0.   引言

随着国内越江跨海隧道数量的不断增加,在高地下水位地层及不稳定软弱地层作业效果好的泥水盾构工法被越来越多的运用。例如,香港填海地区顶管施工、陆丰核电海底排水隧道建设、厦门市轨道2号线、南京纬三路过江通道等工程^[1-4]。泥浆是泥水盾构工法的关键,在维持开挖面稳定,为盾构刀盘润滑降温,携渣等方面起着重要的作用。泥浆若是稳定性差,容易产生离析,就无法在开挖面上形成稳定的泥膜,进而无法维持开挖的稳定,极易诱发开挖面失稳等灾难性事故发生^[5]。目前关于泥水盾构泥浆的研究主要集中于陆域环境下泥浆适应性的研究,主要分析了泥浆密度、泥浆颗粒级配、泥浆黏度、地层条件、泥水差条件等因素在带压开舱时泥浆成膜及泥膜闭气问题^[6-9]、掘进时泥浆携渣及成膜问题^[10-12]等关键问题中起到的作用。

但以上研究均没有考虑含盐地层环境下泥浆的性质变化情况,而泥水盾构在滨海地区或海底掘进时,含盐地层侵入会导致泥浆稳定性下降,对盾构安全施工产生不利影响。针对盐水侵入对泥水盾构泥浆的影响的研究甚少,目前仅有寥寥几位学者开展了相关研究。杜佳芮等^[13]通过测量泥浆泌水率、黏度和电位$\zeta$等参数的变化研究海水“侵入”对泥浆及泥膜性能影响,发现泥浆的电位$\zeta$降低是导致泥浆快速沉淀的根本原因。吕乾乾等^[14]通过室内试验发现了通过CMC等制浆剂改性后可采用纳基膨润土进行海水制浆。Min等^[15]通过泥浆性能试验、压汞试验和电镜扫描等手段分析了海水“侵入”下泥浆及泥膜性质劣化的原因。但以上研究均存在一个不足：通过采用添加不同比例海水来造浆,与实际工程中先用淡水造浆然后在施工过程中海水侵入的情况有较大差别,因为膨润土在盐溶液中几乎不能膨化,而在淡水中膨化造浆效果好^[16]。

近年来,中国水下隧道工程建设数量和规模不断提高,铁路、公路、市政、供水、供气、防洪、水电等行业领域对跨江越海隧道工程的需求与日俱增,渤海海峡跨海通道、琼州海峡跨海通道等世界级跨海工程也进入加速论证阶段^[17],泥水盾构在滨海地区或海底等地区掘进时高盐度地层侵入会导致泥浆稳定性下降的问题急需解决。中国地域广阔,不同地区含盐地层中的离子成分含量各有差异。故本文通过盐溶液侵入膨润土泥浆试验和泥浆成膜试验对海域环境中的3种主要阳离子Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺影响泥浆稳定性的机理展开研究,以期为进一步分析含盐地层环境下泥水盾构泥浆配比调整提供依据。

1.   试验设计

1.1   试验材料

试验所用膨润土为湖南纳基膨润土,根据《中华人民共和国建材行业标准：JC/T 2059—2011》中的膨润土膨胀指数试验方法测定其在淡水中的膨胀指数为（21 mL/2 g）。试验所用盐为NaCl分析纯、CaCl₂分析纯及MgCl₂分析纯。试验海水采用美国材料与试验协会（ASTM）D1141—98标准配制,各化学成分含量如表1所示。试验海水中NaCl的浓度大于2%,MgCl₂的浓度约0.5%,CaCl₂的浓度约为0.1%。

表  1  试验海水的化学成分含量

Table  1.  Chemical compositions of test seawater

化学成分	含量/(g·L-1)	占比/%
NaCl	24.53	70.1
MgCl2	5.20	14.9
Na2SO4	4.09	11.7
CaCl2	1.16	3.3
注：占比为各化学成分质量占盐类总质量的百分比。

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1.2   盐溶液侵入膨润土泥浆试验

将上述分析纯和自来水利用1000 mL容量瓶分别配制浓度为1%的NaCl溶液、MgCl₂溶液和CaCl₂溶液。

按照膨润土∶自来水=1∶15的质量比来配制泥浆,膨化24 h作为基浆备用。设置4组质量均为2000 g的泥浆,每隔1 h分别向其中加入淡水、海水、浓度为1%的NaCl溶液、MgCl₂溶液和CaCl₂溶液,使加入的溶液的质量达到泥浆质量的5%,15%,30%,50%。分别采用1002型泥浆相对密度计、马氏漏斗黏度计（25℃时测试淡水黏度为25 s）、100 mL量筒、MS2000型激光粒度仪、$\zeta$电位仪等测量各组泥浆的密度、漏斗黏度、4 h泌水率、颗粒级配和泥浆特征粒径、泥浆$\zeta$电位等基本性质。试验用基浆的特征粒径d₁₀,d₅₀,d₈₅分别为2.12,5.53,11.82 $\text{μm}$,其级配曲线如图1所示。

