姜 腾，姚占虎，闵凡路

(1.河海大学岩土工程研究所,江苏 南京 210098; 2.中交隧道工程局有限公司,北京 100088; 3.河海大学力学与材料学院,江苏 南京 210098)

废弃黏土在泥水盾构泥浆配制中的再利用研究

姜 腾1，姚占虎2，闵凡路3

(1.河海大学岩土工程研究所,江苏 南京 210098; 2.中交隧道工程局有限公司,北京 100088; 3.河海大学力学与材料学院,江苏 南京 210098)

南京纬三路过江通道在竖井施工和盾构始发段掘进过程中产生了大量废弃的黏土，如何经济环保地处理废弃土成为工程面临的一大难题。工程盾构段约40%的地层是粉细砂地层，该地层对泥浆指标要求较低，考虑利用废弃黏土来配制掘进泥浆。采用填土、淤泥质粉质黏土、膨润土分别与泥浆增黏剂混合配浆，使用自制的泥浆渗透仪测定泥浆的滤失量和成膜质量，最后结合现场施工监测数据验证泥浆配比的可行性。结果表明，采用始发段废弃淤泥质粉质黏土配制的泥浆稳定性较好，形成的泥膜致密、泥浆失水量小，能够满足粉细砂地层的盾构掘进。

南京纬三路过江通道；废弃黏土；粉细砂地层；泥浆；泥膜

0 引言

南京纬三路过江通道(以下简称纬三路隧道)在施工前期产生了大量的废弃黏土，这些工程废弃土的常规处理方法是外运至弃土场，存在成本高、环保要求高的问题。如果能将这些渣土就近处理或加以利用，将产生可观的经济和环保效益。纬三路隧道采用泥水加压式盾构施工[1]，在泥水加压式盾构掘进中，泥浆起着维持开挖面稳定、循环携渣和润滑冷却刀具等作用[2]，泥浆性质在很大程度上影响着盾构的掘进和工程安全，同时泥浆材料及配比的选择又影响着工程成本。因此，能否考虑将废弃黏土用于配制泥浆，成为工程界较为关注的问题之一。

泥浆在泥浆压力的作用下向地层中渗透，并在开挖面上形成泥膜，泥膜的形成是泥浆压力有效平衡开挖面土水压力的关键，同时还能减少泥浆的漏失[3]，而泥浆材料组成和泥浆性质对泥膜形成及泥浆滤失有重要的影响。韩晓瑞等[4]针对南京长江隧道穿越砾砂地层，采用自制的泥浆渗透装置开展的研究，结果表明泥浆漏斗黏度越大，形成泥膜的速度越快，泥膜越致密，泥膜形成后滤水量越小；袁大军等[5]通过渗透试验研究泥浆对砂卵石地层的适应性发现，泥浆密度越大，泥膜质量越好，在密度达到1.08 g/cm3时，增大泥浆的黏度并不能有效减少泥浆的渗流量；MIN Fanlu等[6]在不同性质泥浆的成膜实验中，发现泥浆的黏粒含量越高，形成泥膜的滤水量越小，泥膜越致密，并指出泥浆的黏粒含量可以作为砂地层泥浆配制的一个指标；Fritz P.等[7]针对瑞士采用泥水盾构在高渗透性地层(k>10-1cm/s)修建隧道，发现向泥浆中加入一定量较大粒径的细砂、蛭石以及高分子聚合物等添加剂，可以满足泥浆在高渗透性地层的成膜要求。

泥水盾构产生的废弃泥浆一般通过泥水分离设备和化学方法来进行分离处理[8-10]，处理成本较高。王春河等[11]在南京纬七路长江隧道粉细砂段盾构施工中，通过向淤泥质粉质黏土地层废弃黏土浆中加入适量高分子材料和水，实现了对淤泥质粉质黏土地层废弃黏土浆的循环使用，取得了良好的施工效果和经济效益。目前，与泥水盾构废弃黏土的再利用相关的研究仍较少。

本文针对南京纬三路过江通道大量废弃黏土的再利用这一工程问题，以盾构施工产生的废弃黏土作为泥浆材料，通过试验比较不同泥浆材料及配比下泥浆的性质及成膜的效果，为工程施工中泥浆材料的选择和配比提供了重要的参考，为废弃黏土的处理和利用提供了新的思路。

