曹利強,張頂立,房 倩,粟 威，廖俊華

(1.北京交通大學 隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044;2.貴州中交貴甕高速公路有限公司,貴州 甕安 550400)

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泥水盾構(gòu)泥漿在砂土地層中的滲透特性及對地層強度的影響

曹利強1,張頂立1,房 倩1,粟 威1，廖俊華2

(1.北京交通大學 隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044;2.貴州中交貴甕高速公路有限公司,貴州 甕安 550400)

對于泥水盾構(gòu)隧道施工,在有壓泥漿滲透到地層的情況下,開挖面表面會形成滲透系數(shù)極小的泥膜．通過作用在不透水的泥膜上的泥漿壓力來平衡掌子面前方的土水壓力,以保證開挖面的穩(wěn)定．以南京緯三路過江通道工程為背景,選擇粒徑及級配不同的3種地層,進行室內(nèi)有壓泥漿滲透地層模型試驗,探討有壓泥漿在不同地層中的滲透特性及泥漿滲透對地層強度的影響規(guī)律．研究發(fā)現(xiàn),對于砂土地層,其滲透系數(shù)是影響泥漿滲透深度及泥膜質(zhì)量的重要因素,滲透系數(shù)分別與泥漿滲透深度及濾水量呈線性相關(guān)關(guān)系,而滲透到地層中的泥漿也會隨著地層粒徑的變化對砂土地層的剪切強度產(chǎn)生不同且有規(guī)律的影響．本文的研究成果可以為泥水盾構(gòu)合理的泥漿支護壓力提供相關(guān)參考．

泥水盾構(gòu);泥膜;滲透特性;剪切強度

近年來,泥水盾構(gòu)因其推進速度快、環(huán)境影響小、地層適應(yīng)性強、變形控制好等特點在越江跨海隧道的修建中得到了廣泛應(yīng)用,如武漢長江隧道、上海長江隧道、南京緯七路過江隧道、南京緯三路過江通道、杭州錢江隧道及廣深港獅子洋隧道等[1]．

保證開挖面的穩(wěn)定是泥水盾構(gòu)施工中的重要部分,它的穩(wěn)定性是由形成泥膜的質(zhì)量、泥水壓力平衡前方水土壓力的程度及開挖面前方土體的強度3個方面綜合決定的．

在泥膜的形成機理及泥水壓力平衡前方水土壓力方面,大部分學者通過室內(nèi)模型試驗及數(shù)值模擬進行研究．韓曉瑞等[2]通過自行設(shè)計成膜裝置開展試驗,研究了泥漿黏度對泥膜形成質(zhì)量的影響規(guī)律,詳細闡述了泥膜的作用機理及泥膜質(zhì)量的評價指標．魏代偉等[3-4]通過開展不同性質(zhì)泥漿在不同地層中的滲透試驗,得到開挖面處超靜孔壓的轉(zhuǎn)化規(guī)律及泥漿滲透時泥膜形成的變化規(guī)律,提出了用有效應(yīng)力轉(zhuǎn)化率作為評價泥膜形成質(zhì)量的重要指標.閔凡路等[5]研究同樣顆粒級配、不同密度和黏度的泥漿在同一地層中滲透引起開挖面地層孔壓的變化規(guī)律及影響孔壓變化規(guī)律的因素．白云等[6]從泥膜形成的機制入手,將泥水倉中的泥漿視為由液相和顆粒相組成的兩相流,將開挖地層視為多孔介質(zhì),利用多相流在多孔介質(zhì)中的滲流特性提出泥膜動態(tài)形成的過濾模型,揭示了泥水盾構(gòu)掘進過程中開挖面的動態(tài)平衡過程．王俊等[7]采用離散元數(shù)值模擬與室內(nèi)模型試驗相結(jié)合的方法研究了砂卵石地層條件下,大斷面泥水盾構(gòu)隧道施工過程中泥膜“生成-破壞-再生成”的動態(tài)過程,以及泥漿滲透范圍,探討了不同泥水壓力條件下盾構(gòu)施工對周圍環(huán)境的影響．劉成等[8-9]采用修正劍橋模型中正常固結(jié)黏土各向等壓固結(jié)曲線規(guī)律,建立泥膜固含率與有效應(yīng)力之間的關(guān)系,確立新的泥膜形成本構(gòu)關(guān)系模型,基于離散元程序YADE編制流體與顆粒相互作用及粒間長程引力作用模型,從粒徑比、粒間范德華力、流體初始流速及泥漿顆粒密度方面分析了泥漿侵入土層初始恒速階段的堆積狀態(tài),建立了泥膜形成過程的宏細觀聯(lián)系,彌補了傳統(tǒng)過濾理論和離散元法未考慮顆粒侵入土層動態(tài)形成泥膜的不足．