图  1  基浆级配曲线

Figure  1.  Grading curves of initial slurry

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1.3   泥浆成膜试验

图2为泥浆成膜试验装置示意图,主要由3部分组成,加压装置、成膜装置及滤液收集–称重装置。加压装置由空压机、稳压器及储浆容器组成。成膜装置采用的渗透柱高度为17 cm,装填10 cm厚粒径为0.25～0.5 mm的砂层作为试验地层（渗透系数为5.7×10^-2 cm/s）。利用滤液收集–称重装置实时测量泥浆滤失量,天平精度为0.01 g。

图  2  试验装置示意图

Figure  2.  Schematic illustration of experimental apparatus

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试验时,先向渗透柱底部放一层滤网,防止细砂堵塞排水通道。向渗透柱中注入清水,再缓缓加入细砂,直至细砂层厚度达到10 cm。打开排水阀门,使液面与地层表面平齐,关闭排水阀门。将泥浆缓慢注入渗透柱至充满渗透柱剩余空间。通过稳压器控制气压为0.05 MPa,依次打开稳压器与储浆容器间的阀门及加压装置与成膜装置间的阀门。气压稳定后,打开排水阀门,泥浆侵入地层,滤液排出,由滤液收集–称重装置实时称量。

2.   试验结果

2.1   盐溶液侵入对泥浆漏斗黏度影响

由图3可知,随着盐溶液的掺入,试验泥浆漏斗黏度缓慢下降,当溶液掺入比小于15%时,在盐溶液作用下,泥浆漏斗黏度下降幅度比添加同比例淡水时大。当NaCl溶液掺入比大于15%时,泥浆漏斗黏度将比添加同比例淡水时大1 s左右。而当CaCl₂溶液或MgCl₂溶液掺入比大于15%时,泥浆漏斗黏度将比添加同比例淡水时小1 s左右。当海水掺入比为15%时,泥浆漏斗黏度出现一个峰值。

图  3  泥浆漏斗黏度随不同溶液掺入比变化

Figure  3.  Change of funnel viscosity of slurry under intrusion of different solutions

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2.2   盐溶液侵入对泥浆密度的影响

从表2可以看出,基浆初始密度为1.031 g/cm³,泥浆相对密度随着掺入比的增加略有下降。不同盐溶液侵入至泥浆中与淡水侵入泥浆中对密度的影响基本一致,故实际工程中不需要特别区分盐溶液和淡水两者侵入对泥浆密度的影响。

表  2  添加不同溶液后泥浆密度

Table  2.  Specific gravities of slurry after adding different solutions  (g/cm³)

掺入比/%	淡水	海水	1%NaCl	1%MgCl2	1%CaCl2
0	1.031	1.031	1.031	1.031	1.031
5	1.029	1.029	1.030	1.026	1.026
15	1.029	1.028	1.025	1.024	1.024
30	1.025	1.028	1.022	1.023	1.024
50	1.022	1.028	1.019	1.021	1.020

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2.3   盐溶液侵入对泥浆稳定性影响

从图4,5可以看出,即使向基浆中掺入的浓度为1%的NaCl溶液或淡水的质量达到泥浆质量的50%,泥浆仍保持稳定,4 h泌水率为0%,不出现泌水现象；而当向基浆中掺入的浓度为1%的CaCl₂溶液比例达到泥浆质量的15%时,4 h泌水率为1.5%,当掺入比达到30%,泥浆不能维持稳定,出现分层离析,4 h泌水率达到17%；而当向泥浆中掺入的浓度为1%的MgCl₂溶液达到泥浆质量的15%时,4 h泌水率已达4.5%,当掺入比达到30%,泥浆同样不能维持稳定,出现分层离析,4 h泌水率达到21.5%；当向泥浆中掺入海水的比例达到基浆质量的15%时,4 h泌水率为0.5%,当掺入比达到30%时,泥浆泌水率仅为10.5%。

图  4  浓度为1%的不同溶液掺入泥浆后泌水情况

Figure  4.  Bleeding of slurry after intrusion of different solutions with concentration of 1%

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图  5  掺入不同溶液后泥浆泌水率变化曲线

Figure  5.  Curves of bleeding rate of slurry under intrusion of different solutions

