斷層破碎地層泥水盾構泥漿滲透試驗研究

周中，張磊，繆林武，劉撞撞

斷層破碎地層泥水盾構泥漿滲透試驗研究

周中，張磊，繆林武，劉撞撞

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

為解決泥水盾構在斷層破碎地層施工所需泥漿的配制問題，依托長沙地鐵6號線桐文區間穿越湘江段工程，采用室內試驗研究方法，對斷層破碎地層泥水盾構泥漿配比、泥漿滲透及泥漿與地層適應性進行系統研究，研究結果表明：泥漿在斷層破碎地層滲透時，超靜孔隙水壓力和濾水量穩定所需時間以及穩定后數值隨著泥漿黏度、比重增大而減小，隨著泥漿濾失量降低而減小；基于泥漿與地層適應性分析結果，得到泥漿配比為水:黏土:膨潤土:羧甲基纖維素:腐殖酸鈉=720:131:73:3.6:1.8；得到泥漿特性值泥漿黏度為30~35 s，泥漿比重為1.133~1.145 g/cm3，泥漿濾失量在13.5 mL以下；以NDSY-3型泥漿在斷層破碎地層滲透試驗為研究對象，利用熒光素對泥漿滲透路徑進行研究，得出泥漿滲透模型。

泥水盾構；泥漿特性；泥漿滲透；泥漿配比；室內試驗

我國經濟發達城市正在運用盾構施工技術修建地鐵以減輕城市交通擁堵問題，而以往盾構隧道施工經驗表明，由于卵石地層、斷層破碎地層載力低、滲透系數大、自穩能力較差的特點，盾構機在該區域掘進時，地表經常發生塌陷，造成不均勻沉降，使得鄰近構筑物發生開裂、下沉，甚至結構損毀，給盾構掘進施工帶來很大的安全風險[1-6]。為保證開挖面穩定，降低盾構施工風險，國內外學者對與開挖面穩定性密切相關的泥漿特性進行了大量研究。在開挖面上形成泥膜是保證開挖面穩定的重要一環，在不同粒徑地層條件下進行泥漿滲透試驗，MIN等[7]發現泥漿成膜的滲透類型可以通過地層平均孔徑與泥漿代表粒徑d的比值確定。陳仁朋等[8]建立了在開挖面上設置微透水泥膜的二維數值模型，認為有效泥漿壓力越大，孔壓在泥膜和失穩區以外地層的下降幅度就越大，對維持開挖面穩定的貢獻越小。Watanabe等[9]以強滲透地層為試驗條件進行泥漿滲透實驗，發現將細砂顆粒加入泥漿中可以明顯降低泥膜形成時的濾水量，這說明泥漿密度與濾失量聯系緊密，且泥漿密度越大，濾失量越小，泥膜形成質量越好；葉偉濤等[10]以福州地鐵泥水盾構穿越中粗砂層為工程背景，開展泥漿成膜室內試驗，結果表明：黏度對試驗最終濾水量的影響小于相對密度的影響；隨著泥漿中含砂率的增加，試驗最終濾水量先減小后增大。曹利強等[11]選擇粒徑及級配不同的3種地層進行室內有壓泥漿滲透地層模型試驗，研究發現，對于砂土地層，其滲透系數是影響泥漿滲透深度及泥膜質量的重要因素，滲透系數分別與泥漿滲透深度及濾水量呈線性相關關系。張寧等[12]以南京緯三路過江通道為背景，選取隧道穿過的4種砂性地層進行泥漿成膜試驗，結果表明：密度小于1.05 g/cm3的泥漿不適于在砂性地層中成膜；當泥漿黏度大于20 s時，膨潤土漿對泥漿黏度有明顯的調節作用。閔凡路等[13]以南京長江隧道泥水盾構在礫砂地層中掘進為工程背景，針對高滲透性地層中泥漿配制及成膜問題，開展了室內試驗，結果表明：泥漿中黏粒含量越高，調制泥漿時所消耗的增黏劑越少，泥漿的物理穩定性越好，泥膜形成過程中泥漿的濾失量越少，形成的泥膜滲透系數越小。李永剛[14]以南寧地鐵1號線廣西大學?白倉嶺站盾構區間盾構施工為背景，對泥水平衡盾構機在富水強滲透性圓礫地層掘進施工中的泥漿性能進行分析，提出了在該地層中的泥漿性能指標：泥漿的密度宜控制在1.07~1.15 g/cm3，泥漿黏度為24~32 s左右，泥漿失水量為12~14 mL。陳爽[15]采用高分子材料和廢漿進行卵石?礫石復合地層的泥漿配比試驗，結果表明：高分子材料和廢漿制備的復合泥漿能夠在卵石?礫石層開挖面形成優質泥膜，提高開挖面穩定性，降低施工風險。目前國內外學者通過滲透試驗研究盾構泥漿在卵石及中粗砂等地層滲透時泥膜形成情況和濾水量變化規律等以評價不同配比泥漿在該地層適用性，但利用滲透裝置對泥漿在斷層破碎這一特殊地層中的滲透規律及適用性研究較少，故有必要研究配制出適用于泥水盾構在斷層破碎地層施工的泥漿，并給泥水盾構在類似地層施工時泥漿配制提供借鑒。長沙地鐵6號線桐文區間水下長距離穿越湘江斷層破碎地層、風化深槽地層和砂卵石地層等，而江中斷裂帶影響范圍巖層破碎，滲透性強。本文依托長沙地鐵6號線桐文區間下穿湘江段工程，對斷層破碎地層泥水盾構泥漿滲透試驗進行研究。

