第10卷第1期2007年2月
建 筑 材 料 学 报
J OU RNAL OF BU ILDIN G MA TERIAL S
Vol.10,No.1
Feb.,2007
收稿日期:2006-04-07；修订日期:2006-10-20
作者简介：韦良文(1978-)，男，山东曲阜人，同济大学博士生.主要从事隧道、地下工程施工及数值模拟的研究.
文章编号:1007-9629(2007)01-0066-05
韦良文1, 张庆贺1, 邓忠义2, 孙统立1, 吴敏慧1
(1.同济大学地下建筑与工程系，上海200092;2.上海宝维士联盛建筑工程有限公司，上海200031)
摘要：通过试验发现聚合物和正电胶(MM H )作为处理剂具有抑制粘土分散、稳定砂土和
改善泥浆特性等效果，据此经主要原材料优选试验、造浆率试验、抗污染试验及分散岩屑回收率试验研发了聚合物正电胶泥浆(PMS ).在上海复兴东路泥水盾构隧道工程中的应用结果表明:PMS 能生成孔隙小、致密性高且厚度大的泥膜，具有良好的实用性及应用前景.
关键词：泥水盾构隧道；开挖面稳定；聚合物正电胶泥浆；泥膜中图分类号:U414 文献标识码:A
R esearch of Polymer 2MM H Slurry Used in Slurry Shield Tunnel
W EI L i ang 2w en 1
, Z H A N G Qi ng 2he 1
, D EN G Zhon g 2y i
2
艾玛 罗伯茨S U N Tong 2li 1
, W U M i n 2hui
1
(1.Department of G eotechnical Engineering ,Tongji University ,Shanghai 200092,China ;
2.Shanghai Bovis Lend Lease Co.Ltd.,Shanghai 200031,China )
Abstract :It was fo und t hat t he polymer and t he mixed metal hydroxide (MM H )could depress t he dispersibility of clay ,reinforce t he stability of sand and imp rove t he characters of slurry.Then ,t hrough t he material choice test ,make 2slurry ability test ,anti 2pollution test and dispersive drill 2ings recycling test ,t he polymer 2MM H slurry (PMS )was developed.A filtercake wit h low poros 2ity ,high compact and large t hickness was made in Fuxing East Road slurry shield t unnel p roject.It is showed t hat t he PMS has t he good utility ,and can be extensively applied in t he const ruction of t he large 2diameter slurry shield t unnel.
K ey w ords :slurry shield t unnel ;face stability ;polymer 2MM H slurry (PMS );filtercake
目前国内外泥水盾构隧道大多采用由自然粘土、膨润土、水、外加剂(CMC )所组成的分散泥浆[1～3].该泥浆存在许多不足的地方，突出表现在废弃泥浆排放量大、浆液指标难控制、泥浆处理占地大、新浆材料用量大等方面，造成了严重的环境污染.另外，当面对复杂地质情况及盾构推进速度较快时，
隧道开挖面稳定较难控制，不易于保护地面建筑物和管线.因此，加强对不分散泥浆体系的研究和开发，对节约材料、保护环境及推广泥水盾构技术具有重要的现实意义.
1 聚合物正电胶泥浆(PMS )配方优选原则
与目前普遍使用的分散泥浆相比，用于泥水盾构隧道的PMS (不分散泥浆)应具有以下特
点：良好的剪切稀释特性，一定的结构强度，便于携带和悬浮岩屑，失水较小，有利于泥膜的形成；有稳定开挖面、抑制地层造浆、形成网架结构、稳定砂土结构、控制粘土分散的能力；便于泥浆性能调整，有一定的抗污染能力；满足现场配制简捷、成浆迅速的要求.
2 试验
2.1 主要原材料
高分子聚丙烯酸盐：聚丙烯酰胺,PAM ；强力抱被剂；复合离子型聚丙烯酸盐,PAC.表面活性剂：润湿剂，代号KT ；失水山梨醇单油酸脂，代号T -80；脂肪酸甘油脂混合物，代号SE -10.增效土或改性钠膨润土.正电胶(MM H ).白油(特种矿物油).2.2 PMS 主要原材料优选试验2.2.1 膨润土优选
PMS 的组分主要包括水、膨润土和化学处理剂.膨润土的种类和质量直接关系到PMS 的使用
效果.表1中列举了不同种类膨润土对PMS 性能的影响，其中,FV 代表泥浆漏斗粘度;AV 代表泥浆表观粘度;FL 代表泥浆失水量;GS 代表泥浆凝胶强度，通常分10s 和10min 两种.由表1可以看出，改性钠膨润土性能优于加碱钙膨润土，且不同改性钠膨润土性能也存在一定的差异.