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2.4   盐溶液侵入对泥浆$\zeta$电位影响

$\zeta$电位能反映胶体颗粒相互排斥或吸引的能力,是衡量胶体稳定性的重要指标。从图6可以看出,基浆初始$\zeta$电位（取绝对值）为29 mV,NaCl溶液掺入比为5%时,$\zeta$电位下降到23.1 mV,当掺入比为50%,$\zeta$电位维持在23 mV左右。CaCl₂溶液或MgCl₂溶液掺入比为15%时,$\zeta$电位均为18.2 mV,且随着溶液的掺入,$\zeta$电位均不断降低,当掺入比为50%时,$\zeta$电位均已低于10 mV,远小于掺入同质量NaCl溶液作用下泥浆$\zeta$电位值。海水掺入比大于30%时,$\zeta$电位处于掺入同比例NaCl溶液时以下,且在掺入同比例CaCl₂溶液或MgCl₂溶液时之上。

图  6  泥浆ζ电位随不同溶液掺入比变化曲线

Figure  6.  Curves of zeta potential of slurry under intrusion of different solutions

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2.5   盐溶液侵入对泥浆特征粒径影响

泥浆特征粒径d₁₀,d₅₀和d₈₅分别对应某粒径下的泥浆颗粒质量占总泥浆颗粒质量的10%,50%和85%,可以反映出泥浆颗粒粒径大体分布情况,其中泥浆特征粒径d₈₅与地层平均孔隙D₀的比值d₈₅/D₀决定泥浆成膜类型^[6]。

从图7～9可以看出,不同盐溶液溶液逐渐掺入到基浆中对泥浆颗粒特征粒径d₁₀,d₅₀和d₈₅的影响。当CaCl₂溶液或MgCl₂溶液掺入比大于15%后,泥浆特征粒径均相近,且随着盐溶液掺入比逐渐增加至50%,特征粒径值均有所降低但特征粒径d₅₀和d₈₅仍远大于泥浆初始特征粒径,而d₁₀先增大,然后随着溶液增加逐渐降低,最后回到初始值附近。向泥浆中不断掺入NaCl溶液时,d₁₀会随之增大,而d₅₀和d₈₅在溶液加入后便分别提高至在17,39 $\text{μm}$附近,然后基本保持不变。

图  7  泥浆特征粒径d₁₀随溶液掺入比变化曲线

Figure  7.  Curves of characteristic particle size d₁₀ of slurry under intrusion of different solutions

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图  8  泥浆特征粒径d₅₀随溶液掺入比变化曲线

Figure  8.  Curves of characteristic particle size d₅₀ of slurry under intrusion of different solutions

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图  9  泥浆特征粒径d₈₅随溶液掺入比变化曲线

Figure  9.  Curves of characteristic particle size d₈₅ of slurry under intrusion of different solutions

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当海水掺入比为5%时,泥浆特征粒径d₁₀,d₅₀和d₈₅均达到峰值,然后逐渐降低,最终稍大于添加同比例CaCl₂溶液或MgCl₂溶液时泥浆对应特征粒径。

2.6   盐溶液侵入对泥浆成膜的影响

泥浆侵入地层成膜可分为两个阶段：泥浆快速进入地层的泥浆喷失阶段,泥浆颗粒在地层中汇集,与地层颗粒发生作用,泥膜结构强度从无到有；泥膜形成阶段,对应泥水压差下泥膜结构基本形成,泥膜强度达到稳定^[12]。

从图10可以看出,在0.05 MPa的泥水压差下,10 s左右,基浆侵入地层成膜过程进入泥膜形成阶段,120 s时泥浆滤失量仅为28.8 g。除添加CaCl₂溶液外,随着溶液掺入比的增加,泥浆滤失量均逐渐增加。当溶液掺入比不小于15%时,相较于添加淡水,向泥浆中添加盐溶液,泥浆在喷失阶段滤失量显著增加。同时可以发现,泥浆成膜阶段,当溶液掺入比大于30%,在CaCl₂溶液或MgCl₂溶液作用下,泥浆滤失量曲线斜率较大,而在淡水或者NaCl溶液作用下,泥浆滤失量曲线接近水平。

图  10  泥浆滤失量曲线

Figure  10.  Curves of seepage discharge of slurry

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当CaCl₂溶液掺入比达到15%时,30 s左右才进入泥浆成膜阶段,泥浆120 s时滤失量达到峰值190.3 g,原因可能是所用试验砂层孔隙体积差异小,而地层制备难以做到绝对均匀所造成的泥膜形成时间的波动。

