泥漿含砂量對泥水盾構泥漿成膜性能影響的試驗研究*

汝俊起

(北京市南水北調工程建設管理中心，北京 100195)

0 引言

泥水平衡盾構常應用于穿越高滲透地層的隧道工程，例如廣州地鐵1號線主要穿越地層為富水砂層和淤泥層[1]，武漢長江隧道主要穿越砂卵石和粉細砂地層等[2]。泥水平衡盾構在穿越透水性較大的地層(如砂土、礫石和砂卵石等)時，極易發(fā)生泥膜難以形成、掘進面失穩(wěn)、地層坍塌等一系列安全生產(chǎn)問題[3-5]，泥漿材料與配比是影響泥膜狀態(tài)的關鍵因素，泥漿參數(shù)的合理選擇是安全高效施工的重要保障[6]。

目前，諸多學者對泥漿材料及泥漿配比進行了大量的研究。Fritz[7]針對蘇黎世附近隧道穿越地層滲透性較高的工程問題，通過改變泥漿中添加劑的配比來改善泥漿特性，為工程提供了優(yōu)化后的泥漿配比方案；閔凡路等[8]針對南京長江隧道盾構機在礫砂地層中開挖掘進開展泥漿配置及成膜試驗，結果發(fā)現(xiàn)泥漿中黏粒含量的增加可以改善泥漿的物理穩(wěn)定性和成膜質量；張寧等[9]針對穿越滲透系數(shù)高于10-2m/s地層的南京緯三路過江通道，通過泥漿成膜試驗，改變泥漿中膨潤土漿和增黏劑含量，確定了泥漿成膜的適宜配比方案；吳迪等[10]采用均勻試驗對泥漿相對密度對泥膜成膜性能的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)泥漿的相對密度是影響泥膜致密程度的首要因素；王振飛等[11]通過室內試驗發(fā)現(xiàn)，華北油田Ⅲ型泥漿為北京砂卵石泥水盾構最理想的泥漿類型；崔溦等[12]針對陸豐核電海底排水隧道泥水盾構工程，研發(fā)得到了新型泥漿，該泥漿具有受海水污染影響小和性能優(yōu)良的特點，對同類工程具備參考意義。

雖然，現(xiàn)有研究在泥水平衡盾構泥漿成膜方面取得了許多有意義的成果[13-14]，但是針對高滲透性砂卵石地層泥漿成膜研究較少，特別是針對北京地區(qū)砂卵石地層的泥漿配比，尚缺乏可參考的研究資料。本文依托京張高鐵清華園隧道工程，采用自行設計的泥漿滲透試驗裝置，配置不同含砂量的試驗泥漿，在與實際地層相似的試驗地層中開展泥漿滲透成膜試驗。針對不同含砂量泥漿的成膜試驗，對泥漿在滲透過程中的成膜類型、成膜質量、滲透深度、濾失量以及閉氣性能等相關指標進行分析，得到適用于高滲透性砂卵石地層的泥漿配比。試驗結果可為北京地區(qū)砂卵石地層泥水平衡盾構掘進泥漿配置提供有效依據(jù)，保障清華園隧道盾構段的順利完成。

1 工程概況

清華園隧道為北京至張家口城際高鐵中的重點工程，穿越地層以砂卵石地層為主，具體地質比例如圖1所示。隧道全線卵石全斷面地層長達2 400 m，砂卵石地層具有典型的不穩(wěn)定力學性質[15]，該地層中盾構掘進面泥漿成膜困難，開挖面失穩(wěn)風險較高。

圖1 盾構區(qū)間地質比例Fig.1 Geological proportion of shield interval

本文以清華園隧道為工程背景，通過室內試驗模擬現(xiàn)場的砂卵石地層條件，開展泥漿滲透試驗，配制6種不同的泥漿，并觀察泥漿在滲透過程中的成膜類型、成膜質量、滲透深度、濾失量等相關指標，探尋最佳泥漿配比。通過分析試驗數(shù)據(jù)，總結和歸納出泥漿配比對高滲透性砂卵石地層中泥漿滲透成膜的影響。

