王 奇 朱東元

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 南京 210098)

泥漿密度對形成泥膜所需泥漿量的影響

王 奇 朱東元

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 南京 210098)

在泥水盾構(gòu)施工中，為平衡掌子面前方土水壓力，通常采用噴灑泥漿，使得泥漿向開挖面地層滲透，從而形成泥膜．本文通過實驗室內(nèi)模擬泥漿成膜，開展了一系列不同泥漿密度下的泥漿成膜試驗．試驗表明：當(dāng)泥漿成膜時，所需泥漿量隨著泥漿密度的增大而減小．

盾構(gòu)施工； 泥膜； 泥漿密度； 泥漿消耗量

18世紀(jì)中葉，英國倫敦泰晤士河的水下隧道施工是人們首次采用盾構(gòu)法施工，隧道斷面為矩形，寬11.4 m，高6.8 m．自此以后，人們不斷對盾構(gòu)機進行技術(shù)和設(shè)計上的改進．現(xiàn)如今常用的盾構(gòu)機分為兩大類型：土壓平衡盾構(gòu)和泥水加壓盾構(gòu)．土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)地層范圍廣，且造價低，因而被廣泛使用．泥水盾構(gòu)安全性好，因此多被用于跨江跨海的隧道工程中，如武漢長江隧道、上海滬崇蘇隧道、獅子洋隧道、南京長江隧道(緯七路)、南京長江隧道(緯三路)等均采用泥水盾構(gòu)進行修建．因泥水盾構(gòu)常用于長距離隧道施工中，因此刀盤通常磨損嚴(yán)重，經(jīng)常需要在隧道中停機進行刀盤更換作業(yè)，因場地所限，不可能做到在盾構(gòu)停機處四周進行土體加固．現(xiàn)有施工技術(shù)中多采用在隧道內(nèi)部，氣壓平衡土水壓力進行帶壓開倉換刀的作業(yè)方法，其穩(wěn)定原理如圖1所示．采用氣壓平衡掌子面前方的泥水壓力關(guān)鍵問題在于氣壓的成功施加，掌子面為稀疏多孔介質(zhì)，倘若不對掌子面加以處理，則氣體將會穿過掌子面逃逸導(dǎo)致無法施加氣壓，為避免這種情況的發(fā)生，通常采用在盾構(gòu)機刀盤前方噴灑泥漿，并施加壓力使得泥漿在土層表面形成一層泥膜，依靠泥膜的閉氣能力來保證氣壓的順利施加．

圖1 泥水盾構(gòu)工作面穩(wěn)定機理

目前，已有許多國內(nèi)外學(xué)者對泥水盾構(gòu)施工時泥膜的問題進行了研究．閔凡璐等針對高滲透性地層中泥漿配置及成膜問題，開展了室內(nèi)試驗，并對現(xiàn)場泥漿配制進行了調(diào)研．結(jié)果表明：泥漿中黏粒含量越高，泥漿的物理穩(wěn)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(shù)越小[1]．陳芝春等在穿黃隧洞盾構(gòu)施工過程中，基于泥水平衡盾構(gòu)施工原理與穿黃工程的地層特性、地下水特點，針對泥漿配置與性能優(yōu)化問題展開試驗研究，提出了適于穿黃工程不同地質(zhì)條件和地層特點的泥漿配置技術(shù)[2]．泥漿向開挖地層滲透，逐漸形成泥膜．泥膜不但起到“止水”的效果，而且本身也具有一定的力學(xué)性質(zhì)，孔祥鵬等以過濾模型為基礎(chǔ)，假設(shè)泥膜為彈性介質(zhì)，利用彈性模量的定義，求解出了泥膜的彈性模量[3]．劉成等將泥膜一維模型拓展為二維模型，基于增量分析方法分析泥膜的增長規(guī)律，給出泥膜濾失量和厚度分別與位置、時間、重度比和盾構(gòu)直徑等因素的關(guān)系．結(jié)果表明，修正的劍橋模型能夠較好地表征泥膜壓縮固結(jié)特性[4]．王俊等以南京地鐵10號線穿越長江隧道為研究對象，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[5]．韋良文等以復(fù)興東路越江隧道工程為工程背景，通過室內(nèi)泥漿的特性實驗及微觀分析并結(jié)合工程現(xiàn)場試驗和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，通過PMS泥水體系與原有泥水體系工程中應(yīng)用效果對比，發(fā)現(xiàn)PMS泥水體系能快速形成高質(zhì)量的泥膜[6]．Fanlu Min等基于室內(nèi)試驗將泥膜分為：“泥皮型”、“滲透帶型”、“泥皮+滲透帶型”3種類型，對泥漿在地層中的滲透類型進行了劃分[7]．