3.   盐溶液影响泥浆稳定性机理讨论分析

通过Stern双电层模型^[18]和黏土颗粒胶体絮凝机理^[19-20]可以很好地解释试验中加入盐溶液后泥浆絮凝泌水的现象。结合卢廷浩^[21]所编《土力学》中土的结构类型一节的内容可知,向泥浆中掺入盐溶液后,水中阳离子含量增高,黏土表面的吸着水层厚度减小,土粒间作用力由净斥力转为净吸力,黏粒互相吸引,粒间接触由面面接触为主变为以面边接触和面角接触为主,形成絮凝结构。

将泥浆絮凝过程分为絮集和絮降过程：掺入盐溶液时,阳离子侵入,$\zeta$电位降低,泥浆颗粒絮集；若同时泥浆被充分稀释,大粒团与小粒团间斥力克服重力后不足以维持体系稳定,泥浆即发生絮降,分层、泌水。

（1）掺入浓度为1%的NaCl溶液时,泥浆内部阳离子浓度增大,部分阳离子进入Stern层,导致泥浆$\zeta$电位从29 mV降至23 mV左右。泥浆颗粒之间的平衡被破坏,泥浆颗粒间接触以面面接触为主转为面边接触和面角接触为主,泥浆颗粒絮集。随着NaCl溶液掺入,小粒径的泥浆颗粒受到Na⁺影响聚集成团,d₁₀随之变大,而d₅₀,d₈₅变化不大,故在逐渐被稀释的情况下,泥浆中的大粒团与逐渐增大的小粒团间的斥力克服重力后仍能维持稳定,当掺入比达到50%,泥浆泌水率才1%。泥浆不会出现明显分层、絮降、泌水现象。

（2）掺入浓度为1%的CaCl₂溶液或MgCl₂溶液时,同样的,泥浆内部阳离子浓度增大,部分阳离子进入Stern层,但由于离子价态高,当掺入比达到5%时,泥浆中小颗粒絮集成为大颗粒的过程便已基本完成。故随着溶液的继续掺入,$\zeta$电位不断降低,而泥浆特征粒径d₁₀没有随之变大。当溶液的掺入比达50%时,$\zeta$电位从29 mV降至10 mV以下。在泥浆不断被稀释的情况下,泥浆中的小粒团与大粒团间斥力已不足以平衡颗粒所受重力,泥浆颗粒便由絮集开始转向絮降,泥浆开始出现分层、泌水现象。

4.   存在的问题

本研究中只记录120 s内泥浆滤失量随时间变化情况,并通过泥浆滤失量分析泥浆成膜质量。但实际工程中,泥水平衡盾构掘进时,刀盘转动,切削土体,开挖面上泥膜处于破坏与形成的过程中。

向基浆中掺入试验海水,当掺入比为5%时,泥浆特征粒径均达到峰值；当掺入比为15%时,泥浆漏斗黏度达到峰值。试验海水中Na⁺浓度高达2%以上,Mg²⁺、Ca²⁺浓度均小于0.5%。可见,多种阳离子混合情况下,各种阳离子对泥浆稳定性影响不是简单的叠加,具体研究有待进一步开展。

5.   结论与建议

本文通过将不同盐溶液掺入膨水比为1∶15的纳基膨润土泥浆中,测量泥浆泌水率、$\zeta$电位、特征粒径、滤失量等参数变化,结合胶体絮凝机理及压缩双电层进行分析,可以得到以下4点结论。

（1）相较于掺入同比例的淡水,向膨水比为1∶15的泥浆中掺入浓度为1%的盐溶液时,泥浆ζ电位下降、特征粒径增大、滤失量增加。

（2）当盐溶液掺入比为5%时,泥浆中部分颗粒即会发生絮集。

（3）当盐溶液掺入比超过5%后,继续掺入时,若盐溶液为NaCl,则特征粒径d₁₀增大、d₅₀,d₈₅基本不变,泥浆颗粒只絮集,不泌水；若盐溶液为CaCl₂、MgCl₂,则特征粒径d₁₀,d₅₀,d₈₅均基本不变,泥浆颗粒开始絮降,泌水。

（4）盐溶液主要通过降低泥浆$\zeta$电位和稀释泥浆来影响泥浆稳定性,其中泥浆大、小粒团的大小变化情况是决定泥浆是否絮降、泌水的关键。

总之,Ca²⁺、Mg²⁺比Na⁺对泥浆稳定性影响更大,在不同海域采用泥水盾构掘进时,应根据地下水盐分含量及种类有针对性地考虑其对泥浆稳定性的影响。接下来应侧重开展针对不同阳离子作用下泥浆的改性优化研究。