在開挖面前方土體的強度方面,胡欣雨等[10]采用真三軸儀和環(huán)境掃描電子顯微鏡,分別從宏觀和微觀的角度初步探究了黏性土層中泥水盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定機理,研究不同應(yīng)力水平下泥漿作用對開挖面土體強度和變形特性的影響,并通過顆粒流數(shù)值模擬對實驗結(jié)果進行了驗證．劉泉維[11]以南京長江隧道為研究背景,通過室內(nèi)三軸試驗測定了泥漿配比對砂土地層的影響,得到了不同泥漿配比對砂土地層剪切強度的影響規(guī)律．

目前學者們的研究多集中在泥漿滲透地層的作用機理、泥漿性質(zhì)對成膜質(zhì)量的影響,以及泥膜維持開挖面穩(wěn)定的機理幾個方面,但是有關(guān)泥漿滲透對地層強度的影響研究較少且眾說紛紜,大致可以分為泥漿滲透基本未對地層強度產(chǎn)生影響、泥漿滲透地層降低了地層的整體穩(wěn)定性、泥漿滲透提高了地層的強度[11]3類．

本文作者以南京緯三路過江通道為依托工程,采用室內(nèi)模型試驗,模擬泥水盾構(gòu)有壓泥漿滲透地層的過程,進行了泥漿在不同砂土地層中的滲透特性及泥漿滲透到地層中對地層強度影響的研究．

1 南京緯三路過江通道工程

該工程位于南京市緯七路過江通道下游5 km、南京長江大橋上游4.5 km處,是連接南京主城區(qū)與浦口規(guī)劃新市區(qū)中心的關(guān)鍵工程．隧道在江中段采用左右線分離式兩管盾構(gòu),盾構(gòu)直徑為14.5 m,內(nèi)設(shè)上下層雙向四車道,盾構(gòu)隧道橫斷面如圖1所示．左右兩線北岸段均與定向河路相連,與浦珠路相交．隧道北線(N線)全長4 930 m,其中盾構(gòu)段3 537 m,經(jīng)潛洲北部過江與主城的揚子江大道相接;隧道南線(S線)全長5 530 m,其中盾構(gòu)段4 135 m,經(jīng)潛洲中部、梅子洲尾部過江與主城的定淮門大街相連．

盾構(gòu)沿線地質(zhì)環(huán)境較復雜,尤其在位于江底的地質(zhì)環(huán)境使盾構(gòu)開挖面臨很大的風險．盾構(gòu)段較大比例穿越含砂地層,典型地質(zhì)條件下橫斷面如圖2所示,隧道斷面大部分為砂性地層,為了研究有壓泥漿在砂土地層中的滲透特性,以及泥漿滲透到地層中對地層強度影響規(guī)律,特進行室內(nèi)試驗．

2 泥漿在砂土地層中滲透特性

設(shè)計并制作一套室內(nèi)模型試驗系統(tǒng),模擬有壓泥漿滲透砂土地層的全過程,通過測量泥漿在不同地層中的滲透深度、滲透時間、滲透水量及泥膜厚度,觀察泥膜的形態(tài),將以上這些數(shù)據(jù)與地層的滲透系數(shù)進行擬合,探究泥漿在不同砂土地層中的滲透特性.滲透特性包括泥漿的滲透參數(shù)與地層系數(shù)的關(guān)系,一般采用泥漿在地層中的滲透量的大小及滲透時間這一指標來評價泥膜的形成質(zhì)量。滲透量越小、滲透時間越短,泥膜越致密;反之,泥膜越疏松[2, 12]．

2.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)包括加壓系統(tǒng)、滲透系統(tǒng)及測量系統(tǒng)3個部分,滲透系統(tǒng)為主要部分,見圖3.