翻閱相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，對形成泥膜所消耗泥漿量的研究為數(shù)不多，歸納原因在于實際施工中對于成膜所需泥漿用量難以精準(zhǔn)統(tǒng)計．為確保形成泥膜常常超量噴灑泥漿，導(dǎo)致實際成膜所需泥漿量難以定量分析．泥膜的形成與泥漿的密度、壓力差等因素有關(guān)．本文從泥漿密度的角度出發(fā)，采用可精確控制泥漿用量的室內(nèi)試驗的方法研究形成泥膜所需的泥漿量．通過自制的泥漿成膜裝置，采用5組不同的泥漿，分別在4組不同壓力差條件下開展成膜試驗，分析泥漿密度對泥漿成膜所需泥漿量的影響．以期為泥漿制備及泥漿壓力的設(shè)定提供依據(jù)．

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

泥膜閉氣裝置圖如圖2所示．

圖2 泥膜閉氣裝置圖

1.2 試驗材料

1.2.1 泥漿材料

膨潤土是組成泥漿的最主要的成分，使泥漿具有一定的密度和粘度，通過向純膨潤土泥漿中添加不同重量的經(jīng)過篩分得到的粉土顆粒，來改變泥漿的密度和級配，配制了5組不同的泥漿作為試驗?zāi)酀{．試驗所用膨潤土及泥漿填充料如圖3～4所示，泥漿性質(zhì)見表1．

圖3 試驗所用膨潤土 圖4 試驗所用膨潤土泥漿填充料

泥漿編號泥漿比重/(g·cm-3)泥漿粘度/s填充材料d85/μmSL11.10932加粉土d50<90μm64.2SL21.16841加粉土d50<90μm68.1SL31.21451加粉土d50<90μm65.9SL41.27860加粉土d50<90μm75.7SL51.22355加粉土d50<90μm88.4

1.2.2 地層材料

試驗所用地層為天然砂土，并通過顆粒篩分儀測得地層中各粒徑的粒徑含量見表2．粒徑分布曲線圖如圖5所示．

圖5 粒徑分布曲線圖

粒徑4.75～2.362.36～1.181.18～0.60.6～0.30.3～0.150.15～0.075<0.075總計質(zhì)量6.28.517.4162.6250.4210.556.1711.70百分比/%0.871.192.4422.8535.1929.587.88100.00

1.3 試驗方法

1)在儀器中裝入大約5 cm高，顆粒大小均勻的濾層．

2)將預(yù)制好的砂土樣裝入試驗裝置，分層搗實，并從下部排水管緩緩注水，飽和地層，并用鐵絲網(wǎng)固定，防止地層倒塌．

3)將預(yù)先調(diào)配好的泥漿緩慢注入試驗裝置中．注漿完畢后，密封儀器，打開左側(cè)進氣閥，注入穩(wěn)定值氣壓，模擬地層中掌子面前方的土水壓力．

4)將左側(cè)有機玻璃筒密封后放倒，為防止噴灑泥漿過程中可能會出現(xiàn)的流砂現(xiàn)象，在放倒時，使儀器傾斜，與水平方向呈約30°的角度．關(guān)閉左側(cè)空壓機，打開右側(cè)空壓機，泥漿在右側(cè)空壓機中壓力的作用下，逐漸克服土水壓力形成穩(wěn)定泥膜．

5)打開排水閥門同時打開排漿閥門，排出多余的泥漿，稱量由排漿閥所排出的泥漿質(zhì)量．

2 試驗結(jié)果及分析

泥膜的形成與泥漿的密度、壓力差等因素有關(guān)，壓力差的存在是保證泥膜形成的前提．泥漿在壓力作用下克服地層中的土水壓力向掌子面前方滲透，在滲透過程中，細(xì)顆粒堵塞地層中的孔隙通道，使得泥漿在地層表面得以積累，從而形成泥膜．采用單因素變量法，在壓力差保持不變的前提下，分別進行不同泥漿密度的試驗．為避免試驗結(jié)果的偶然性，對壓力差加以改變，開展多組壓力差下泥漿成膜試驗．表3為不同壓強作用下，開展不同泥漿密度試驗的泥漿消耗量．圖6為根據(jù)表3數(shù)據(jù)所繪制的不同壓強下，成膜試驗?zāi)酀{消耗量與泥漿密度的關(guān)系曲線．

