在均質土和復合土中泥膜形成時間及厚度的對比分析

胡敏+張瀟+胡昱璐+梅笑冰+王翔宇+湯沁

摘要：合理的泥漿配比及泥漿參數直接關系到盾構掘進的效率、安全及施工成本。根據不同的條件選擇經濟、合理的泥漿配合比，成為當前泥水平衡盾構施工中的一個難題。而泥水系統中泥膜的形成對盾構開挖面的穩定性起著極其重要的作用，文章主要在兩種均一土層和一種復合土層土質條件下通過改變泥漿比重和黏度，以及對泥漿指標的控制及對添加劑和用量的選擇，分別配置不同泥漿即改變泥漿比重及黏度，然后測量濾水量，并測量泥膜厚度。

關鍵詞：泥水盾構；泥漿配比；泥漿特性；泥漿配制；濾水量

1引言

隨著我國鐵路、公路、水利、城市軌道交通等事業的發展，泥漿在盾構施工中主要起到維持開挖面的穩定、攜渣、潤滑掘削設備、減少管路磨損等作用。泥水盾構就是在機械式盾構刀盤的后方設置一道封閉隔板，通過在隔板與刀盤之間的密封空間泥水艙中注入適當壓力的泥漿，當加壓泥漿滲入開挖面前方土層中，在開挖面形成滲透性非常小的一層泥膜，支承正面土體，使得泥水壓力有效作用于開挖面產生平衡前方水土壓力的泥水平衡效果。泥水盾構泥漿有兩大功能，一是保證開挖面穩定，二是順利輸送出開挖碴土。同時，不透水的泥膜將部分泥漿壓力轉化為有效應力作用在開挖面上，支護開挖面土體，地下水無法涌入泥水艙，起到穩定開挖面的作用。所以在泥水盾構施工過程中，泥膜的形成質量對于保證開挖面的穩定和安全順利掘進有著至關重要的作用.[1]正是由于泥漿對開挖面的特殊支承作用以及開挖面的泥膜穩定機理，使得泥水盾構工法在各種并行不悖的隧道施工法相互比較和競爭中，顯示了強大的優勢。[2]

2 試驗方法與材料

本文以實驗的方式來探究各種均質土層和復合土層情況下，在泥水盾構中泥漿形成泥膜的過程中，泥漿的性質對泥膜形成的影響，本實驗所使用的實驗儀器見圖1成膜裝置由①出水口 ②溢流口③活塞④筒體⑤細管等組成，該裝置呈圓柱形，由有機玻璃制成，內徑為200mm，高為500mm，周圍四根細管用來觀測土體是否飽和。

本試驗所用相關材料主要是用來配制各種泥漿，包括鈉基膨潤土，黏土，酒精，堿粉，及羧甲基纖維素納（簡稱CMC），和其中CMC用于調節泥漿黏度，鈉基膨潤土以及黏土均會影響泥漿比重，堿粉用于調節泥漿化學性質，泥水PH值為7～10表明泥水無正離子污染，超過該界限則表明泥水存在正離子污染。黏度和比重測定將會使用NB-1型泥漿比重計和1006型漏斗黏度計。根據湯沁的研究[3]：

（1）在粘土地層中，合適的泥漿密度在1.1～1.2kg/m3左右，泥漿黏度在20s左右。（2）在砂土地層中，合適的泥漿密度在1.2～1.3kg/m3左右，泥漿黏度在23s左右。以此為基準我們配置質量更好的泥膜，泥膜質量的指標在韓曉瑞[4]的在試驗室我們以濾水量的大小評價泥膜質量：泥膜形成過程中泥漿濾失量小說明泥膜容易形成，泥膜形成后濾水量小說明泥膜致密，兩者均小則說明泥膜質量良好。

