)B效果良好。

綜合分析認(rèn)為，泥漿滲透量受泥漿抗鹽能力和地層粒徑2方面影響，抗鹽泥漿在砂樣1的滲透量是砂樣3的17.8倍。因此，施工中需注意泥漿與地層的匹配性，如在粗砂層中注漿可在泥漿中添加適量細(xì)砂作為骨架材料，更有利于形成泥皮和抗?jié)B滲透帶。

5 結(jié)論與討論

1)凹凸棒土-膨潤(rùn)土頂管潤(rùn)滑泥漿具有抗鹽效果好、高黏度、低濾失量的特點(diǎn)，在鹽侵試驗(yàn)中各項(xiàng)指標(biāo)能達(dá)到要求，可以應(yīng)用于含鹽地層頂管工程。

2)泥漿性能在受到鹽侵時(shí)表現(xiàn)為先快速下降后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，且抗?jié)B性和黏度受鹽侵影響最大。不同價(jià)位陽(yáng)離子鹽侵能力不同，Na+通過縮小電位差壓縮擴(kuò)散層；而Mg2+、Ca2+離子在縮小電位差的同時(shí)減少擴(kuò)散層中的離子個(gè)數(shù)，擴(kuò)散層被壓縮更嚴(yán)重，鹽侵能力更強(qiáng)。

3)在中粗砂層注漿中，提高泥漿的黏度和分散度有利于降低泥漿顆粒的滲流速率、堵塞滲流通道。并且在不同粒徑的砂層中泥漿的抗?jié)B能力相差很大，建議施工前進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，分析泥漿與地層的匹配效果，使室內(nèi)試驗(yàn)更具有現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)意義。

4)本文對(duì)含鹽地層頂管泥漿材料進(jìn)行了室內(nèi)研究，泥漿材料對(duì)頂管施工至關(guān)重要，下一步準(zhǔn)備結(jié)合工程案例進(jìn)行應(yīng)用研究，并將頂管泥漿拓展到各地層的應(yīng)用中。