圖3中,材料為有機玻璃,裝置高度50 cm,內(nèi)徑23 cm,外徑27 cm,壁厚2 cm,頂部用法蘭板通過螺栓桿連接,兩層共厚4 cm,法蘭板間加密封條,保證裝置氣密性,上下側(cè)壁開有加壓孔與出水孔,用于壓縮空氣的進入及濾水的排出．

2.2 材料參數(shù)

2.2.1 地層參數(shù)

依據(jù)南京緯三路過江通道的地層現(xiàn)場采樣資料,在實驗室配制相同配比的石英砂地層進行試驗,選擇地層的平均粒徑d50,1號、2號、3號這三種地層的d50分別為:0.300 mm、0.639 mm、2.498 mm,依據(jù)土的分類標準對土樣進行分類,定名為粗砂、中砂、細砂、粉砂等,當顆粒大小分布曲線的不均勻系數(shù)Cu≥5且曲率系數(shù)1

滲透系數(shù)是土的滲透能力的綜合體現(xiàn),土的滲透系數(shù)會隨著土的性質(zhì)的不同從10-6m/s到10-3m/s間變化,砂土的孔隙率較大,所以其滲透系數(shù)較大,3號地層粒徑、孔隙率最大,其滲透系數(shù)最大,2號地層次之,1號地層最小,圖5為3號地層的v-J擬合曲線,1、2號地層的曲線與3號地層類似.

表1為地層的粒徑參數(shù)及滲透系數(shù)．

表1 地層粒徑參數(shù)及滲透系數(shù)

2.2.2 泥漿參數(shù)

根據(jù)工程類比及室內(nèi)試驗綜合得到適合本次試驗地層的泥漿配比及特性參數(shù)如下:組成材料為清水、黏土、膨潤土、Na2CO3、CSHS-1型制漿劑,泥漿配比為1000g∶150g∶100g∶5g∶5g,漏斗黏度為27s,比重為1.125,濾失量為10.8 mL．對盾構(gòu)泥漿進行評價的指標非常多,如比重、黏度、濾失量、酸堿度、物理化學特性等.其中,比重、黏度和濾失量是泥漿三大主要特性指標,可以采用比重計、黏度計及濾失量測定儀進行測定,見圖6．

2.3 試驗過程

滲透系統(tǒng)中自下而上分別是砂卵石濾層、地層材料、泥漿材料3層,試驗過程中,均勻添加各層材料并采用壓縮空氣加壓(壓力為0.1 MPa),將量筒置于出水口處,收集滲透濾水,當出水口處滲流速率為零時,試驗完成．依次測量加壓之前泥漿在地層中的滲透深度、加壓后泥漿在地層中的滲透深度、泥漿的濾水量、滲透時間及形成泥膜的厚度5項內(nèi)容,以進行下一步分析．其中,因地層材料與泥漿材料顏色分明,可以準確找到分界線,從而得到泥漿的滲透距離,形成的泥膜比較致密,與地層有比較明確的分界線,進而測量泥膜厚度;滲透的濾水量是指從開始滲透到滲透完成后,從滲透裝置底部流出水的體積,滲透時間為從開始滲透到濾水速率為零的時間間隔．

2.4 試驗結(jié)果及分析

試驗中測量泥漿在3種地層中的滲透深度,觀察發(fā)現(xiàn)泥漿的漿液量隨著滲透深度的增大而逐漸減小,在滲透最深處,漿液量為零．這是由土顆粒的阻擋作用、土顆粒對泥漿顆粒的黏結(jié)作用及泥漿顆粒之間的黏結(jié)作用導致的．試驗結(jié)束后,3種地層均形成了泥膜,見圖7.