實驗土層我們主要選用了三種土層，①粒徑<5mm的黏土地層，取自周邊較為常見的黏土地層，烘干再砸碎②粒徑<2mm的細砂土層③由黏土和砂土對半混合的復合土地層。

實驗步驟：（1）在出水口處放一張濾紙；準備濾水砂層：鋪一層4cm厚的粒徑為2～6mm的卵石層在儀器底部，并在上部鋪一層土工布；

（2）關閉出水口和溢流口閥門，為防止堵塞，各個細管接口上放一張濾紙；

（3）將試驗地層放入裝置中，振搗壓實；

（4）用工具引流，慢慢往裝置中注水飽和地層；

（5）配制泥漿，攪拌均勻后靜置水化；

（6）待細管的水位上升到與灌入的水位齊平后，再等待兩小時飽和（不同土層有不同的飽和時間），打開裝置溢流口和出水口，將裝置中水分排出。

（7）排干凈后，關閉溢流口和出水口。細管中水位與地層高度齊平。給活塞包上濕潤的土工布。

（8）將準備好的泥漿攪拌均勻后，使用引流工具慢慢倒入試驗地層上，直到指定刻度，厚5cm。

（9）打開出水口，下方放玻璃試管。并進行計時，每1分鐘或倍數換一只試管，讀數后將濾水倒入量杯中。在之后的實驗中改進了這一方法，將電子稱直接放置在出水口下方。

（10）待每組試管讀數一致時，泥膜已經形成。

（11）關閉所有閥門，小心將上部泥漿清除后，將泥膜切塊取出，觀察泥膜形成狀態，測量泥膜厚度。

3 實驗結果分析

（1）砂土我們做了兩組，我們改變了泥漿的性質作為對比，具體配比見表1，數據見表2

泥膜形態如下圖2

由實驗一二的對比可知，黏土量的提高有利于比重和黏度的增加，從而更快形成泥膜。且由圖中泥膜形態可知，第二組泥膜均為均勻，砂土泥漿要求為比重處于1.2～1.3g/cm3，黏度要求為23s左右。

（2）黏土較為復雜，相比砂土，土層的飽和是關鍵，可根據本儀器的四根細管中的水位判斷，若在同一水平面，則飽和了，若在實驗中易出現未飽和，而導致濾水量過大的問題，我們做了三組實驗，在不同的泥漿條件下，配比及結果如下表3，表4所示

泥膜的形態如下圖：

通過對比這三組實驗：

①由實驗一、二對比知，黏土的增加有利于比重、黏度小范圍的增加，對泥膜的形成有利。②由實驗一、三對比知，膨潤土的增加對黏度的增加顯著，對于加快泥膜形成有利。③由實驗二、三對比知，黏土與膨潤土對泥漿比重影響接近，膨潤土對黏度影響更大，更利于泥膜形成。

小結：粘土的泥漿要求比重處于1.1～1.2g/cm3，黏度在20s左右。

（3）本組實驗為探索性實驗，我們用隔板將兩種土層均勻依次的填充到實驗儀器中，然后加水飽和8小時以上，我們做了四組實驗，泥漿配比及結果如下表5，表6

四組實驗互相對比可得以下結論

由實驗一、二對比得，比重不變，黏度提升有利于泥膜形成。

由實驗一、三以及實驗二、四對比得，黏度不變，比重的提升有利于泥膜形成。

由實驗一、四對比得，比重和黏度的同時提升有利于泥膜形成。

由實驗三、四對比得，比重不變，適應黏土的泥漿黏度有利于泥膜形成。

小結：復合土泥漿要求為比重處于1.2～1.3g/cm3，黏度要求為21s左右。

4 結論

通過以上若干實驗，我們對泥漿泥膜成形實驗，我們出于對土層孔隙大小以及透水性的考慮，可以得到以下結論：

（1）砂土泥漿要求為比重處于1.2～1.3g/cm3，黏度要求為23s左右。小比重或小黏度會導致泥膜厚度過低。

（2）黏土的泥漿要求比重處于1.1～1.2g/cm3，黏度在20s左右。大比重或大黏度會導致泥膜形成時間過久。

（3）復合土層出于對兩種土層的綜合考慮，泥漿要求為比重處于1.2～1.3g/cm3，黏度要求為21s左右。小比重或大黏度不利于泥膜形成質量和時間。

在實驗中，我們也遇到了一些問題，比如在濾水量會出現三四組保持一致而后繼續下降的情況，我們做了一些探索，但還是沒有得到答案。

參考文獻：

[1]陳芝春，張振坤，徐志強.泥水盾構施工泥膜成膜質量控制試驗研究———以穿黃隧洞工程為例[J].北京：水電與新能源，2015，（130）.

[2]胡欣雨，張子新，徐營.黏性土層中泥水盾構泥漿作用對開挖面土體強度和側向變形特性影響研究[J].南京：巖土工程學報，2009，31（11）.

[3]湯沁.泥水平衡盾構泥膜的形成與土層關系分析[D]，上海工程技術大學，2016.

[4]韓曉瑞，朱偉，劉泉維.泥漿性質對泥水盾構開挖面泥膜形成質量影響[J].中國中國科學院，2008，29.