表1 膨润土对PMS 性能的影响
T able 1 E ffect of bentonite on the perform ance of PMS
K ind of bentonite FV/s AV/(mPa ・s )
FL/mL GS/Pa
10s 10min Alkali white calcium soil Alkali red calcium soil Improved red sodium soil Improved white sodium soil
17.021.525.028.0
4.510.013.816.2
26.021.016.812.8
00.502.002.50
2.501.002.254.25
2.2.2 大分子聚合物优选
常用的大分子聚合物有PAM ,PAC141,FA T367,KPAM ,PAC 等.由于相对分子质量、作用基
团不同，因而它们的剪切稀释特性、抑制粘土分散能力也不一样.鉴于试验目的是优选泥水盾构隧道用PMS ，所以侧重优选剪切稀释效果好、溶解速度快的大分子聚合物.各种大分子聚合物对PMS 性能的影响见表2.由表2可以看出,FA T367,PAC 及PAM 的性能较好，可以入选.
表2 大分子聚合物对PMS 性能的影响
T able 2 E ffect of high polymer on the performence of PMS
High polymer FV/s AV/(mPa ・s )
FL/mL GS/Pa
10s 10min FA T367PAC FP K PAM PAC141KPAM
28.522.019.821.017.517.5
16.011.56.510.05.55.5
10.410.69.813.012.213.2
2.500.500.250.2500
5.00 1.00 0.25 2.50 0 0.25
2.2.3 中小分子聚合物(辅助聚合物)优选
中小分子聚合物既能调整PMS 流型，又能提高PMS 泥膜质量，所以中小分子聚合物的选择
对调整PMS 的性能十分重要，往往根据需要侧重选择1～2种.中小分子聚合物对PMS 性能的影响见表3.由表3可以看出,L S -2,XY27及HM P21的性能较好，可以入选.
7
6 第1期韦良文，等：用于泥水盾构隧道的聚合物正电胶泥浆研究
表3 辅助聚合物对PMS 性能的影响
T able 3 E ffect of auxiliary polymer on performence of PMS
Auxiliary polymer
FV/s AV/(mPa ・s )
FL/mL GS/Pa
10s 10min NPAN L S -2HPAN XY27HMP21
19.036.019.022.527.0
7.220.56.812.018.0
16.613.213.416.414.4
0.253.5001.000.50
0.50 3.50 0 5.00 0.50
2.2.4 PMS 综合性能评价
(1)造浆率试验
按S Y 5060—85标准试验，测得PMS 造浆率试验数据如表4所示.由表4可计算出PMS 的造浆率为35～40m 3/t.另外，表4反映PMS 失水量≤14.0mL.这说明PMS 具有较强的造浆性能和较低的失水量，是十分理想的隧道用配浆材料.
由表4还可以看出，随着PMS 在清水中加入量的增大，泥浆的漏斗粘度、表观粘度和塑性粘
度(PV )增大，泥浆的失水量减小.考虑到工程应用性及经济性，宜在每升清水中加入不多于10g 的PMS.
表4 PMS 造浆率试验数据
T able 4 T est d ata of PMS ’s m ake 2slurry ability
Mass of PMS
per litre fresh water/(g ・L -1)
FV/s AV/(mPa ・s )
你还是从前那个少年没有一丝丝改变
FL/mL PV/(mPa ・s )
p H Separate water/g 10203040
20.829.154.6(Dripping )
7.013.523.0
—31.614.011.2
— 2.54.06.8
—8.08.08.5
—
0000
表5 配浆用水矿化度对PMS 性能的影响
T able 5 E ffect of mineralization of w ater on performence of PMS
Test plan FV/s FL/mL AV /(mPa ・s )PV /(mPa ・s )
YP/Pa GS/Pa
10s 10s 1%NaCl +4%PMS 1%NaCl +5%PMS 1%NaCl +6%PMS 1%NaCl +7%PMS 4%NaCl +7%PMS 0.5%gypsum +7%PMS 0.5%gypsum +4%PMS
20.523.526.034.050.025.030.5
16.814.810.09.89.615.811.6科比 布莱恩特
10.013.016.521.524.013.018.5
8.09.013.014.014.59.013.0
2.04.0
造型师吉米3.57.59.5
4.0
5.5
1.50
2.00
3.005.505.002.002.75
2.50
3.00
简述组织结构层级化的优点4.007.50
5.502.503.50
1)文中涉及的含量均为质量分数.
(2)抗污染试验
由于各地区配浆用水矿化度不同，因此用其配制的PMS 性能也有区别.为了解PMS 抗污染
能力，室内测试了用含盐、石膏水配制的PMS 的性能，结果见表5(其中YP 为泥浆的屈服值).由表5可
见,PMS 具有一定的抗污染能力，即使配浆用水矿化度较高，也可用于PMS 配浆；用淡水配制的PMS 可抗4%1)
NaCl 或0.5%石膏的污染.
86建 筑 材 料 学 报
第10卷 苏醒榜单有了名字
(3)分散岩屑回收率试验
依据隧道用PMS 应具有形成网架结构，稳定砂土结构，控制粘土分散的能力，选择了钻井中120m 深的粘土样品进行了分散岩屑回收率试验，结果见表6.表中,R 18为岩屑66℃滚动16h ,18目(1mm )筛的回收率,R ′18为测定R 18后的岩屑66℃
滚动4h ,18目筛的回收率.另外，该岩屑在自来水中的回收率为37%.由表6可以发现,PMS 具有较好的抑制岩屑分散能力.
