柳毅强

上海城建市政工程（集团）有限公司

　　一、工程概况
　　沈阳地铁10号线11标长青桥站—浑南大道站区间全长为1617.259m（图1）。区间基本位于浑河、长青南街下方，线路出长青桥站后沿浑河长青大桥下穿浑河，再沿长青南街东侧到达浑南大道站。长青南街地面交通繁忙，车流量很大；浑河河面宽约400m，水深3～4m，水位高度变幅1～2m。区间周边建（构）筑物主要有浑河长青大桥、住宅小区、药房等，建（构）筑物距离区间均较远；本区间沿线地下管线较少，主要在浑南大道站车站北段有大口径雨污合流排水管等市政管线。区间为标准单洞单线区间，采用泥水盾构法施工，区间设联络通道3处（其中1处与泵房合建）。隧道覆土13.2～25.0m。

图1 长青桥站—浑南大道站路线示意

　　二、国内外研究现状
　　Chambon等通过开挖面的稳定离心模型试验，分别对黏土地层和砂土地层开挖面的破坏形状进行了研究，并阐述了深度对极限支护压力的影响。程展林等通过小型模型试验研究了拱效应和孔隙水压对盾构开挖面稳定性的影响，并提出中粗砂地层中临界泥浆支护压力公式。邓亨义等针对北京站—北京西站地下直径线工程泥水盾构施工，通过对泥浆性能研制的配比试验，提出了砂卵石条件下的最佳泥浆配比，提高并改善了泥浆的成型质量与速度，确保了环境要求。郑中刚等阐述了穿黄隧洞泥水平衡盾构穿越高水压复合地层时，对泥浆指标的控制及对添加剂和用量的选择。根据不同的地层提出了不同的泥浆配合比，在高水压复合地层下保证了掌子面泥膜的形成和泥水舱与气垫舱压力平衡，从而保证了刀盘开挖掌子面的稳定性。
　　三、泥浆配比优化试验方案设计
　　3.1 试验目的
　　针对工程实际情况，展开多组泥浆配比试验，对比不同泥浆组成和泥浆配比情况下的泥浆特性指标值，研究固相材料、添加剂的不同材料及其含量对同一泥浆特性的影响规律，为泥浆的配比提供依据，综合考虑成本等因素，获得最优泥浆配比，为工程提供指导性建议。
　　3.2 试验材料
　　沈阳地区砂砾（卵）石地层颗粒级配相对较好，泥浆中无需再添加高分子材料用以填充颗粒间的大空隙，另外，考虑到高分子材料成本高，最终根据项目的实际需求和条件，选择泥浆的主要组成材料为：水、膨润土和泥浆制浆剂（CMC及纯碱）。试验材料及其基本性质如下：
　　1）清水。泥浆主要液相材料，选用现场干净自来水。
　　2）钠性膨润土。配制泥水的主要固相颗粒材料；以蒙脱石为主要成分的黏土矿物，相对密度2.4～2.9，遇水体积膨胀10～15倍。其表面带负电荷，与带正电的地层结合形成优质泥膜。
　　3）CMC（羧甲基纤维素）。是木材、树皮经化学处理后的高分子糊，溶于水时呈现极高的黏性，故多用来作增黏剂。主要用于砂砾石层中，有降低滤水量和防止逸泥的作用，也可抵抗阳离子污染。
　　4）纯碱（碳酸钠）。可降低泥水的密度和黏性，增加泥水的活性。
　　3.3 试验方法
　　试验采用单一变量法，通过泥浆配比试验，并测得泥浆主要特性指标，逐一研究试验所选泥浆材料对泥浆特性的影响。
　　1）不加入制浆剂，以膨润土为固相材料，通过改变固相材料含量，配制多组泥浆，并测量所得泥浆的主要特性指标，对比分析获得固相材料的含量对泥浆特性的影响。
　　2）添加CMC、纯碱2种添加剂，保持膨润土材料含量不变，分别改变CMC以及纯碱的含量配制多组泥浆，对比分析泥浆的主要特性指标，得到2种添加剂的含量对泥浆特性的影响。
　　3）改变膨润土材料的含量，重复第二点中的步骤，获得对应配比情况下的泥浆特性指标，为后续最优泥浆配比的选择提供数据参考。
　　4）结合砂砾（卵）石地层的工程特点，综合考虑泥浆质量、成本等因素，获得富水砂砾（卵）石地层下盾构施工泥浆最优配比。
　　四、结果分析
　　4.1 固相材料对泥浆特性影响分析
　　以膨润土为固相材料，不添加CMC、纯碱等添加剂，配制5组泥浆。各组泥浆的配制比例及试验结果分别如表1、表2所示。