2 試驗方案

2.1 試驗地層及泥漿配置

為模擬現(xiàn)場實際地層，室內試驗利用細砂顆粒配置與清華園隧道地層相似的地層，地層的粒徑曲線如圖2所示。地層滲透系數(shù)由常水頭滲透試驗得到，為0.136 34 cm·s-1。

圖2 試驗地層級配曲線Fig.2 Grain size distribution curve of test stratum

采用粉土、CMC和95%顆粒直徑不大于0.075 mm的膨潤土配制試驗泥漿。其中CMC用于改善溶液的粘度。試驗前，將泥漿靜置12 h，以防止泥漿的性質在短時間內發(fā)生變化，影響試驗準確性。

針對細砂含量、CMC含量、粉土用量3種控制因素，采用控制變量法配置6種不同泥漿，開展泥漿滲透成膜試驗。含砂量采用粒徑在0.075～0.25 mm的細砂顆粒調控，不同泥漿的具體配置參數(shù)見表1。

表1 不同泥漿的配制參數(shù)Table 1 Preparation parameters of different slurries

2.2 試驗裝置設計原理

泥水盾構在開挖施工過程中，會在掘進面前方形成1個泥漿壓力倉，泥漿在壓力作用下滲入掘進面地層中[16]。泥漿的主要成分為水、固體顆粒和其它添加劑。泥漿在地層中的滲透包含2個部分，一是水在地層中的孔隙內滲透流動，二是固體顆粒逐漸吸附在孔隙的邊緣和孔隙壁上，使得滲透通道變窄。固體顆粒的大量堆積，最終形成了泥膜。

泥漿在掘進面成膜有2種狀態(tài)：一種是靜態(tài)泥膜，另一種是動態(tài)泥膜[17]。靜態(tài)泥膜是在盾構機拼裝管片或停機的時候形成的，而動態(tài)泥膜是指盾構機在掘進過程中，一邊切削掘進面土體，一邊使得泥漿壓成泥膜，泥膜處于一邊破壞一邊生成的狀態(tài)。

本次試驗采用1套自行設計的泥漿靜態(tài)滲透成膜模擬裝置，該試驗裝置包括空氣加壓系統(tǒng)、泥漿滲透系統(tǒng)、濾液采集系統(tǒng)，采用亞克力透明筒作為側壁，蓋板與筒身的間隙采用高分子橡膠圈密封。亞克力筒的上部設置有2個氣閥，通過空氣壓縮機調節(jié)進氣，人工手動調節(jié)出氣，使室內氣壓達到動態(tài)穩(wěn)定；同時對稱設置有2個氣壓監(jiān)測表，實時觀測壓力室中的氣壓值。為保證滲透體系的水能夠持續(xù)穩(wěn)定地排出，同時不破壞滲透體系的維持，在裝置底部設計碎石濾層。滲透裝置示意如圖3所示。

圖3 泥漿滲透試驗裝置示意Fig.3 Schematic diagram of slurry permeability test device

2.3 試驗流程

試驗按照0.05 MPa的荷載步長進行逐級加載，設有6級壓力，分別為0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.30 MPa。為了使泥漿有足夠的時間完成滲透成膜過程，每級壓力加載時間3 min。其中，第1級壓力是判斷泥漿是否能成膜，后續(xù)加載壓力是用來評價泥漿的成膜質量。具體操作步驟如下：

1)填裝地層材料。緊貼金屬隔板的最底層為150 mm高的碎石(平均粒徑為5～10 mm)濾層。將待填充的地層材料均分為5份后進行逐層填充，每層均需壓實緊密，控制地層厚度200 mm。

2)飽和地層。在地層材料填充密實后，打開裝置底部的進水閥門，勻速緩慢地注入自來水，使得地層逐漸飽和，待水位線超過地層頂部一小段距離后，關閉進水閥門。靜置24 h，待水位線不發(fā)生顯著變化時，即土層達到完全飽和狀態(tài)。

3)導入泥漿。液面穩(wěn)定后，打開滲透裝置底部的泄水閥門，將裝置內液面下降至與土層頂部高度時，關閉閥門。利用導流管進行泥漿的推送，從地層表面開始逐漸鋪實，待泥漿厚度達到200 mm左右停止加泥漿。隨后，立即調節(jié)排水管高度，使其液面與泥漿頂面齊平。

