泥浆处理技术在市政地铁盾构施工中的应用

摘要：在盾构工程建设过程中，鉴于自然土壤的流动性较差、易于发生泥浆堆积，加之巨大体积的坚硬岩石可能导致盾构设备磨损，有必要向刀具或螺旋输送器内部添加适量的膨润土泥浆，从而优化土壤物理性能。此举旨在促进渣土的流通、降低摩擦阻力、避免对设备造成损伤，同时保持刀盘的润滑，减轻刀盘对地质结构的干扰，进而降低超挖风险及预防塌陷危险。本文通过实际工程案例，概述了泥浆处理系统的操作方法和工艺流程，为类似工程提供借鉴。

关键词：泥浆处理技术；地铁；盾构施工

引言：

当前，盾构工程建设正加速推进，同时防范盾构施工引发的地质塌陷风险。为此，研究人员聚焦于采用特定泥浆配方以优化流动性、降低阻力、增强流变性，从而提升盾构施工的效率。特别是在富含水分的砂砾岩区域，其独特的机械属性对建筑效益和使用寿命产生重大影响，亟待探寻一种能提高砂砾岩流动性和稳定性的膨润土泥浆优化策略。鉴于砂卵石地层中颗粒尺寸差异较大，填充有黏土或沙子，使得卵石质地变得坚硬，易受影响且趋于不稳定。在切割过程中，渣土可能形成泥饼、破碎的大漂石、易卡住刀盘及阻塞泥水输送管道等问题，这些都对挖掘作业开展产生严重影响，并导致工程成本上升。因此，为优化盾构工程的渣土特性，选用膨润土泥浆进行处理。

一、泥浆治理技术改造渣土的试验方案

本实验的依据是某城市地铁隧道内的高含水砂砾层，在混合泥浆前，需先了解其特性，进而选用适宜的膨润土，并进行相应实验以控制膨润土添加量，从而比较其特性。本文提出以下几个具体试验计划：第一，评估材质特征；第二，单一比例膨润土优化试验。

对某钙基和钠基膨润土的各项特性进行研究，包括膨润土的黏度、比重及pH值；利用苏式漏斗测量膨润土的黏度，并观察其在不同膨化时间内的变化。实验数据表明：第一，随着膨胀期的延长，钙基和钠基膨润土的黏性均有所提升，但钠基膨润土呈现递增趋势，而钙基膨润土基本无变化；结果显示，在高粘性需求下，钠基膨润土优于钙基；第二，膨胀时间的延长导致钠基膨润土体积扩大，与钙基膨润土体积分布基本一致，但随着膨胀时间增加，钠基膨润土体积略超过钙基。因此，为达到较高比例，使用钠基膨润土效果更佳；第三，膨润土质量百分比对其粘性和比例具有显著影响，随着质量百分比提高，粘性和比例相应上升，虽然膨润土质量百分比对黏性影响较小，但能显著改变比例，当浓度提高时，膨润土黏性无明显变化，比例却上升；第四，钠基膨润土pH值上升表明其土质呈碱性，而钙基膨润土pH值在浓度增加时保持稳定呈中性。

二、泥水盾构压力平衡的实现

（一）压力平衡界面的建立

为了实现泥水盾构掌子面的泥水循环压力与地层土壤压力的平衡，需在施工区域构建一层优质泥膜，进而创造一个内外压力相互作用的物理界面。三种主要的泥膜生成方式如下：首先，若地层有效间距超过3倍，泥水室中的泥土将全额流失，无法在操作表面形成泥膜；其次，当地层空隙尺寸小于3倍，即最大刀盘直径为最小尺寸的1倍时，部分泥浆颗粒会滞留并进一步填充空隙。这类泥浆颗粒不仅填补了空隙，还在指尖表面形成了由泥浆与黏性物质相结合形成的渗透性泥浆薄膜；最后，当膨润土泥浆的有效间距小于其最小颗粒尺寸时，膨润土泥浆无法进入地层，仅在施工表面形成一层薄泥层。地下渗透性泥膜具有较高的密实度和优异的防水性能，通常厚度为2～3毫米。