1 工程概况与问题分析

南京纬三路过江通道位于南京长江大桥与纬七路长江隧道之间，盾构段隧道设计为双管隧道，采用2台φ14.93 m泥水加压盾构施工，由江北始发井出发，同向掘进施工。南管隧道盾构段长4 134.8 m，北管隧道盾构段长3 537.8 m。隧道穿越地层上部为填土和第四系全新统冲淤积流塑淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土、粉砂等，中部为第四系全新统中密-密实粉细砂组成，下部为上更新统密实状砾砂、圆砾等；岩石地层主要为白垩系泥岩、粉砂质泥岩。盾构穿越各地层具体长度如表1所示。

表1纬三路隧道盾构段穿越地层统计(以南线为例)
Table 1 Different strata through which the southern tube of Nanjing Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel passes

地层长度/m淤泥质粉质黏土地层870淤泥质粉质黏土与粉细砂混合地层345粉细砂地层1670粉细砂与砾砂、卵石混合层330砾砂、卵石地层380砾砂、卵石与中风化砂岩混合地层540

本工程前期施工中明挖段产生了大量填土，盾构始发段掘进过程中穿越了200 m黏粉粒含量较高的淤泥质粉质黏土地层，产生了大量的废弃黏土，这些废弃土按常规方法处理成本较高，且废弃会造成周围环境的污染。同时，由于本工程盾构穿越的全断面粉细砂地层达1 670 m，占盾构段长度的40%左右，该地层渗透系数为7.29×10-3cm/s，泥浆不需要进行专门的处理(如添加粗颗粒等)，基本上就能满足成膜要求。但是，为了满足泥浆物理稳定性(如停机状态时泥浆不出现严重离析等)及成膜后泥浆滤失量的要求，根据相关工程经验，在该地层中掘进时泥浆密度应调整为1.10～1.15 g/cm3，漏斗黏度(苏式)为20 s以上。如果能在粉细砂地层的掘进段使用废弃土作为造浆材料进行配浆，将极大地降低配浆成本，并具有一定的环境保护效益。

2 粉细砂地层泥浆配比试验

2.1 实验材料

采用普通Na基膨润土(简称膨润土)、现场明挖段产生的填土(简称填土)、始发段淤泥质粉质黏土地层产生的黏土(简称黏土)作为泥浆基础材料，填土与黏土的基本性质如表2所示；使用CYHS-3型增黏剂(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)来调节泥浆黏度，按照不同的配比共配制9组泥浆。采用苏式漏斗黏度仪(水的漏斗黏度为15 s)测泥浆漏斗黏度，1002型比重称测量泥浆密度，Master 3000激光粒度分析仪测泥浆颗粒级配，1 000 mL量筒测量泥浆2 h泌水量。3种土的颗粒级配曲线如图1所示。填土和淤泥质粉质黏土颗粒中细粒含量较高，黏粒(<5 μm土颗粒)含量分别为19%和22%，d85分别为62 μm和53 μm；膨润土黏粒含量为12%左右，砂(>75 μm土颗粒)含量达21%，d85约为99 μm。

表2 黏土与填土基本性质Table 2 Physical properties of waste clay and fill

图1 实验材料颗粒级配曲线

2.2 泥浆配比选择

泥浆基本性质见表3。从表3可以看出：直接使用3种土配制成1.15 g/cm3的浆液，浆液黏度在15.5～17 s，黏度较低，2 h泌水率为50%～70%，泥浆离析严重，物理稳定性较差，不宜作为盾构泥浆直接使用，其中，黏土泥浆的泌水率最小。在3种泥浆中加入增黏剂以质量浓度为3%的增黏剂溶液添加，添加比例见表3。提高增黏剂干粉质量比后，各泥浆黏度提高明显，2 h泌水率显著降低。3种土相比，随着增黏剂添加量的增加，黏土泥浆的黏度增长最快，2 h泌水率降至1.2%；填土泥浆次之，膨润土泥浆增长幅度最缓。3组泥浆均满足泥水盾构掘进要求，但填土泥浆和膨润土泥浆的2 h泌水率依然较大，超过10%，在盾构掘进间隙或停机检修时，易出现泥浆离析严重的现象。此时，相当于每1 000 m3泥浆中添加增黏剂干粉5.1～8.5 t，考虑到经济性要求，只有S8和S9泥浆指标能满足施工要求，可作为盾构掘进时粉细砂地层用泥浆。这也表明，土料中黏粒含量越高，其配成的泥浆物理稳定性越好，调节泥浆至相同的黏度或泌水率，使用增黏剂的量越少。