4)封閉系統(tǒng)。迅速擰緊金屬密封蓋的螺帽，隔斷裝置內與外界環(huán)境的大氣連接，進行密封。連接空壓機送氣管和裝置進氣管，同時確保頂蓋處的出氣閥處于關閉且不漏氣狀態(tài)，完成整個裝置的封閉操作。

5)分級加載。試驗加載采用分級加載的方式，總共加載6級壓力，分別為0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.30 MPa。每次加壓后，維持壓力狀態(tài)3 min，以確保泥漿成膜過程充分進行。

6)同步量測。計時從初始加載開始到6級加載并穩(wěn)壓后結束，在整個試驗過程需對泥漿的滲透濾失量進行同步采集，并對泥膜形成過程的現(xiàn)象進行觀察和記錄。在滲透結束后，依次關閉進氣閥、關閉空壓機、打開泄氣閥、擰松頂蓋螺帽、打開頂蓋、分離圓筒、取出泥膜、拆卸系統(tǒng)、清洗裝置。并對取出的泥膜進行最后的觀察和量測。至此滲透試驗結束。

3 試驗結果與討論分析

3.1 滲透試驗現(xiàn)象

泥漿滲透成膜試驗現(xiàn)象為：滲透開始后，出水量較大，主要原因是泥漿正在浸入地層，地層中的孔隙水被擠出；在很短時間后(數(shù)秒)，濾失量迅速降低，并且趨于穩(wěn)定。整體來看，在滲透的過程中泥漿中的細砂進入地層并存留其中，而大部分水直接通過地層，產(chǎn)生較大的濾失量。由圖4觀察到浸入地層的部分泥漿，滲透后的地層與泥漿之間存在明顯的界限。

圖4 泥漿滲透效果Fig.4 Slurry penetration results

3.2 滲透濾失量分析

各組泥漿在試驗過程的滲透濾失量變化見圖5。受篇幅所限，下面以成膜效果最佳的3號泥漿為例，詳細闡述試驗中泥漿的滲透濾失過程。

圖5 泥漿滲透濾失曲線Fig.5 Slurry infiltration curves

采用分級加載時，泥漿滲透的濾失量與加載壓力變化趨勢一致，階梯狀現(xiàn)象較為顯著，并且泥膜的形成總是能夠有效地阻止泥漿量的損失。

從施加荷載壓力(0.05 MPa)開始，泥漿就迅速滲透進入地層中。隨著泥漿的進入，地層中的存在的飽和水逐漸流失，由此產(chǎn)生了濾失量。從試驗曲線可以看出，加載初始的5 s內，濾失量達到210 mL，再經(jīng)過5 s后濾失量達到350 mL。濾失速度在10 s左右達到最大值，隨后開始逐漸地下降，到60 s時濾失速度約為1 mL/s，約120 s逐漸穩(wěn)定，產(chǎn)生濾失量為420 mL。此時泥漿中的顆粒對封堵了滲流路徑，泥膜有效地阻止了泥漿滲透，使得泥漿壓力轉化為支護壓力。由此可見，在滲透性比較高的土層中，泥漿中的細顆粒有較為明顯的封堵效果。

第2級荷載(0.1 MPa)期間：加載后短時間內，濾失速度陡增，隨后經(jīng)歷先上升后下降的變化過程，在加載70 s內產(chǎn)生的濾失量為100 mL，達到穩(wěn)定狀態(tài)。宏觀上未見泥漿明顯下浸入地層中。

第3級荷載(0.15 MPa)期間：加載后濾失速度經(jīng)歷快速上升到緩慢降低的過程，在加載的50 s內產(chǎn)生的濾失量為85 mL，達到穩(wěn)定狀態(tài)。在這一階段可見地層密實度增加，同時濾失量變化較上階段穩(wěn)定。

第4級荷載(0.2 MPa)期間：加載后濾失速度經(jīng)歷快速上升到緩慢降低的過程，在加載的50 s內，產(chǎn)生的濾失量為75 mL，達到穩(wěn)定狀態(tài)。宏觀現(xiàn)象與上階段相似，土層繼續(xù)密實，濾失量保持穩(wěn)定。

