CN109762534A - 一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系，由以下质量份原料制备，水100份、分散成膜剂5～6份、降滤失剂1～2份、提粘剂0.2～0.4份、封堵剂0.4～0.6份、减磨解泥包剂0.2～0.4份、选择性絮凝剂0.02～0.03份。本发明的有益效果：具有独特的“润滑减磨性”，起到保护盾构刀头和提高进尺效率的作用，能形成致密的泥膜，降低滤失量，平衡土压，从而增强井壁稳定性，能降低黏附系数，防止盾构刀头泥包；有良好的流变性、降滤失性能和润滑性，能够满足盾构泥浆钻进的要求，且具有环保和低成本的优点。

Description

一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系及制备方法

技术领域

本发明涉及隧道盾构泥浆技术领域，尤其涉及一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系的制备方法。

背景技术

大直径隧道采用大直径泥水平衡盾构，隧道全线遇到的地层复杂多样，上软下硬复合地层、硬度高达40MPa的中等胶结砾岩、全断面砂性地层、粉细砂、中粗砂及泥岩和砾岩等岩层。由于地质条件复杂，切削下来粉细砂钻屑及泥岩对盾构刀具造成严重磨损和破坏，同时强风化泥质胶结粘土层黏结刀盘，给盾构掘进造成巨大阻力，隧道井壁稳定性等，都是当前穿越长江隧道施工遇到的世界级难题。因此，从提高掘进开挖过程中的技术经济性来看，通过添加泥浆助剂，优化泥浆配方的方式，进一步保障盾构的施工安全和施工进度。

对于盾构施工过程而言，由于地质条件复杂，切削下来粉细砂钻屑及泥岩对盾构刀具造成严重磨损和破坏，频繁更换刀头导致工期延误降低施工进度，因此盾构泥浆应满足一定的盾构刀头减磨损要求。由于切削下来的强风化泥质胶结黏土层粘结刀盘，进尺困难，导致更换刀头清理泥包，使施工暂停，因此盾构泥浆应能防止刀头泥包。在掘进开挖过程中，如果泥浆滤失量过大，会造成浆材损失量过大，施工成本上升，土压难以平衡，因此盾构泥浆应能形成致密的泥膜，降低滤失量，减少浆材损耗，平衡土压，这就对盾构泥浆提出了更高的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系。

本发明的实施例提供一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系，由以下质量份原料制备，水100份、分散成膜剂5～6份、降滤失剂1～2份、提粘剂0.2～0.4份、封堵剂0.4～0.6份、减磨解泥包剂0.2～0.4份、选择性絮凝剂0.02～0.03份。

进一步地，所述分散成膜剂为钠基膨润土，分散成膜剂可以分散在泥浆中，提高泥浆的黏度，在水压作用下嵌入开挖面，在开挖面上形成致密的泥膜，降低滤失量，平衡土压，起到增强井壁稳定的作用。

进一步地，所述降滤失剂为低黏羧甲基纤维素钠，能吸附在黏土表面形成吸附层，以阻止黏土颗粒絮凝变大，能把在钻井液循环搅拌下所拆散的细颗粒通过吸附作用稳定下来，不再粘结成大颗粒。这样增加了细颗粒的比例，有利于形成致密泥饼，从而起到降滤失效果。

进一步地，所述提粘剂为XC黄原胶。

进一步地，所述封堵剂为超细碳酸钙。

进一步地，所述选择性絮凝剂为聚丙烯酰胺(PAM)，所述选择性絮凝剂聚丙烯酰胺通过其电离基团与线性柔链可以选择性地捕捉、聚沉泥浆中的细微惰性岩屑，而保留造浆粘土仍然分散在泥浆体系中，从而提高盾构泥浆的再生回收利用率，减轻环保压力，促进隧道工程的质量、效率与安全。

进一步地，所述减磨解泥包剂为复配乳化油所述减磨解泥包剂由十二烷基苯磺酸钠、聚氧乙烯辛基苯酚醚和皂化油复配而成，对应的质量比为1:2:13，所述减磨解泥包剂能大幅降低盾构刀头与地层的摩擦系数，降低刀头的磨损量，且能降低盾构泥浆与刀头的黏附系数，缓解刀头泥包现象。

本发明的实施例还提供了一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系的制备方法，包括以下步骤：

S1称取100质量份的水，并在水中加入0.2～0.4质量份的减磨解泥包剂，在6000r/min转速搅拌条件下搅拌10min，搅拌均匀；

S2在100r/min搅拌条件下向所述步骤S1中的溶剂中加入5～6质量份分散成膜剂，搅拌16h；

S3在6000r/min转速搅拌条件下，依次向所述步骤S2中的溶剂中加入降滤失剂1～2质量份、提粘剂0.2～0.4质量份、封堵剂0.4～0.6质量份、减选择性絮凝剂0.02～0.03质量份，搅拌均匀得到适用于特大直径隧道盾构泥浆体系。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种适用于大直径隧道盾构的泥浆，具有独特的“润滑减磨性”，起到保护盾构刀头和提高进尺效率的作用，能形成致密的泥膜，降低滤失量，平衡土压，从而增强井壁稳定性，能降低黏附系数，防止盾构刀头泥包；有良好的流变性、降滤失性能和润滑性，能够满足盾构泥浆钻进的要求，且具有环保和低成本的优点。