表3 成膜試驗的泥漿消耗量

圖6 泥漿消耗量與泥漿密度的關(guān)系曲線

泥漿在地層中滲透完成后，泥漿顆粒在地層表面的堆積形態(tài)可以分為：泥皮型、泥皮+滲透帶型、無泥皮或滲透帶3種類型[7]，本次試驗中所形成的泥膜均為泥皮型泥膜(如圖7所示)．少量泥漿細(xì)顆粒滲透入地層中，大量泥漿顆粒聚集在地層表面，經(jīng)氣壓壓密在地層表面形成一致密層，致密層的存在防止了氣壓向地層中滲入，使得土壓艙中采用氣壓平衡掌子面前方的土水壓力成為可能．由圖6可以看出，當(dāng)壓強保持不變時，隨著泥漿密度的增大，泥漿在地層中成膜所消耗的泥漿量在減少．不同壓力下的試驗結(jié)果均證實了該規(guī)律的存在．但泥漿并不是在試驗中最大密度1.278 g/cm3處達到最小消耗量，而是在泥漿密度為1.223 g/cm3時，泥漿消耗量達到最低．該實驗表明泥漿成膜存在一個最佳成膜密度，超過該密度以后，隨著泥漿的密度增大，泥漿成膜所需泥漿量反而增加．從圖6還可看出，在同一密度下，隨著壓強的增大，泥漿成膜所需泥漿量逐漸減少．

圖7 泥膜圖

3 結(jié)論與建議

1)泥漿在地層中有壓滲透，容易形成泥皮型泥膜，滲透帶型泥膜的形成需要對地層的顆粒級配與泥漿的顆粒級配加以綜合分析．泥膜的實質(zhì)是泥漿中的細(xì)顆粒在地層中運動，使得地層中的土顆?？障侗荒酀{中的細(xì)顆粒所填充，填充到一定程度后，堵塞運動通道，使得泥漿在地層中不再運動，并在地層表面形成致密的泥漿層．

2)泥膜的形成與泥漿密度、泥漿黏度、壓強、地層顆粒級配等多種因素有關(guān)，在保證泥漿能夠成膜的前提下，通過增大泥漿密度，可有效減少成膜所需泥漿用量．

3)本次試驗中，并未開展泥膜閉氣時間及閉氣值的研究，在下次試驗中，應(yīng)進行進一步研究．并將其與工程實際結(jié)合起來研究，從而更好地解決工程實際問題．

[1] 閔凡路，徐靜波，杜佳芮，等．大直徑泥水盾構(gòu)礫砂地層泥漿配制及成膜試驗研究[J]．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015，52(6)：141-146．

[2] 陳芝春，張振坤，徐志強．泥水盾構(gòu)施工泥膜成膜質(zhì)量控制試驗研究-以穿黃隧洞工程為例[J]．水電與新能源，2015，35(4)：5-8．

[3] 孔祥鵬，白 云，徐冬洪．泥水盾構(gòu)開挖面泥膜的彈性模量[J]．地下空間與工程學(xué)報，2012，8(2):307-310．

[4] 劉 成，孫 鈞，趙志峰，等．泥水盾構(gòu)泥膜形成二維理論分析[J]．巖土力學(xué)，2013，34(6):1593-1597．

[5] 王 俊，何 川，封 坤，等．砂卵石地層中大斷面泥水盾構(gòu)泥膜形態(tài)研究[J]．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014，51(6):108-115．

[6] 韋良文，張慶賀，鄧忠義．大型泥水盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定機理與應(yīng)用研究[J]．地下空間與工程學(xué)報，2007，3(1):87-91．

[7] Fanlu MIN， Wei ZHU， Cheng LIN, et al． Opening the Excavation Chamber of the Large-Diameter Size Slurry shield:A Case Study in Nanjing Yangtze River Tunnel in China[J]．Tunnelling and Underground Space Technology 2015,46:18-27．

[責(zé)任編輯 王康平]

Effect of Slurry Density on Slurry Consumption in Slurry Shield Tunneling

Wang Qi Zhu Dongyuan

(College of Civil & Transportation Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

During slurry shield tunneling, usually the pressed slurry is taken to build up a filter-cake to protect the working face. In this paper ,we use self-developed apparatus to study the filter cake under different slurry densities. Test results indicate that when slurry density increases, slurry consumption decreases.

shield tunneling; filter cake; slurry density; slurry consumption

2017-01-04

國家自然科學(xué)基金資助項目(51378176)

王 奇(1993-)，男，碩士，主要研究方向為盾構(gòu)隧道．E-mail： 945724015@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.014

TU753.7

A

1672-948X(2017)03-0062-04