第5級荷載(0.25 MPa)期間：加載后濾失速度上升幅度較之前降低，達到最大值后緩慢下降，在加載的40 s內，產(chǎn)生的濾失量為60 mL，達到穩(wěn)定狀態(tài)。宏觀表現(xiàn)整體穩(wěn)定。

第6級荷載(0.3 MPa)期間：加載后濾失速度經(jīng)歷小幅度增加到緩慢降低的過程，在加載的40 s內，產(chǎn)生的濾失量為45 mL，達到穩(wěn)定狀態(tài)。此階段，無泥漿滲入地層的現(xiàn)象發(fā)生。

試驗中，3號泥漿在整個分級加壓的過程中均能在短時間內達到穩(wěn)定狀態(tài)，且穩(wěn)定時的濾失速度和濾失量均較小，說明3號泥漿能夠有效地在砂卵石地層形成質量較高的泥膜。該泥膜的穩(wěn)定性也隨著荷載的增加而提升。

總體來看，通過在泥漿中添加細砂，6組泥漿滲透試驗均能成膜。不同的是隨著泥漿中含砂量的增加，整個滲透過程的泥漿濾失量呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。在每一級壓力加載條件下，泥漿濾失量均隨著含砂量的增大而減小，適宜的泥漿含砂量對其在滲透性較高的砂卵石地層中的泥膜形成有顯著的改善。

6種泥漿在各級壓力下濾失量如圖6所示。從圖6可以看出，1號和2號泥漿的單位面積濾失量在初期大于0.04 m3/m2。

圖6 單位面積泥漿滲透濾失量Fig.6 Discharged water per unit area

在較低荷載壓力情況下，各組泥漿的濾失量差異較大，1～6號泥漿的單位面積濾失量依次減小。在0.05～0.1 MPa荷載下，1號泥漿濾失量顯著大于其它組。隨著荷載壓力的增大，特別是在第5級壓力加載后，1號和2號泥漿出現(xiàn)區(qū)別于其他組的濾失量波動。

3.3 泥漿滲透深度分析

在荷載壓力作用下，泥漿滲透地層的過程主要分為2部分：一部分泥漿組分被地層表面吸附，在表面逐漸堆積增厚形成泥皮；另一部分則滲入地層孔隙，對孔隙產(chǎn)生填堵作用，同時隨著地層內的泥漿組分增多留存，逐漸形成泥漿滲透帶。泥漿的滲透深度就是滲透帶的長度。為分析泥漿的滲透穩(wěn)定性，對試驗過程中泥漿滲入地層深度進行測量統(tǒng)計，如圖7所示。

圖7 泥漿入滲距離Fig.7 Slurry infiltration distance

如圖7所示，1號泥漿在第1級壓力下就穿透了地層，后續(xù)壓力作用下不斷有渾濁液從濾液管道排出，雖然泥漿滲入深度較大，但泥膜形成較慢，導致封堵效果不佳。相比之下，2號泥漿的滲透效果得到了很好地改善，在每一級壓力作用下，泥漿都有一定程度向地層內部產(chǎn)生滲透，說明泥漿在不斷地填補地層內部孔隙，并且整體濾失量也較小。3號泥漿的滲透效果最好，由于含砂量適量，泥漿中的粗顆粒對地層近表面區(qū)域進行了很好的堵塞，使得泥漿只在初級壓力作用下有明顯地入滲現(xiàn)象，在后面幾級壓力作用下，并沒有產(chǎn)生明顯地入滲，泥漿壓力幾乎全部轉化成了有效的支護壓力作用在地層上。4號泥漿相比3號泥漿有更大的含砂量，但是在滲透效果上卻明顯變差了，濾失量有所增大，而且有更多的泥漿進入地層內部，雖然最后也對地層造成了有效地封堵，但泥漿壓力的轉化效果明顯沒有3號泥漿好。5號和6號泥漿的入滲效果僅次于4號泥漿。