（二）泥水盾构压力平衡的实现

在刀盘的后方，设置一个泥水存储罐，当罐内泥浆被压缩后，会在施工面上形成一层均匀的泥膜，泥膜受到泥浆压力与泥水存储罐压力的共同作用。通过调整泥浆压力，可实现平衡，保证施工面稳定性，并控制地表沉降。当泥浆压力超过地层土壤压力时，地表会呈现凸起状。日本和英国的泥水盾主要通过调节进浆泵压力，直接控制泥水舱内泥浆压力，德国的泥水盾构则是利用泥浆与压缩空气的双向压力循环，实现对泥水仓内泥浆的间接调控。

三、泥水平衡盾构泥浆控制

（一）泥浆输送

泥浆输送设备由进浆泵、排浆泵、中继泵、碎石机、格栅、管道、计量设备、管道更换机构以及阀门等组成。该设备的功能是将挖掘出的废土与新鲜泥浆混合，随后通过排浆泵及排浆管道将混合物输送至地面泥浆处理站。经过处理的泥浆通过进浆泵与进浆管道重新送回泥水仓与气垫舱，以便再次利用。在安装泵管时，需遵循以下原则：泥浆流速不低于4米/秒，浆液浓度介于1.15吨/立方米至1.3吨/立方米之间，同时管道最大流量不得超过70%。针对泥水舱与气垫舱的注入流动性，须进行适当调整，并确保泥水舱注入速率保持在泥浆循环体系的60%以上。

（二）泥浆压力调节

提出一种以泥浆水压力为基础的计算方法。土压力计算模型众多，在软土等软土层中，若土体厚度小于挖掘时的土压，可采用静态土压力或动土压力公式进行计算。当土壤层（包括砂砾、砂砾和硬粘土）的直径超过隧道挖掘直径时，由于地质构造具有拱形效应，可通过砂基松散土高度估算土壤压力。在实际项目中，可随时对地面建筑的影响进行调整。气垫舱的防压能力通过计算得出，自动化控制系统能根据实地观察数据，对钻井液压力进行自我调节，实现泥浆压力在短时间内稳定。

（三）泥水处理

泥浆的参数包括：密度、砂含量、粘度、屈服度、胶凝力、滤过度、pH值等。根据不同的地质条件，形成泥膜所需的泥浆参数各有差异，因此必须进行专门的成膜试验以确定。在挖掘过程中，不断产生的碎石会被引入泥水储存室，导致储存室泥沙含量发生较大波动。为确保泥浆的基础性能，需将混入泥浆系统的碎石清除，由污泥处理设备完成。泥浆处理设备包括：2毫米或更大的粗颗粒筛子及脱水设备，25至2毫米的中型旋流式离心机，5微米至25微米的污泥过滤器以及沉淀池与烘干设备。在含有黏土成分的地质层中，由于挖掘出的废土中微粒较多，利用旋转产生的离心力进行泥浆分离，有效处理率可达50%。然而，经一次旋转设备处理后，泥浆中仍含有50%的微粒成分。

随着隧道挖掘速度加快，泥浆中颗粒物和浓度将逐步上升，因此需彻底去除泥浆中的颗粒物，并严格控制钻井液浓度。通常，去除淤泥的方法包括压力筛选法和沉积处理法；在采用压滤技术时，需全面考虑淤泥内黏性物质及添加物料的黏稠特性对滤布过滤效果的负面影响，并进行预先的压滤试验，以确定实际环境下压滤设备的运行效率，并根据项目进展调整适当设备。将生石灰等分散剂加入废弃浆体中，有助于降低黏稠物质对滤布过滤效果的负面影响，从而提高处理黏稠泥浆的压滤效率。

（四）浆液调质

采用二级脱水设备对残留泥土进行清除，随后运送至淤泥处理池的现场试验区域；采集处理后的泥浆样本，并对其实际数值进行测量，将测量结果与标准数值进行对比，并根据差异进行适当调整。

结论：在泥水盾构施工过程中，对泥浆的控制至关重要，而泥水平衡既是其优势，也为其不足。通过深入研究及科学验证，制定符合地质环境的泥浆设备配置计划，同时为泥浆处理提供必要物资及技术支持。在施工阶段，需密切关注泥水系统操作状况，严格控制泥浆最大浓度。在考虑各类地理环境、地表凸出、塌陷等因素后，及时调整压力设置及挖掘参数，以最大化利用泥浆盾构优势，实现安全施工效果。

参考文献

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