倪小東，史志鵬，王 媛，曾乾坤

(河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098)

自1825年第一臺盾構(gòu)機(jī)開挖水底隧道以后，盾構(gòu)法以其自身獨有的優(yōu)勢在國內(nèi)外迅速發(fā)展[1]，然而盾構(gòu)法受制于土體自穩(wěn)性，且其施工路徑大多會穿越市區(qū)等繁華場所，施工過程中如果出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)現(xiàn)象，將嚴(yán)重危害施工安全，造成巨大的人員和財產(chǎn)損失。所以在修建盾構(gòu)隧道時形成安全有效的泥膜是解決開挖面穩(wěn)定控制的關(guān)鍵問題。維持泥水盾構(gòu)掌子面穩(wěn)定性的根本途徑是泥漿壓力與土壓力和水壓力的平衡。泥漿壓力的施加需要依托在開挖面上形成不透水或微透水的泥膜，將部分泥漿壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力才能實現(xiàn)泥水平衡，同時部分泥漿滲透進(jìn)入地層增加地層粘聚力[2-6]。關(guān)于泥水盾構(gòu)開挖面泥膜形態(tài)、孔隙特征、穩(wěn)定性的研究，目前大多是通過在土體內(nèi)部埋設(shè)儀器以獲得土體內(nèi)部變形和滲流規(guī)律，而常規(guī)盾構(gòu)掌子面注漿物理模型試驗則是利用空壓機(jī)構(gòu)造內(nèi)外壓力差促使?jié){液滲透進(jìn)入土層，完成注漿后取出土層開展后續(xù)相關(guān)分析。顯然，傳統(tǒng)土工模型試驗介入式測量會干擾土體變形，進(jìn)而對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，且當(dāng)前試驗無法揭示漿液在相應(yīng)條件下的時空分布特征，無法準(zhǔn)確把握泥漿滲透、擴(kuò)展機(jī)制?；谏鲜鲆蛩兀捎梅墙槿胧綗o損全域透明技術(shù)展現(xiàn)掌子面注漿過程[7-11]，探究其成膜機(jī)理，對于開挖面穩(wěn)定控制具有積極的意義。

人工合成透明土的出現(xiàn)使得學(xué)者能夠更方便直觀地觀測到土體內(nèi)部變形規(guī)律，鑒于其自身優(yōu)勢，結(jié)合光學(xué)測量和數(shù)字圖像處理計術(shù)，可實現(xiàn)土體內(nèi)部滲流場、位移場、速度場的無損可視化觀測。已有學(xué)者應(yīng)用透明土作為模型土進(jìn)行盾構(gòu)模型試驗，研究盾構(gòu)掘進(jìn)時地層變形規(guī)律、泥膜發(fā)展機(jī)理和開挖面穩(wěn)定理論，驗證了其優(yōu)越性和可行性。孫吉主等[12]以溴化鈣溶液和熔融石英砂合成透明土作為模擬地層，開展了盾構(gòu)開挖模型試驗，為盾構(gòu)掘進(jìn)施工時的可視化觀測又提供一種方案。葉飛等[13]發(fā)明了一種泥水平衡式盾構(gòu)模擬試驗系統(tǒng)，可模擬高水壓下泥水盾構(gòu)的開挖過程。曹利強(qiáng)等[14]發(fā)明了一種用于模擬盾構(gòu)泥膜形成的試驗裝置，若將透明土作為試驗地層，該裝置可實時監(jiān)測泥漿滲透過程中各參數(shù)變化規(guī)律，分析影響泥漿成膜的因素。本文就現(xiàn)有研究的不足進(jìn)行探究，利用人工合成透明土技術(shù)，結(jié)合激光散斑技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過小比例模型試驗開展不同變量下泥水盾構(gòu)泥漿滲透成膜的可視化過程和泥膜形成機(jī)理研究，分析各因素對泥膜形成質(zhì)量的影響，為泥水盾構(gòu)施工提供理論依據(jù)。

1 泥水盾構(gòu)成膜試驗

1.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

試驗裝置示意圖如圖1所示，該試驗系統(tǒng)包括模型箱、盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。模型箱作為地層環(huán)境；推進(jìn)系統(tǒng)模擬泥水盾構(gòu)機(jī)，其前方通過兩片開孔圓盤同軸連接，通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)盾構(gòu)機(jī)開挖時前方刀盤開口率；注漿系統(tǒng)施加并控制注漿壓力；通過抽真空系統(tǒng)排除透明土骨料與孔隙液體混合后產(chǎn)生的氣泡，避免影響試驗可視化觀測；利用激光在盾構(gòu)前方任意切面土層成像，結(jié)合CCD工業(yè)相機(jī)高頻記錄圖像，通過位移平臺移動激光器位置，獲取多個切面圖像，最后導(dǎo)入計算機(jī)進(jìn)行圖像處理，獲取透明土體中泥漿的運動軌跡、獲取漿液任意時刻填充形態(tài)和擴(kuò)散范圍。