3 拟选作掘进用泥浆成膜效果的验证试验

3.1 试验仪器和方法

图2为自行研制的泥浆渗透成膜试验仪，该装置由泥浆渗透试验柱、空气压缩机、气压调节装置以及数据自动采集装置等组成。实验柱内径84 mm，高120 cm，顶部用法兰盘密封，法兰盘下方有压缩空气入口，施加在泥浆上的气压等于实际盾构掘进时泥浆压力与地层静水压力的差压，底部设有排水口。此装置可以测定泥膜形成过程中泥浆在地层中的滤失量、泥膜厚度等，进而评价泥浆成膜的质量。

表3 泥浆基本性质表Table 3 Physical properties of slurry

图2 泥浆渗透成膜试验仪

试验装样顺序如图2所示，试验地层为粉细砂地层，颗粒级配曲线如图1所示，d15=55 μm，实测渗透系数为6.0×10-3cm/s。开始试验时，先饱和地层，然后注入试验泥浆，注意避免扰动地层，将装置密封。打开气阀，设定气压值，打开排水阀，泥浆开始渗入地层并形成泥膜，成膜结束后，打开排泥阀，排出多余泥浆。试验中记录地层滤水量随时间变化，观测记录形成泥膜和渗透带的厚度。根据韩晓瑞的泥膜质量评价方法[5]，本试验采用分级加载的形式施加泥浆压力，泥浆压力共4级，分别为0.05，0.1，0.15及0.2 MPa，每级维持3 min，第1级泥浆压力的目的在于判断此泥浆在此地层中能否成膜，后面3级压力的作用在于评判此泥膜的质量，利用分级加载时滤水量的增量来判断该泥膜的渗透性。

3.2 泥膜质量评价

以泥浆各指标稍低的S8泥浆作为成膜试验泥浆，若成膜效果良好，则S9亦能形成质量良好的泥膜。图3为S8泥浆在粉细砂地层中的渗透成膜试验，图4为泥浆在泥水压力作用下向地层中渗透时，地层滤水量随时间的变化曲线，在0.05 MPa压力下，泥浆滤失量快速增大，10 s左右时滤水量曲线变得平缓，形成稳定的渗透，这表明泥浆颗粒逐渐在地层表面堆积，形成一层泥膜，使整个地层的渗透系数降低。

图3 粉细砂地层泥浆渗透

图4 S8泥浆分级加压下滤水量随时间变化

继续加大泥浆压力可以看出，每级压力下3 min内总的滤水量约为1.5×10-3m3/m2，小于第1级压力下的2.5×10-3m3/m2，这是因为泥膜形成使地层渗透系数降低的缘故。将形成的泥膜视为地层的一部分，由每级压力下滤水量随时间的变化和装置的相关参数，根据达西定律v=ki估算泥膜形成后整个地层的渗透系数约为9.2×10-6cm/s，远小于地层的初始渗透系数，数量级与黏土地层的渗透系数相同，表明所形成的泥膜非常致密。同时观测到S8泥浆在粉细砂地层中渗透时，泥浆没有渗入地层形成渗透带，泥浆和地层之间有明显的分界线，形成了厚度2 mm左右的泥皮型泥膜，如图5所示。

图5 粉细砂地层表面泥膜

将实验中得到的滤水量换算到实际盾构尺寸上，可估算出每掘进一环泥浆的滤失量。设盾构掘进时刀盘转速为n，每环掘进时间为t，试验中泥膜形成时的滤水量为v，刀盘外径为D，掘进时实际泥浆滤失量为V，假设刀盘转一圈每把刀具在开挖面上走过的轨迹不发生重叠，则V=ntv(1/4πD2)。在纬三路过江通道项目中，粉细砂地层中盾构掘进时n=0.7 r/min，t=80 min，D=14.93 m，本试验中取v=2.00×10-3m3/m2(考虑盾构刀盘转动一圈约为1.4 min折算)，由此计算掘进时每环泥浆滤失量V≈19.5 m3。

4 现场泥浆成膜情况与经济性分析

采用S8泥浆配比在SK3+710～SK4+310区间内掘进300环，每环平均进浆密度为1.10～1.13 g/cm3，平均回浆密度为1.20～1.25 g/cm3，泥浆物理性质稳定，每环平均滤失量为20～30 m3，与成膜试验模拟计算的泥浆滤失量相当，说明在地层表面形成了泥皮型泥膜，同时泥膜起到了很好地传递泥浆压力支护地层稳定的作用。该配比每1 000 m3泥浆中消耗废弃黏土88.3 t(干质量)，增黏剂5.1 t，与S3泥浆配比进行比较，每1 000 m3泥浆至少可节约膨润土83.3 t，增黏剂3.2 t，可产生较高的经济效益。

