圓礫地層原狀土泥膜形成效果試驗研究*

封 坤，王運超，李德斌，路開道，邵振興，劉四進

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2.中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 211899)

0 引言

盾構法具有對周邊環境影響小、地質條件適應能力強、施工相對安全且迅速等特點，已成為修建水下隧道的首選[1]。但盾構隧道工程施工過程中常遇地層復雜、滲透系數大、孔隙率較高、顆粒易受擾動等問題。對于泥水平衡盾構，開挖面密封艙所需泥漿密度、黏度等技術指標須滿足泥膜形成要求[2]，且泥膜形成效果決定了施工安全與效率。在黏性土地層中，通常能夠快速形成密實的泥膜。在滲透系數和孔隙率均較大的圓礫地層中，需對泥膜形成效果進行研究。目前，國內外學者主要采用模型試驗的方法研究泥膜形成問題，如吳迪等[3]采用均勻設計法，選用中粗砂和礫砂作為試驗地層，配制不同相對密度泥漿進行試驗，發現相對密度是影響濾水量的首要因素；劉成等[4]采用輕質砂作為泥漿添加材料，發現泥膜形成效果隨著輕質砂添加量的增大明顯提高，但添加量超過一定值后，效果降低；林鈺豐等[5]配制了不同滲透系數的地層，并進行了泥膜試驗，研究結果表明，泥皮厚度隨著地層滲透系數的增加先增大后減小，且增大泥漿顆粒粒徑可提高泥膜形成能力；加瑞等[6]開展不同顆粒級配、相對密度泥漿在不同孔徑地層中的成膜試驗，研究結果表明，泥漿顆粒級配是影響泥膜形成質量的主要原因。

綜上所述，已有研究多采用自行配制地層及泥漿的方式進行試驗，雖能較好地反映泥膜形成過程，給出泥膜形成條件及泥膜形成效果影響因素，但泥膜形成效果因地層不同存在較大差異，已有研究采用機制砂或石英砂作為試驗地層，無法真實全面地反映實際地層中泥膜形成情況，且試驗所用泥漿與現場施工所用泥漿存在一定差異[7]。鑒于此，本文依托常德沅江隧道工程，開展圓礫地層原狀土泥漿滲透成膜試驗研究，分析泥膜形成效果，得到最佳泥漿配合比。

1 工程概況

常德沅江隧道采用雙洞雙向4車道設計，全長2 240m，盾構區間長1 960m。刀盤直徑11.75m，隧道盾構區間穿越地層主要為圓礫地層，占比>70%。圓礫地層粒徑跨度大、滲透系數大、不均勻系數極大，主要為大粒徑圓礫和小粒徑粉土，中間粒徑地層含量較少。圓礫地層顆粒分析試驗結果如表1所示，抽水試驗結果如表2所示，顆粒級配曲線如圖1所示。

表1 圓礫地層顆粒分析試驗結果

表2 圓礫地層抽水試驗結果

圖1 圓礫地層顆粒級配曲線

2 試驗概況

試驗泥漿由施工現場膨潤土、黏土、制漿劑配制而成，通過對材料含量進行調整，保證新配泥漿相對密度為1.06～1.07，漏斗黏度控制為25s左右。

采用原狀土作為試驗地層，由于原狀土最大顆粒粒徑為60mm，為盡量減小尺寸效應的影響，采用自行研發的直徑30cm滲流筒進行試驗，如圖2所示。為削弱邊界效應，在滲流筒下方設置環形凹槽，以增大地層與滲流筒邊壁的摩擦力。采用氮氣瓶作為加壓氣源，氮氣經加壓臺加壓后接入滲流筒，加壓臺可將氮氣進一步加壓，且可使氣壓更易控制。加壓裝置最大加壓值為1MPa，最小加壓梯度為0.01MPa。

圖2 滲流筒

3 泥漿性能指標分析

已有研究表明，泥漿最主要的性能指標為黏度和相對密度，其直接決定了泥膜形成速率及質量[8]。泥漿配制初期，黏度隨著時間增加而增大，因此實際施工過程中通常提前配制泥漿，以滿足施工要求。共配制8種不同配合比泥漿(見表3)，研究膨潤土、黏土、制漿劑對泥漿性能指標的影響。測得1～8號配合比下泥漿相對密度分別為1.07，1.07，1.06，1.07，1.07，1.07，1.06，1.05，可知黏土含量對相對密度的影響較大[9]。

表3 泥漿配合比

為研究泥漿黏度隨時間增長情況，定期對泥漿黏度進行測試，結果如圖3所示。由圖3可知，不同配合比下，泥漿配制完成24h內，黏度隨時間增長較明顯；泥漿配制完成24h后，黏度隨時間增長較緩慢。1，3號配合比下，泥漿黏度較大，24h黏度均>45s。僅制漿劑摻量不同時，隨著制漿劑摻量的增加，泥漿黏度逐漸增大，表明制漿劑可提高泥漿黏度。由7，8號配合比泥漿黏度變化曲線可知，膨潤土對泥漿黏度的提升作用較小。由6，7號配合比泥漿黏度變化曲線可知，黏土摻量對泥漿黏度的影響最小。