附图说明

图1是本发明一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系的原料示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系，由以下质量份原料制备，水100份、分散成膜剂5～6份、降滤失剂1～2份、提粘剂0.2～0.4份、封堵剂0.4～0.6份、减磨解泥包剂0.2～0.4份、选择性絮凝剂0.02～0.03份。

本发明的实施例还提供了一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系的制备方法，包括以下步骤：

S1称取100质量份的水，并在水中加入0.2～0.4质量份的减磨解泥包剂，在6000r/min转速搅拌条件下搅拌10min，搅拌均匀；

S2在100r/min搅拌条件下向所述步骤S1中的溶剂中加入5～6质量份分散成膜剂，搅拌16h；

S3在6000r/min转速搅拌条件下，依次向所述步骤S2中的溶剂中加入降滤失剂1～2质量份、提粘剂0.2～0.4质量份、封堵剂0.4～0.6质量份、减选择性絮凝剂0.02～0.03质量份，搅拌均匀得到适用于特大直径隧道盾构泥浆体系。

实施例1

一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系，由以下原料制备，水1000ml、钠基膨润土50g、低黏羧甲基纤维素钠15g、XC黄原胶3g、超细碳酸钙5g、减磨解泥包剂3g、聚丙烯酰胺0.3g。

制备方法：

S1称取1000mL的水，并在水中加入0.19g十二烷基苯磺酸钠(AS-12)、0.38g聚氧乙烯辛基苯酚醚(OP-10)和2.43g皂化油，在6000r/min转速搅拌条件下搅拌10min，搅拌均匀配置3g解泥包剂；

S2在100r/min搅拌条件下向所述步骤S1中的溶剂中加入钠基膨润土50g，搅拌16h；

S3在6000r/min转速搅拌条件下，依次向所述步骤S2中的溶剂中加入低黏羧甲基纤维素钠15g、XC黄原胶3g、超细碳酸钙5g、聚丙烯酰胺0.3g，搅拌均匀得到适用于特大直径隧道盾构泥浆体系。

实施例2

一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系，由以下原料制备，水1000ml、钠基膨润土40g、低黏羧甲基纤维素钠20g、XC黄原胶2g、超细碳酸钙4g、减磨解泥包剂2g、聚丙烯酰胺0.2g。

制备方法：

S1称取1000mL的水，并在水中加入0.13g十二烷基苯磺酸钠(AS-12)、0.25g聚氧乙烯辛基苯酚醚(OP-10)和1.63g皂化油，在6000r/min转速搅拌条件下搅拌10min，搅拌均匀配置2g解泥包剂；

S2在100r/min搅拌条件下向所述步骤S1中的溶剂中加入钠基膨润土40g，搅拌16h；

S3在6000r/min转速搅拌条件下，依次向所述步骤S2中的溶剂中加入低黏羧甲基纤维素钠20g、XC黄原胶2g、超细碳酸钙4g、聚丙烯酰胺0.2g，搅拌均匀得到适用于特大直径隧道盾构泥浆体系。

实施例3

一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系，由以下原料制备，水1000ml、钠基膨润土60g、低黏羧甲基纤维素钠20g、XC黄原胶4g、超细碳酸钙4g、减磨解泥包剂4g、聚丙烯酰胺0.3g。

制备方法：

S1称取1000mL的水，并在水中加入0.25g十二烷基苯磺酸钠(AS-12)、0.5g聚氧乙烯辛基苯酚醚(OP-10)和3.25g皂化油，在6000r/min转速搅拌条件下搅拌10min，搅拌均匀配置4g解泥包剂；

S2在100r/min搅拌条件下向所述步骤S1中的溶剂中加入钠基膨润土60g，搅拌16h；

S3在6000r/min转速搅拌条件下，依次向所述步骤S2中的溶剂中加入低黏羧甲基纤维素钠20g、XC黄原胶4g、超细碳酸钙4g、聚丙烯酰胺0.3g，搅拌均匀得到适用于特大直径隧道盾构泥浆体系。