表6 在聚合物与K C l 溶液中分散岩屑的回收率
T able 6 R ecycle ratio of drillings in polymer or K Cl solution
Disposal reagent
K ind
Content /%
R 18/%
R ′18/%
R ′18/R 18
Polymer
0.1
46.3643.320.93440.278.1573.140.93590.386.7083.430.96230.486.6883.680.965
2KCl
1.0
57.3443.46
0.75792.070.8755.540.78373.074.7458.620.78434.0
76.00
56.26
0.7403
3 PMS 稳定开挖面机理
在理论研究和试验分析的基础上，结合泥水盾构自身的特点，并考虑上海的软土地质条件，采
用大、中、小不同相对分子质量的聚合物、正电胶与预水化膨润土浆，研发了PMS.PMS 稳定开挖面的主要机理为:(1)对粘土而言，以大分子聚合物作包被絮凝剂，以中、小分子聚合物作粘土稳定剂，阻止粘土的分散；对砂土而言，以大分子聚合物作骨架，中、小分子聚合物作交联剂，形成网架结构，稳定砂土结构;(2)采用带正电荷的无机胶体化合物来稳定隧道开挖面和抑制粘土颗粒膨胀.要稳定泥水盾构隧道开挖面，尽快形成渗透系数小的泥膜是关键.图1为试验室模拟CMC 泥浆(原有泥浆)与PMS 在上海复兴东路泥水盾构隧道中生成泥膜的表面电子显微镜照片.图2为CMC 泥浆与PMS 在复兴东路泥水盾构隧道沿线②号土层中生成泥膜的厚度对比.
(a )Filtercake produced from CMC slurry (b )Filtercake produced from PMS
图1 泥膜表面图
Fig.1 Filtercake surface (100×
) 由图1可见,PMS 密度和粘度大，孔隙小，致密性高，形成了致密的泥膜，这有利于开挖面的稳
定和盾构掘进速度的提高.由图2可见,PMS 形成的泥膜厚度(2.8cm )明显比原有泥浆形成的泥膜厚度(0.6cm )大.泥膜厚度的增加将更有利于保持开挖面的平衡和稳定.
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6 第1期韦良文，等：用于泥水盾构隧道的聚合物正电胶泥浆研究
(a )Filtercake produced from CMC
slurry (b )Filtercake produced from PMS
图2 泥膜厚度对比图
Fig.2 Contrast of filtercake thickness
4 工程应用效果分析[4]
上海复兴东路越江隧道工程是由2台Φ11220mm 的大型泥水平衡盾构机双线并行推进.该
隧道主要位于较疏松的粘土层、粘土沙土混层、砂土层中，胶结强度差，粘土易水化分散.该工程具有直径大、坡度大、地质条件复杂、浅覆土段较多，并穿越大量建筑物、地下桩基和地下管线等技术难点
.图3 不同泥水系统的切口水压对比图
Fig.3 Contrast chart of slurry pressure for different slurry system 1———Slurry pressure of nort h line from ring 700to 720wit h original (CMC )slurry ;2———Slurry pressure of sout h line from ring 700to 720wit h PMS
泥水盾构掘进施工参数主要有：切口水压、送泥密度、排泥密度、千斤顶速度和刀盘力矩等.笔者在复兴东路隧道南、北线盾构机相同，施工工况和地质条件相似的前提下，以影响开挖面稳定性最关键的切口水压
为例，研究不同泥浆对开挖面稳定性的影响，结果见图3. 由图3可以看出：应用PMS 时，实际切口水压比
CMC 泥浆的升高了1.04%，但增加幅度不超过10%，在切口水压的允许波动范围(理论设计值的±20%)内.切口水压的适当增加会使作用于开挖面的有效支撑压力增加，有利于泥膜的快速形成，有助于切口正面土体的稳定.
5 结语
1.采用PMS 后，泥浆密度和粘度大，孔隙小，致密性高，形成了致密泥膜，从而有利于开挖面
的稳定和盾构掘进速度的提高.
2.PMS 形成的泥膜厚度明显比CMC 泥浆形成的泥膜厚度大.泥膜厚度的增加更有利于保持开挖面的平衡和稳定.
3.应用PMS 体系后，隧道开挖面的切口水压比应用CMC 泥浆体系时略微有所增加，但增加幅度不超过10%.切口水压的适当增加会使作用于开挖面的有效支撑压力增加，同时有利于泥膜的快速形成，从而有助于切口正面土体的稳定.因此PMS 在大直径泥水盾构隧道建设中将有广阔的应用前景.参考文献:
[1] 周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M ].北京：中国建筑工业出版社,2004.
[2] 傅德明，任道真.泥水加压平衡盾构泥水处理系统的研究与应用[J ].上海建设科技,2003,(1):25,26.[3] 张春光，徐同台，侯万国，等.正电胶钻井液[M ].北京：石油工业出版社,1998.[4] 邓忠义.泥水盾构隧道开挖面稳定性研究[D ].上海：同济大学土木工程学院,2005.
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