1 泥漿成膜試驗

1.1 試驗目的

利用自主設計泥漿滲透試驗裝置，研究不同泥漿黏度、泥漿比重、泥漿濾失量泥漿在斷層破碎地層中滲透時濾水量和超靜孔隙水壓力變化規律，并以此為依據分析試驗泥漿與斷層破碎地層適應性。

1.2 試驗裝置

本試驗裝置是一種研究復雜地層泥水盾構泥膜形成室內試驗系統，見圖1，主要包括地層模擬系統、盾體、加壓系統、注漿系統和測量系統。該試驗系統使用方法如下：通過地層模擬系統，將常水頭模擬裝置控制穩定水頭高度，使土箱內試驗土體飽和，經注漿系統將配制好泥漿通過注漿孔注入泥水倉，關閉注漿孔打開空氣壓縮機，通過調壓閥在氣壓倉形成恒定氣壓，打開止動閥門，通過可移動活塞，給泥水倉內泥漿提供泥漿壓力，泥漿通過刀盤上孔隙進入實驗土層，在刀盤前方形成泥膜，通過測量系統記錄泥膜厚度、土體超孔隙水壓力和濾水量從而為評價泥漿在斷層破碎地層中適應性提供依據。泥漿滲透試驗裝置實景圖見圖2。

1—土箱，2—出水孔，3—進水孔，4—超孔隙水壓力監測孔，5—注漿孔，6—進氣孔，7—盾殼，8—氣壓倉，9—泥水倉，10—刀盤，11—氣壓表，12—止動閥，13—毫米刻度尺，14—泥漿管，15—大水箱，16—小水箱，17—小型抽水泵，18—進水閥，19—排水閥，20—量筒，21—U型壓力計，22—砂卵石濾層，23—試驗土層，24—泥膜，25—空氣壓縮機，26—調壓閥，27—固定活塞，28—可移動活塞，29—濾網，30—泥漿。

圖2 泥漿滲透試驗裝置實景圖

1.3 試驗參數

1.3.1 試驗土層顆粒級配

將試驗土樣干燥處理，隨后采用篩分法對土樣進行顆粒分析，篩分得到試驗土層顆粒級配曲線，見圖3。

試驗土層中土顆粒粒徑相差較懸殊，土顆粒不均勻，且該土層孔隙率大，土質松散，土層中碎石含量多，土層自穩能力非常差，具有較差工程性質。

圖3 試驗土層顆粒級配曲線

1.3.2 試驗泥漿參數

為研究泥漿特性對滲透性影響，配制7組特性指標不同泥漿進行試驗。NDSY-1，NDSY-2和NDSY-3黏度不同，比重和濾失量相同；BZSY-1，BZSY-2和BZSY-3比重不同，黏度和濾失量相同；LSLSY-1，LSLSY-2和LSLSY-3濾失量不同，黏度和比重相同；NDSY-1，BZSY-1和LSLSY-1為同一泥漿。泥漿配比及其特征指標見表1。

表1 泥漿配比及其特性指標

1.3.3 試驗土層滲透系數

利用常水頭試驗測土層滲透系數如表2所示。

表2 常水頭滲透試驗參數

1.4 試驗結果

1.4.1 黏度對泥漿滲透性能影響

如圖4泥漿在地層滲透時，超靜孔隙水壓力在注漿前期迅速降低，而濾水量則快速增大，待注漿進行200~300 s左右趨于穩定狀態，但不同黏度泥漿滲透產生超靜孔隙水壓力和濾水量的變化速率、穩定所需時間以及穩定后數值有差異，超靜孔隙水壓力與濾水量穩定所需時間從長到短依次為NDSY-1，NDSY-2和NDSY-3，穩定后數值從大到小依次為NDSY-1，NDSY-2和NDSY-3，超靜孔隙水壓力分別為2.73，2.54和2.39 kPa；濾水量分別為931.6，784.3和642.3 mL；3組泥漿在地層中滲透均形成泥膜，且泥膜厚度從小到大泥漿依次為NDSY-1，NDSY-2和NDSY-3，數值分別為3.3，3.5和4.1 cm，即黏度越大，最終形成泥膜越厚。