1、泥浆基本性能评价

将上述三实施例制备的盾构泥浆和普通盾构泥浆进行对比，普通盾构泥浆配方如下，以每1000mL水中加入量计算：钠基膨润土60g。

测试本发明中适用于大型隧道盾构泥浆的基本性能参数，并用普通盾构泥浆作对比，数据分析见表1。

实验仪器：ZNN-D6S型六速旋转粘度计、ZNS-5A中压失水仪、苏氏漏斗。

表1泥浆的基本性能参数对比表

由表1可见，本发明提供的适用于大型隧道盾构泥浆(实施例1、2、3)相对于普通盾构泥浆而言，粘度高，漏斗黏度最高达88s，且滤失量小，最低仅8mL。

2、泥浆的润滑性评价

实验仪器：EP极压润滑仪。

实验方法：将上述三实施例制备的适用于大型隧道盾构泥浆倒入EP极压润滑仪试样杯中，测试润滑系数，并与清水、4％膨润土泥浆的润滑系数进行对比，结果如下。

表2泥浆的润滑系数对比表

泥浆类型	润滑系数
		清水	0.34
清水+4％钠基膨润土	0.48
		实施例1	0.17
实施例2	0.21
		实施例3	0.15

表明本发明提供的适用于大型隧道盾构泥浆(实施例1、2、3)的润滑系数较小。

3、泥浆的气液表面张力评价

实验仪器：QBZY系列全自动表面张力仪。

实验方法：使用QBZY系列全自动表面张力仪测试上述三实施例制备的适用于大型隧道盾构泥浆的表面张力值，并与清水、4％钠基膨润土泥浆相比，结果如表3所示

表3泥浆的表面张力值对比表

表明本发明提供的适用于大型隧道盾构泥浆(实施例1、2、3)的表面张力较小。

4、盾构刀头在泥浆浸泡后的接触角变化情况评价

实验仪器：JC2000C型接触角测量仪。

实验方法：(1)取盾构刀头，抛光后分别置于上述三实施例制备的适用于大型隧道盾构泥浆和普通盾构泥浆中浸泡16h；(2)将盾构刀头取出后在80℃下烘干15min；(3)使用JC2000C型接触角测量仪测试两种刀头与清水的接触角，结果如表4所示。

表4盾构刀头在不同泥浆中浸泡后的接触角

泥浆	盾构刀头接触角/°
		普通盾构泥浆	32.5
实施例1	46.1
		实施例2	43.1
实施例3	48.3

表明本发明提供的适用于大型隧道盾构泥浆(实施例1、2、3)的盾构刀头接触角较大。

5、泥浆的毒性评价

实验仪器：微孔板多功能检测仪(GloMax-Multi2011ZSIR0369US)

实验方法：将上述三实施例制备的适用于大型隧道盾构泥浆与3.0％NaCl溶液按照1:9体积比混合均匀，静置60min，取中层悬浮液为试验液，将其稀释成不同浓度，采用标准菌种，用生物毒性测定仪分别测定不同浓度试验液相对于3.0％NaCl溶液的发光度，当发光细菌的相对发光度减弱一半时，试验液的浓度记为钻井液的LC50。

表5生物毒性等级分类标准

经测试，上述三实施例制备的适用于大型隧道盾构泥浆的LC50均为322000ppm，达到排放标准，说明具有良好的环保性。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系，其特征在于：由以下质量份原料制备，水100份、分散成膜剂5～6份、降滤失剂1～2份、提粘剂0.2～0.4份、封堵剂0.4～0.6份、减磨解泥包剂0.2～0.4份、选择性絮凝剂0.02～0.03份。

2.如权利要求1所述的一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系，其特征在于：所述分散成膜剂为钠基膨润土。

3.如权利要求1所述的一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系，其特征在于：所述降滤失剂为低黏羧甲基纤维素钠。

4.如权利要求1所述的一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系，其特征在于：所述提粘剂为XC黄原胶。

5.如权利要求1所述的一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系，其特征在于：所述封堵剂为超细碳酸钙。

6.如权利要求1所述的一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系，其特征在于：所述选择性絮凝剂为聚丙烯酰胺。

7.如权利要求1所述的一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系，其特征在于：所述减磨解泥包剂由十二烷基苯磺酸钠、聚氧乙烯辛基苯酚醚和皂化油复配而成，对应的质量比为1:2:13。

8.一种适用于特大直径隧道盾构泥浆体系的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1称取100质量份的水，并在水中加入0.2～0.4质量份的减磨解泥包剂，在6000r/min转速搅拌条件下搅拌10min，搅拌均匀；

S2在100r/min搅拌条件下向所述步骤S1中的溶剂中加入5～6质量份分散成膜剂，搅拌16h；

S3在6000r/min转速搅拌条件下，依次向所述步骤S2中的溶剂中加入降滤失剂1～2质量份、提粘剂0.2～0.4质量份、封堵剂0.4～0.6质量份、减选择性絮凝剂0.02～0.03质量份，搅拌均匀得到适用于特大直径隧道盾构泥浆体系。