表1 固相材料对泥浆特性影响分析试验配比

表2 固相材料对泥浆特性影响分析试验结果

　　根据上述试验结果，膨润土的含量主要对泥浆的相对密度、失水量产生影响，随着膨润土含量的增加，泥浆的相对密度增加，失水量减小，产生的泥饼厚度增加。
　　4.2添加剂对泥浆特性影响分析
　　在添加CMC、纯碱2种添加剂的基础上，保持膨润土材料含量不变，分别改变CMC以及纯碱的含量配制多组泥浆，对比分析泥浆的主要特性指标，得到2种添加剂的含量对泥浆特性的影响。
　　4.2.1CMC对泥浆特性影响分析
　　以CMC为单一变量，研究其对泥浆特性指标的影响。配制膨润土与清水比例为1∶10的膨润土浆液作为基础浆液，配制7组泥浆。各组泥浆的配制比例及试验结果分别如表3、表4所示。

表3 CMC对泥浆特性影响分析试验配比

表4 CMC对泥浆特性影响分析试验结果

　　由上述试验结果可知，CMC是一种很好的增黏剂，另外，当添加的量少时，CMC具有良好的减小失水量的作用，能够提高泥膜形成的质量，减少逸泥现象的发生。
　　4.2.2纯碱对泥浆特性影响分析
　　以纯碱为单一变量，研究其对泥浆特性指标的影响。以1∶10的膨润土浆液作为基础浆液，配制3组泥浆。
　　各组泥浆的配制比例及试验结果分别如表5、表6所示。

表5 纯碱对泥浆特性影响试验配比

表6 纯碱对泥浆特性影响试验结果

　　由上述试验结果可知，纯碱对泥浆特性影响最大的是pH值，另外也有减低泥浆相对密度和黏性的效果，事实上，纯碱在泥浆配制中作为一种分散剂使用，用于减低泥浆的相对密度和黏性，增加泥浆的活性。
　　4.3改变基础浆液配比的试验结果
　　以1∶12的膨润土浆液作为基础浆液，配制4组泥浆，各组泥浆的配制比例及试验结果分别如表7、表8所示。

表7 1∶12膨润土浆液泥浆配比试验

表8 1∶12膨润土浆液泥浆配比试验结果

　　以1∶14的膨润土浆液作为基础浆液，配制3组泥浆，各组泥浆的配制比例及试验结果分别如表9、表10所示。

表9 1∶14膨润土浆液泥浆配比试验

表10 1∶14膨润土浆液泥浆配比试验结果

　　五、试验结果在工程中的应用
　　根据沈阳10号线11标盾构区间地质勘探报告，泥水盾构穿越地层主要为④4砾砂、④5圆砾、⑤3中粗砂、⑤4砾砂、⑤5圆砾层等，对于主要穿越的岩层，其颗粒磨圆度较好，基本呈亚圆形，含粒径大于2mm占总质量的50%以上，一般粒径为2～50mm，少量最大粒径大于150mm，填充物为中、粗砂及少量黏性土，局部黏性土含量偏高，局部含少量卵石。在砂砾（卵）石地层中，泥膜的形成质量难以保证，因此，合理设置泥浆特性指标值，实现泥浆优化配比，从而保障泥膜质量及开挖面稳定尤为重要。
　　根据在砂砾（卵）石地层的泥水盾构工程的实际施工经验，及第4章的试验数据，选取出满足泥浆特性指标的配比方案如表11所示。

表11 砂砾（卵）石地层泥浆配比优选

　　采用表11中泥浆配比时，实验室配制泥浆的特性指标如表12所示。

表12 砂砾（卵）石地层优选配比泥浆特性指标

　　综合考虑泥浆质量、成本等因素，获得富水砂砾（卵）石地层下盾构施工泥浆最优配比为表12中的3号泥浆配比。
　　六、结语
　　针对沈阳地铁10号线11标工程实际，展开了多组泥浆配比试验，获得了最优泥浆配比，为本工程的顺利进展提供了保障，对今后泥水盾构在富水砂砾（卵）石地层的施工具有一定的指导意义。