圖4 不同泥漿黏度超靜水壓變化

圖5 不同泥漿黏度濾水量變化

1.4.2 比重對泥漿滲透性能影響

如圖6~7，泥漿滲透時，各點位超靜孔隙水壓力迅速增大，在滲透進行前90 s快速降低，90~180 s降低速度減緩，180~200 s左右趨于穩定。超靜孔隙水壓力和濾水量的變化速率、穩定所需時間從快到慢依次為BZSY-3，BZSY-2和BZSY-1，穩定后數值從大到小依次為BZSY-1，BZSY-2和BZSY-3，其中濾水量分別為958.6，701.6和511.5 mL。此外，泥漿滲透成膜厚度不同，依次為3.3，3.8和4.4 cm，即形成泥膜厚度隨著泥漿比重增大而變大，這是因為泥漿比重越大，泥漿中細顆粒含量越多，能夠越快填滿土層中間隙，減少滲入土層濾水，相對于泥漿黏度，泥漿比重對其滲透性質影響更大。

圖6 不同泥漿比重超靜水壓變化

圖7 不同泥漿比重濾水量變化

1.4.3 濾失量對泥漿滲透性能影響

如圖8~9，隨著濾失量的減少，泥漿在地層中滲透產生的超靜孔隙水壓力到達穩定狀態所需時間以及穩定后的數值依次減少，但差別不大，數值分別為2.73，2.40和2.00 kPa，同時泥漿在地層中滲透產生的最終濾水量也依次減少，最終濾水量依次為958.6，765.7和622.8 mL；3組濾失量不同泥漿在地層中滲透均能形成泥膜，但形成泥膜的厚度不同，分別為3.3，3.7和4.2 cm。以上數據說明泥漿濾失量越低，泥漿在地層中滲透形成泥膜所需時間越短，形成泥膜致密性越好，但相差不大，即降低泥漿濾失量可以在一定程度上減少泥膜形成時間并提高泥膜致密性，但濾失量不是控制泥膜形成的關鍵因素。

圖8 不同泥漿濾失量超靜水壓變化

圖9 不同泥漿濾失量濾水量變化

1.4.4 泥漿滲透模型

泥漿滲透模型如圖10所示，以NDSY-3型泥漿滲透試驗為例，對滲透試驗后的掌子面分7層開挖，觀察、記錄并匯總分層開挖后各層泥膜形成情況，最終得出整個掌子面的泥漿滲透模型。各層開挖面泥膜形成厚度從上至下依次為3.7，4.1，4.2，4.4，4.5，4.6和4.5 cm。泥漿在斷層破碎地層滲透模型如圖11所示。

(a) 第1層泥膜，3.7 cm；(b) 第2層泥膜，4.1 cm；(c) 第3層泥膜，4.2 cm；(d) 第4層泥膜，4.4 cm；(e) 第5層泥膜，4.5 cm；(f) 第6層泥膜，4.6 cm；(g) 第7層泥膜，4.5 cm

圖11 泥漿滲透模型圖

2 泥漿與地層適應性分析

泥漿在地層滲透形成泥膜質量是評價泥漿與地層適應性主要標準，而泥膜質量與成膜過程中超靜孔隙水壓力、濾水量以及泥膜厚度有關[6]，且超靜孔隙水壓力達到穩定狀態時所需時間越短且數值越小，則泥膜越致密，泥膜質量越好。在泥漿滲透成膜過程中，濾水量會引起泥漿壓力折減，故泥膜形成時間越長、濾水量越大，則形成泥膜的抗滲性越低，泥膜致密性越差，泥膜質量越差。最后，泥漿滲透過程中形成泥膜厚度也能反映泥漿與地層的適應性程度，泥膜厚度越大，泥漿與地層適應性越高。

如圖12，泥漿在地層滲透時超靜孔隙水壓力從減小到穩定所需時間及穩定后數值從小到大分別為BZSY-3，LSLSY-3，NDSY-3，LSLSY-2，BZSY-2，NDSY-2和NDSY-1，說明上述各組泥漿在地層滲透均形成泥膜，且超靜孔隙水壓力從降低到穩定狀態所需時間越短，形成泥膜時間越短，此外，穩定后超靜孔隙水壓力越大，地層受到的擾動越大，泥漿壓力的利用率減小，形成泥膜的致密性降低，形成泥膜質量越差。故以超靜孔隙水壓力為依據，泥漿與地層適應性從高到低的泥漿依次為BZSY-3，LSLSY-3，NDSY-3，LSLSY-2，BZSY-2，NDSY-2和NDSY-1。