如圖7所示,3種地層泥膜的厚度及致密性卻不同,1號地層的滲透系數(shù)最小,泥膜厚度最小為1 mm,最致密,形成的是泥皮型泥膜;2號地層的滲透系數(shù)次之,泥膜厚度為2 mm,比較致密,形成的是泥皮+滲透帶型泥膜;3號地層的滲透系數(shù)最大,泥膜的厚度為1.25 mm,泥膜比較疏松,泥膜與滲透帶的分界線不明顯,形成也是泥皮+滲透帶型泥膜．1～3號地層在滲透試驗結(jié)束后,滲透濾水量依次增大,滲透時間依次增長,這同用滲透濾水量及滲透時間來衡量泥膜形成質(zhì)量這一評價方式一致．

隨著地層粒徑的增大,地層的滲透系數(shù)逐漸增大,泥漿在未加壓時的滲透深度、加壓時的滲透深度及滲透水量基本同滲透系數(shù)呈線性關(guān)系,且最終的滲透水量擬合度極高,如表2及圖8所示,表明地層的滲透系數(shù)是影響泥漿滲透深度的重要因素,因此在工程中可以通過測定地層的滲透系數(shù)來估算泥漿的滲透距離及滲透水量．

表2 3種地層的滲透結(jié)果

3 泥漿滲透地層對地層強度的影響

巖土體的破壞模式通常是受剪破壞,所以經(jīng)常用抗剪強度來衡量其力學性能．直接剪切試驗是測定土的抗剪強度的一種常用方法,試驗是根據(jù)庫侖定律,土的剪切應(yīng)力與剪切面上的法向應(yīng)力成正比這一原理,測量出內(nèi)摩擦角和黏聚力兩個指標(c、φ值),本文采用室內(nèi)模型試驗測量不同砂土地層在干態(tài)、濕態(tài)及泥漿滲透狀態(tài)下的抗剪指標,探究泥漿滲透對砂土地層力學強度的影響規(guī)律．選取平均粒徑具有代表性的3種地層進行試驗．

3.1 試驗系統(tǒng)

試驗裝置主體是SDJ-Ⅱ型三速電動等應(yīng)變直接儀,見圖9,其中包含百分表、環(huán)刀及加載裝置等部．

3.2 試驗過程

直剪試驗分為干砂直剪、濕砂直剪與泥漿滲透地層直剪3個部分,地層取樣保證均勻性,同一直剪試驗重復3次,剔除不合理數(shù)據(jù),取平均值作為可靠結(jié)果,試驗采用環(huán)刀取樣,測量距地層表面1 cm深度處的強度,直剪試驗在豎向壓力為50 kPa、100 kPa 、200 kP、300 kPa四級壓力的加載下慢剪,剪切速率為0.2 mm/min,得到地層的τ-δ曲線如圖10所示．選取試樣在破壞之前的極限強度作為剪切強度,得到的結(jié)果如圖11所示,其他地層在不同狀態(tài)下的結(jié)果曲線與3號地層類似．圖12所示為土樣剪切破壞后的形態(tài)．

3.3 試驗結(jié)果及分析

試驗得到了3種地層在3種狀態(tài)下的剪切強度值,從圖13和圖14中可以看出,對于同一地層,黏聚力:滲透地層>濕地層>干地層;內(nèi)摩擦角:干地層>滲透地層>濕地層．這是因為無黏性土的黏聚力主要來自土中水的毛細作用,且黏聚力在Sr=0或1時最小,在Sr=40%～60%時最大[12],濕地層的飽和度介于兩者之間,則黏聚力比干地層高,泥漿滲透到地層中,泥漿材料填充地層,泥漿黏粒將地層顆粒黏結(jié)在一起;另一方面,除了毛細作用外還存在黏結(jié)作用,所以泥漿滲透地層的黏聚力最大;內(nèi)摩擦角會隨著飽和度的增大而減小[12],因為土中的水包圍了土顆粒產(chǎn)生了潤滑作用,使其摩擦力減小,泥漿滲透到地層中改善了地層的級配,使顆粒之間的咬合更加緊密,使其摩擦力增大,但增大幅度小于水的潤滑作用,則干地層的內(nèi)摩擦角最大、滲透地層次之,濕地層最小．

4 工程意義

研究泥漿在地層中的滲透規(guī)律的目的是為泥水盾構(gòu)在施工過程中確保開挖面的穩(wěn)定提供理論依據(jù)。目前通常采用極限分析法[13-14]及極限平衡法[15-16]研究開挖面的穩(wěn)定性，其中Anagnostou[16]通過量綱分析得到的極限支護壓力公式為：

式中：S′為極限支護壓力；D為隧道直徑；γ′為土體浮重度；c為黏聚力；Δh為地表與隧道軸線水頭差(如果地下水存在)；F0,F1,F1,F3為與內(nèi)摩擦角相關(guān)的量綱為一的系數(shù).