圖3 不同配合比下泥漿黏度隨時間增長曲線

為進一步研究制漿劑對泥漿黏度的影響機理，對泥漿含砂率進行測量，測得1，2，4，5，6號配合比泥漿24h黏度下含砂率分別為17%，8%，5.5%，7.5%，2%。

試驗結果表明，1，2，4，5號配合比泥漿除含有一定顆粒物外，還含有較多的絮狀物質，這是由于制漿劑所含礦物質具有極強親水性，結合膨潤土顆粒后形成較多的絮狀物質，這是泥漿黏度的主要來源[10]。絮狀物質含量隨著制漿劑含量的增大明顯增多，即1號配合比泥漿絮狀物質含量最多，體積含量約為17%；6號配合比泥漿絮狀物質含量最少，基本不含絮狀物質。

4 泥漿形成效果分析

已有研究表明，在細顆粒含量較大的地層中，泥漿黏度相比含砂率對泥膜形成效果的影響更大[11]。為進一步研究泥漿黏度對泥膜形成效果的影響，在1，2，5，7號配合比泥漿24h黏度下，開展原狀土加壓試驗。

為防止細顆粒土體在滲流過程中流失，在地層下鋪設15cm厚機制石英砂(粒徑1～2mm)墊層，并在墊層上鋪設20cm厚原狀土(見圖4)。滲流筒底部設有出(進)水口，筒蓋設有進氣口。原狀土鋪設完成后，首先通過下方進水口輸水，使地層達到飽水狀態，關閉閥門并裝填8cm高泥漿；然后放置滲流筒筒蓋，并用螺栓擰緊；最后連接加壓裝置，開始試驗。

圖4 泥漿加壓示意

加壓裝置連至進氣口后，打開出水口閥門，開始加壓。本試驗采用氮氣作為加壓氣體，開始加壓后，以20s為時間梯度，以0.1MPa為氣壓梯度，以120s為靜置時間梯度，以5s為讀數梯度，最大加壓值為0.6MPa，間隔5s讀取出水口濾水量。

泥漿濾水量隨加壓時間變化曲線如圖5所示。由圖5可知，4種配合比下，泥漿均能形成有效泥膜，最終氣壓達0.6MPa時，濾水量已基本穩定；加壓階段濾水量增長較明顯，靜置階段濾水量增長較緩慢[12]；1，2，5，7號配合比下泥漿濾水量分別為1 078，1 168，1 245，1 335mL，表明泥漿黏度對濾水量起較明顯的控制作用，泥漿黏度越大，濾水量越小；氣壓為0.1MPa時，不同泥漿黏度下，泥漿濾水量差距較大，表明泥漿總濾水量差距主要存在于氣壓為0.1MPa區間內；泥漿在0.1MPa氣壓作用后形成較致密的泥膜，隨后泥膜與地層形成整體，在氣壓作用下將機制砂墊層中的水擠出。綜上所述，1，2，5，7號配合比下泥漿均能在圓礫原狀土地層中形成質量較好的泥膜，但泥膜形成速率與濾水量存在一定差別。

圖5 不同配合比下泥漿濾水量隨加壓時間變化曲線

將每級氣壓作用下泥漿濾水量Vi和最終濾水量V的比值定義為濾水比(以n表示，n=Vi/V)，計算得到氣壓-濾水比關系曲線，如圖6所示。

圖6 不同配合比下加載氣壓-濾水比關系曲線

由圖6可知，1號配合比泥漿每級氣壓作用下濾水量基本相同，可知在加載初期便形成了泥膜，隨后泥膜與地層形成整體；泥漿黏度越大越易形成泥膜，當黏度達一定程度時，無須加壓也可形成泥膜[13]。

5 泥皮厚度分析

已有研究表明，除濾水量外，泥皮厚度也是衡量泥膜質量的參數[14]，因此，對1，2，5，7號配合比泥漿泥皮厚度進行分析，結果如圖7所示。

圖7 泥皮厚度

由圖7可知，1，2，5，7號配合比泥漿泥皮厚度分別為6，4，2，3mm，可知5號配合比泥漿泥皮厚度最小。7號配合比泥漿黏度雖小于5號配合比泥漿，但其泥皮厚度稍厚。 2號配合比泥漿雖形成了致密的泥膜，但由于絮狀物質含量較多，并在泥皮上堆積，造成泥皮厚度較大，說明絮狀物質含量過多，經濟性較差。

為得到泥膜形成質量和經濟性均較好的泥漿，對濾水量與泥皮厚度進行綜合考慮，結果如圖8所示。

圖8 不同配合比下泥漿濾水量-泥皮厚度關系曲線

由圖8可知，1，2號配合比泥漿濾水量雖較小，但泥皮厚度較大，造成了絮狀物質的浪費，所以經濟性較差；7號配合比泥漿濾水量最大，且泥皮厚度較大，雖可形成泥膜，但形成速率與泥膜質量存在一定風險[15]；5號配合比泥漿泥皮厚度約為2mm，且濾水量處于中間段，考慮泥膜形成速率、質量及經濟性，該配合比泥漿最適用于圓礫地層。

6 結語

1)不同配合比下，泥漿配制完成24h內，黏度隨時間增長較明顯；泥漿配制完成24h后，黏度隨時間增長較緩慢。

2)膨潤土和黏土含量對泥漿黏度的影響較有限，對泥漿相對密度的影響較大。

3)制漿劑含量對泥漿黏度的影響較大，主要通過制漿劑中所含的親水性材料生成絮狀物質實現；隨著制漿劑摻量的增加，泥漿黏度逐漸增大。

4)1，2，5，7號配合比泥漿均可在圓礫原狀土地層中形成泥膜，隨著泥漿黏度的增加，最終濾水量減小。

5)5號配合比泥漿(黏度25s)形成的泥皮厚度最小，考慮泥膜形成速率、質量及經濟性，將其確定為最適合于圓礫地層的泥漿配合比。