圖12 超靜孔隙水壓力隨時間變化圖

圖13 濾水量隨時間變化圖

如圖13，濾水量在泥漿滲透時從增加到穩定所需時間及穩定后數值從小到大為BZSY-3，BZSY-2，NDSY-3，LSLSY-3，LSLSY-2，NDSY-2和NDSY-1，泥漿在地層滲透成膜時濾水量越低，形成泥膜抗滲性越好，泥膜質量越好，泥漿與地層的適應程度越高，故以濾水量為依據，泥漿與地層適應性從高到低的泥漿為BZSY-3，LSLSY-3，NDSY-3，BZSY-2，LSLSY-2，NDSY-2和NDSY-1。此外，各組泥漿在地層中滲透形成泥膜厚度從大到小依次為BZSY-3，LSLSY-3，NDSY-3，LSLSY-2，BZSY-2，NDSY-2和NDSY-1；而泥膜越厚，泥膜透水性越差，泥漿在地層中的適應性越好。故以泥膜厚度為依據，泥漿與地層適應性從高到低的泥漿依次為BZSY-3，LSLSY-3，NDSY-3，LSLSY-2，BZSY-2，NDSY-2和NDSY-1。

綜上所述，綜合考慮超靜孔隙水壓力、濾水量以及泥膜厚度三大影響泥膜形成的主要因素后，可以得到各組泥漿對地層適應性程度從高到低依次為BZSY-3，LSLSY-3，NDSY-3，LSLSY-2，BZSY-2，NDSY-2和NDSY-1。基于上述泥漿與地層適應性分析結果，得到斷層破碎帶泥水盾構泥漿配比參考值為水:黏土:膨潤土:羧甲基纖維素:腐殖酸鈉=720: 131:73:3.6:1.8；得到斷層破碎帶泥水盾構泥漿特性參考值為泥漿黏度30~35 s，泥漿比重1.133~ 1.145 g/cm3，泥漿濾失量在13.5 mL以下。

3 結論

1) 泥漿在地層中滲透時，超靜孔隙水壓力和濾水量穩定所需時間以及穩定后的數值隨著泥漿黏度、比重增大而減小，隨著泥漿濾失量降低而減小。

2) 基于泥漿與地層適應性分析結果，得到斷層破碎地層泥水盾構泥漿建議配比為水:黏土:膨潤土:羧甲基纖維素:腐殖酸鈉=720:131:73:3.6:1.8。

3) 得到斷層破碎地層泥水盾構泥漿特性建議值為泥漿黏度為30~35 s左右，泥漿比重為1.133~ 1.145 g/cm3左右，泥漿濾失量在13.5 mL以下。

4) 以NDSY-3泥漿在地層滲透為研究對象，利用熒光素對泥漿在斷層破碎帶地層的滲透路徑進行研究，得出泥漿在斷層破碎帶地層中的滲透 模型。

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Mud permeation tests of slurry shield in fault fractured stratum

ZHOU Zhong, ZHANG Lei, MIAO Linwu, LIU Zhuangzhuang

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to solve the problem of mud preparation suitable for slurry shield construction in fault fractured stratum, this paper carried out a number of laboratory tests for the Tongwen Section of Changsha Metro Line 6 crossing the Xiangjiang River. A systematic study was made on mud proportioning, mud permeability and the adaptability of mud and stratum in fault fractured stratum. The results show that when the mud seeps through the fault fractured stratum, the time required for the stability of excess pore water pressure and filtration volume and the value after stabilization decreases with the increase of mud viscosity and weight, and decreases with the decrease of mud filtration vector. Based on the analysis results of mud and formation adaptability, the ratio of mud is water:clay:bentonite:CMC:sodium humate=720:131:73:3.6: 1.8.The value of mud characteristics is as follows. Mud viscosity is about 30~35 seconds. Mud weight is about 1.133~1.145 gram per cubic centimeter, and the mud filtration vector is below 13.5 mL. Taking the permeability test of NDSY-3 mud in fault fractured stratum as the research object, the permeability path of mud was studied by fluoresce in, and the permeability model of mud was obtained.

slurry shield; mud characteristics; mud penetration; slurry ratio; laboratory test

U45

A

1672 ? 7029(2020)03 ? 0682 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190404

2019?05?13

國家自然科學基金資助項目(50908234)

周中(1978?)，男，河南汝南人，副教授，博士，從事隧道與地下工程等研究；E?mail：369144091@qq.com

(編輯 陽麗霞)