從理論式中可得到，黏聚力及內(nèi)摩擦角的增大均會減小保持開挖面穩(wěn)定的極限支護壓力。對于含水地層，泥漿的滲透會增大地層的內(nèi)摩擦角和黏聚力，從而減小了極限泥漿支護壓力，更加有利于開挖面的穩(wěn)定.在實際工程中，可以通過測量滲透地層的強度指標來計算可以維持開挖面穩(wěn)定的極限壓力值，為確定泥水盾構(gòu)合理的泥漿支護壓力提供參考.

5 結(jié)論

通過有壓泥漿在地層中的滲透試驗及3種地層在3種狀態(tài)下的直剪試驗,可以得到以下結(jié)論:

1)泥漿在滲透過程中,其在地層中的漿液量隨著地層深度的增大而逐漸減小,在滲透最深處,泥漿的漿液量減小為零,這是由土顆粒的阻擋作用、土顆粒對泥漿顆粒的黏結(jié)作用及泥漿顆粒之間的黏結(jié)作用導致的．

2)對于砂土地層,泥漿的滲透濾水量及滲透深度與滲透系數(shù)呈線性關(guān)系,滲透系數(shù)是影響滲透深度的重要因素,也是影響泥膜質(zhì)量的重要因素,在形成泥膜的條件下,滲透系數(shù)越小,形成的泥膜越致密,滲透系數(shù)越大,形成的泥膜越疏松．這是因為,滲透系數(shù)小的地層,孔隙率較小,泥漿材料滲透地層后容易將地層添堵密實,形成致密的泥膜,而滲透系數(shù)較大的地層,孔隙率較大,泥漿不容易將地層添堵密實,形成的泥膜比較疏松．

3)對于同種地層,地層剪切強度排序為:黏聚力:滲透地層>濕地層>干地層;內(nèi)摩擦角:干地層>滲透地層>濕地層．水及泥漿的滲透均會增大地層的黏聚力,是因為水會產(chǎn)生毛細作用,泥漿的黏粒會產(chǎn)生黏結(jié)作用;水會降低砂土的剪切強度,泥漿的滲透會增大砂土的內(nèi)摩擦角,是因為水會產(chǎn)生潤滑作用,泥漿顆粒添堵地層會改良地層的級配,增強顆粒之間的咬合能力．

4)泥漿滲透地層改變了地層的力學性質(zhì)．對于含水地層,泥漿滲透增大了地層的內(nèi)摩擦角和黏聚力,從而降低了保證開挖面穩(wěn)定的最小泥水壓力,可以通過計算得到泥水壓力的參考值．

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Seepage characteristics of slurry and its influence on ground strength of slurry shield in sand

CAOLiqiang1,ZHANGDingli1,FANGQian1,SUWei1,LIAOJunhua2

(1.Tunnel and Underground Engineering Research Center of Ministry of Education,Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China;2.Zhongjiao Guiweng Expressway Company Limited, Weng'an Guizhou 550400,China)

During slurry shield tunneling, a filter cake with low permeability will be formed on the working face when pressurized slurry infiltrates into the stratum. To ensure the stability of the working face, the slurry pressure which acts on the filter cake that is almost impervious to water to counteract the soil pressure and water pressure. Based on the Nanjing Weisan road river-crossing tunnel, three kinds of stratums with different grain size and gradations are picked to carry out a model experiment about pressurized slurry infiltrating into the stratum and to investigate the seepage characteristics and the influence law caused by infiltration of ground strength. According to the results, the permeability coefficient is an important factor influencing the permeability depth and the quality of the filter cake. The permeability depth and the amount of infiltration water both present a linear relationship with the permeability coefficient. The shear strengths altered by water and slurry show different change laws with the variation of grain size. The research can provide some references for reasonable slurry pressure of slurry shield.

slurry shield;filter cake;seepage characteristics;shear strength

1673-0291(2016)06-0007-07

10.11860/j.issn.1673-0291.2016.06.002

2015-10-20

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助 (2015YJS107)

曹利強(1991—),男,內(nèi)蒙古烏蘭察布人,博士生．研究方向為隧道與地下工程. email:14115304@bjtu.edu.cn．

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