5 结论与建议

1)在南京纬三路过江通道工程粉细砂地层中，采用淤泥质粉质黏土添加增黏剂进行配浆是可行的，每1 000 m3泥浆中增加添加剂5.1～8.5 t，可以调整泥浆黏度至19.5～38.1 s，2 h泌水率降低至1.2%～5.1%。

2)密度1.12 g/cm3、黏度约20 s的淤泥质粉质黏土与增黏剂的混合泥浆，在粉细砂地层中可渗透形成较为致密的泥皮型泥膜，地层渗透系数降至9.2×10-6cm/s，滤失量较小，平均每环泥浆滤失量的估算值为19.5 m3，与实际监测值20～30 m3较为吻合。

3)采用该配浆方法每1 000 m3泥浆可节约膨润土至少83.3 t，增黏剂3.2 t，可满足盾构掘进的使用，具有较高的经济性和环保意义。但该泥浆在其他地层中的适用性仍需进一步验证。

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长春地铁2号线车站主体结构“搭积木”拼装

日前，长春地铁2号线袁家店站施工工艺取得了重大突破。工人们将在工厂预制好的主体结构像搭积木一样一块块“搭”上基础，然后连接、加固，最终完成2阶段共24环(每环长度2 m)的装配式结构预制和拼装工作，这是国内首次将装配式结构预制和拼装用于地铁工程建设。目前，我国北方地区地铁标准站建设周期为14～16个月，采用装配式结构施工工艺可以缩短工期4～6个月，从而解决了地铁车站结构在1年内无法完工的难题。由于采用工厂化预制，所以不消耗木材，现场也基本没有建筑垃圾，同时，这种新工艺具有绿色、环保、节能的特点，在减少施工用地，特别是在现场施工劳动力的使用上可以节省50%以上，安全风险较低。

在拼装现场，2台龙门吊配合拼装台车共同作业，拼装分3组进行，每组10人，第1组拼装底板AB块，第2组负责拼装侧墙，第3组负责拼装顶板。整个拼装过程人员分工明确，拼装精度高，形成阶梯式流水作业。

袁家店站是国内第一座预制装配式地铁车站，装配式地铁结构关键技术试验成功，不仅实现了本领域的新突破，也标志着我国地下工程预制装配式技术迈入了新的里程碑。

(摘自 吉和网 http://news.365jilin.com/html/20141130/2094750.shtml)

StudyonCyclicUseofWasteClayinPreparingSlurryforSlurryShieldBoring

JIANG Teng1,YAO Zhanhu2,MIN Fanlu3

(1.GeotechnicalResearchInstituteofHohaiUniversity,Nanjing210098,Jiangsu,China; 2.CCCCTunnel
EngineeringCompanyLimited,Beijing100088,China; 3.CollegeofMechanicsandMaterials,HohaiUniversity,
Nanjing210098,Jiangsu,China)

The construction of the vertical shafts and the shield launching sections of Nanjing Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel produced a huge amount of waste clay.On the other hand,40% of the shield-bored section of the mentioned tunnel is located in fine silty sand strata,which requires that the slurries to be used need not have high performance.As a result,the waste clay produced is reused to prepare slurries for slurry shield boring.The waste clay is mixed with fill,muddy-silty clay and bentonite to prepare slurry.The filter loss and filter membrane quality of the slurry prepared are tested by means of self-made slurry infiltration testing device.The mixing proportion of the slurry is verified by the site monitoring data.The study shows that the mentioned slurry with waste clay mixed has such advantages as good stability,compact filter membrane and low slurry loss,and it can meet the requirements of shield boring in fine silty sand strata.

Nanjing Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel; waste clay; fine silty sand strata; slurry; filter membrane

2014-06-09；

2014-07-09

国家自然科学基金项目(51408191/51108156); 中国博士后科学基金资助项目(2014M560388)；江苏省博士后科研资助计划项目(1301031B)

姜腾(1990—)，男，湖北麻城人，河海大学岩土工程在读硕士，主要研究方向为盾构隧道设计与施工。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.006

U 55.3+9

A

1672-741X(2014)12-1148-05