高分子泥浆技术在泥水盾构开挖面稳定应用研究(最后版).doc

高分子泥浆技术在泥水盾构开挖面稳定 单位：上海市第二市政工程有限公司 高级工程师 赵国强 关键词：高分子泥浆 泥水盾构 开挖面稳定 防塌机理 一、前言 泥水盾构从气压盾构、水压盾构、膨润土泥水加压盾构、泥浆水盾构，经历了100多年的历史，20世纪60年代开始先后在英国、日本和德国研究开发了泥水加压式盾构，泥水加压式盾构用泥浆代替气压，用管道输送代替轨道出土，加快了掘进速度，改善了劳动条件和施工环境，并能在盾构掘进时较好地稳定开挖面和防止地表隆陷，成为当今划时代的盾构新技术。 盾构工程施工的关键之一是在开挖过程中确保在掘进过程中所造成的地面的隆起和沉降问题，而维持开挖面的稳定性是一个很重要的因素，而沿线地质条件决定了施工的相对难易程度。对于复杂地层条件下的盾构控制这是地下工程界普遍关注的一个问题。对于泥水平衡盾构，泥浆的性能及控制对于开挖面稳定至关重要。 目前国内在泥水盾构隧道中常采用的是由膨润土、水、外加剂(CMC)所组成的分散泥水体系。该泥水体系在已往的工程中，基本满足了工程需要，但也存在许多不足的地方，突出表现为造浆性能和适应性能还不能满足工程的需要。特别，这样的泥浆体系在软土层中的粘土、砂土不断的在泥水中分散，其粒度级配不能受到控制，引起泥水密度也不断的改变，使得的开挖面泥膜质量难以控制，使得泥水盾构在掘进过程中开挖面很难进行控制，造出施工过程中的施工质量很难保证。 二、高分子泥浆的机理 2.1泥水盾构开挖面失稳的简要分析 泥水平衡盾构开挖面的不稳定实质是力学的不稳定。当盾构开挖面所受的应力超过其本身的强度分布就会发生作业面的不稳定。其原因较复杂，主要有三个方面的因素：地层本身的力学因素、地层组分及工程技术方面的因素。 (1)原地应力状态 地层被盾构之前，地下的岩石受到上覆压力、水平方向地应力的作用，开挖面的应力状态即为原地应力状态，且处于平衡状态。当地层被盾构开后，地应力被释放，盾构端面钻井液作用于盾构端面的压力取代了所盾构地层原先对盾构端面岩石的支撑，破坏了地层和原有应力的平衡，引起隧道周围应力的重新分布。若泥水对盾构端面地层的压力小于地层地应力，盾构端面就要发生坍塌。 （2）地层组分 盾构地层埋藏较浅，大多数未形成岩石，地层较疏松，如果地层属于砂质或粉砂质泥岩、流砂、泥质砂岩、粘土层，且粘土矿物含量高，泥水中的水份均容易渗入地层；如果是粉砂层，砂粒之间胶结性差，地层渗透性强，遇到泥水作用后，大量水份渗入地层，使工作面不稳定而发生坍塌。 （3）工程技术 在盾构作业过程中，由于人工操作的原因、泥水性质、密度的变化等种种原因引起的对作业面产生的压力不均匀，从而产生压力激动，均会引起作业面的不稳定。分析认为，工程技术因素较其它两个因素引起的作业面的不稳定更严重。 2.2. 盾构开挖面稳定的技术措施 (1) 施工中尽量减少对开挖面的压力波动； (2) 选用合理的泥浆液密度，保持开挖面的稳定； （3）优选防塌泥浆液类型与配方，采用物理化学方法阻止或抑制地层的水化作用。 2.3.高分子泥浆中主要作用机理 (1)桥联与包被作用 聚合物在泥浆中颗粒上的吸附是其发挥作用的前提。当一个高分子同时 吸附在几个颗粒上，而一个颗粒又可同时吸附几个高分子时，就会形成网络结构，聚合物的这种作用称为桥联作用。当高分子链吸附在一个颗粒上，并将其覆盖包裹时，称为包被作用。实际体系中，这两种吸附状态不可能严格分开，一般会同时存在，只是以其中一种状态为主而已。吸附状态不同，产生的作用也不同，如桥联作用易导致絮凝和增粘等，而包被作用对抑制钻屑分散有利。 (2)絮凝作用 当聚合物在钻井液中主要发生桥联吸附时，会将一些细颗粒聚结在一起形成粒子团，这种作用称为絮凝作用，相应的聚合物称为絮凝剂。形成的絮凝块易于靠重力沉降或固控设备清除，有利于维持钻井液的低固相。所以，絮凝作用是钻井液实现低固相和不分散的关键。 根据絮凝效果和对钻井液性能的影响，絮凝剂又可分为两类：一是全絮凝剂，能同时絮凝钻屑、劣质土和蒙脱土；二是选择性絮凝剂，只絮凝钻屑和劣质土，不絮凝蒙脱土。 选择性絮凝的机理是：钻屑和劣质土颗粒的负电性较弱，蒙脱土的负电性较强。选择性絮凝剂也带负电，由于静电作用易在负电性弱的钻屑和劣质土上吸附，通过桥联作用将颗粒絮凝成团块而易于清除；而在负电性较强的蒙脱土颗粒上吸附量较少，同时由于蒙脱土颗粒问的静电排斥作用较大而不能形成密实团块，桥联作用所形成的空间网架结构还能提高蒙脱土的稳定性。 图1 完全絮凝剂与选择性絮凝剂作用效果示意图 (3)增粘作用。增粘剂多用于低固相和无固相水基泥浆，以提高悬浮力和携带力。 （4）降滤失作用。 泥浆液滤失量的大小主要决定于泥饼的质量(渗透率)和滤液的粘度。降滤失作用主要是通过降低泥饼的渗透率来实现的。 (5)