3.4 泥膜的閉氣性能測試

泥膜在盾構開倉作業(yè)的過程中發(fā)揮著重要的作用，由于需要排出多余的泥漿進行開倉作業(yè)，泥膜后方的泥漿壓力變?yōu)榱丝諝鈮毫Γ藭r泥膜進入排水壓密階段，泥膜的閉氣時間對開倉作業(yè)有著很大的影響，泥膜的閉氣時間越長，開倉作業(yè)的安全就越有保障。

在6次試驗中，測試了每組試驗泥膜的閉氣時間，并對閉氣前后泥皮的狀態(tài)進行了取樣觀察。圖8是對3號泥漿閉氣前后泥餅的取樣圖，從圖8中可觀察到，在閉氣開始前，泥漿在地層中進行了總共60 min的成膜，泥皮的厚度大約有8 mm，且泥皮含水量較大，閉氣完成后，泥皮經(jīng)歷了排水的過程，厚度上出現(xiàn)縮水，泥皮表面也變得相對干燥光潔。

圖8 閉氣前后的泥皮Fig.8 Slurry skin before and after breath closure

對6組試驗泥漿成膜后的閉氣時間進行統(tǒng)計，隨著泥漿中含砂量的逐漸增大，同等條件下其閉氣性出現(xiàn)先增強后減弱的現(xiàn)象，其中3號泥漿的閉氣性最強，閉氣時間達到了5 h，而當含砂量超過9.6%后，同等條件下的閉氣性會逐漸減弱，5號泥漿的閉氣時間只有1.1 h。

通過分析可知，泥漿中的含砂量不僅對泥漿的滲透成膜有較大的影響，而且對泥漿成膜后的閉氣性也有很大的影響。主要原因是泥漿中的粗顆?？梢杂行ё枞貙又休^大的孔隙，使泥漿的成膜效果更好，泥漿壓力能夠有效地轉化為支護壓力，作用在地層顆粒骨架上，更好地保證地層的穩(wěn)定性。但含砂量不宜過大，過大反而會影響泥漿的成膜及閉氣效果。在京張高鐵清華園盾構隧道的施工過程中，正是采用了3號泥漿的配制，在掘進以及開倉作業(yè)過程中取得了良好的效果。

4 現(xiàn)場使用情況分析

通過試驗發(fā)現(xiàn)，在滲透系數(shù)較高的地層中，泥漿的含砂量對滲透成膜有顯著影響。試驗結果顯示，當利用粒徑為0.075～0.25 mm的細砂顆粒進行調節(jié)，控制泥漿的含砂量在9.6%左右時，在施工過程中盾構機得掘進狀態(tài)平穩(wěn)，切口水壓維持在0.175～0.185 MPa范圍內，平均每環(huán)掘削量與理論掘削量接近，出漿的比重近似符合均值為1.328 g/cm3的正態(tài)分布，整體在1.1～1.6 g/cm3范圍內波動。由于掌子面被切削下的渣土參與泥漿的循環(huán)過程，使得出漿中摻入了含量和性質不定的卵石，導致出漿的比重產(chǎn)生隨機波動變化，整體呈現(xiàn)為正態(tài)分布。掘進參數(shù)反映出開挖面具有較好的穩(wěn)定性，地層與刀盤之間形成的良好質量泥膜，可證明添加輕質砂的泥漿配比是合理有效的[18]。

5 結論

1)在砂卵石地層中泥漿的滲透濾失量相對較大，泥漿的成膜效果較差，通過向泥漿中添加輕質砂，能減小泥漿在地層中的流失量，在工程實踐中可以通過此方法降低泥漿的使用量從而降低成本。

2)泥漿的含砂量對試驗土層中泥漿成膜形態(tài)有顯著影響，泥膜滲透濾失量隨含砂量的增加表現(xiàn)為先增后減。向泥漿中添加輕質砂，實際上是增大了泥漿中的顆粒粒徑，試驗結果顯示，輕質砂的加入明顯改善了泥漿的滲透成膜能力及閉氣性。

3)根據(jù)試驗結果依托清華園隧道工程，對穿越砂卵石地層的盾構段進行泥漿配比優(yōu)化，采用粒徑在0.075～0.25 mm的細砂顆粒將泥漿含砂量調至9.6%的3號試驗組泥漿配比，經(jīng)實際施工驗證，其成膜效果良好，可為類似工程提供參考。