1.2 試驗材料選擇

1.2.1 模擬土層與地下水

當(dāng)使用與固體顆粒折射率相同的透明液體填充固體顆?？紫稌r，光在通過固液混合體時將不發(fā)生折射和反射，外觀上呈現(xiàn)透明。為模擬不同粒徑的地層，本試驗選用0.25～2 mm的熔融石英砂，并采用標(biāo)準(zhǔn)土壤篩來篩分，以每一級篩余作為一組地層，配制3組均一粒徑的地層，且為保證不同地層干密度與孔隙率相同，需在試驗時對試樣進(jìn)行控制，地層基本性質(zhì)見表1。同時以不同質(zhì)量比的正十二烷和15#白油的混合溶液作為透明土的孔隙液體來擬合石英砂的折射率，達(dá)到透明可視的效果。

表1 試驗地層基本物理性質(zhì)Tab.1 The basic physical properties of the formation tested

1.2.2 漿液材料

作為模擬漿液的透明材料，與傳統(tǒng)流體材料相比，其需滿足一定特征，如：粘滯系數(shù)及比重與實際漿液相近；漿液材料與孔隙中液體不混溶；漿液擴(kuò)散過程及最終形態(tài)可以完整呈現(xiàn)；注入材料能體現(xiàn)漿液硬化過程。經(jīng)過不斷探索，本文選擇透明光敏樹脂材料作為泥漿材料，并添加不同粒徑的無定形硅粉充當(dāng)漿液填充材料，調(diào)節(jié)漿液密度與顆粒級配，同時光敏樹脂中加入不同質(zhì)量的稀釋劑TPGDA來獲得不同粘度的試驗?zāi)酀{，泥漿參數(shù)見表2，各編號漿液粒徑曲線如圖2所示。

表2 試驗各材料性質(zhì)Tab.2 Test the properties of each material

圖2 各編號漿液粒徑圖Fig.2 Physical map of each numbered slurry

1.3 試驗流程

(1)首先依據(jù)試驗要求組裝試驗裝置，檢查注漿裝置氣密性是否良好。

(2)分層填筑透明土樣。每次填筑完成后進(jìn)行抽真空直至透明度良好。

(3)將激光器打開，調(diào)整激光器的面光源與盾構(gòu)中心縱斷面重合，按合適高度架設(shè)好CCD相機(jī)拍攝成像。

(4)然后將配置好的漿液攪拌均勻，取出200 mL隨后倒入漿液罐中，迅速密封好漿液罐，防止?jié){液在注漿前發(fā)生離析。

(5)打開空壓機(jī)，逐級加壓(0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 MPa)，保持盾構(gòu)刀盤開口率為40%推進(jìn)，并用CCD相機(jī)拍攝并讀取每級荷載下漿液的滲透距離變化情況，直至穩(wěn)定。

(6)對每組試驗最后形成的泥膜進(jìn)行濾失量分析。

2 泥水盾構(gòu)注漿結(jié)果分析

2.1 漿液滲透類型分析

采用3組泥漿(表2)在3組不同地層(表1)進(jìn)行9組滲透試驗，并繪制出每組試驗中漿液在各級荷載下的滲透距離變化曲線。漿液的滲透距離變化曲線大致可以分為三種類型，如圖3所示，類別A：在各級荷載作用下，泥漿的滲透距離均很小，且隨著荷載的增長，滲透距離大小變化緩慢，呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)；類別B：泥漿的滲透距離隨著荷載的增長呈階梯式增長，并在每個荷載作用下緩慢增長；類別C：在第一級荷載作用下，漿液便快速擴(kuò)散，并隨著荷載的增長，擴(kuò)散速度逐漸減緩。

圖3 漿液在地層中三種典型滲透曲線Fig.3 Three typical permeability curves of slurry in formation

2.2 漿液滲透形態(tài)分析

試驗同時用CCD相機(jī)記錄下了各組漿液在地層中橫斷面與縱斷面的最終填充形態(tài)，漿液在地層中的填充形態(tài)大致分為三種，如圖4—圖8所示。從縱斷面方向來看，類型Ⅰ：泥漿中的粗顆粒隨著注漿進(jìn)行逐漸在與其接觸的土層表面聚集，最終形成了致密顆粒薄層，形成的泥膜稱之為泥皮型泥膜；類型Ⅱ：泥漿中的細(xì)顆粒在壓力作用下滲入地層，一部分填充在盾構(gòu)前方表層，形成一層薄薄的固體顆粒層，另一部分由于地層的過濾作用而停留在地層孔隙中，形成一段滲透帶，我們稱之為泥漿+滲透帶型泥膜；類型Ⅲ：地層中存在明顯的泥漿細(xì)顆粒，無明顯的泥皮形成，形成的泥膜稱之為滲透帶型泥膜[15-16]。

圖4 漿液在地層中縱斷面方向形態(tài)Fig.4 The shape of the grout in the longitudinal section in the formation

從橫斷面方向來看,類型Ⅰ：漿液開始從中心向四周擴(kuò)散，最終在橫斷面形成一“梨狀”的泥膜，其底部擴(kuò)散區(qū)域近似等于刀盤面積，這說明漿液在第一階段填充盾構(gòu)前方區(qū)域時幾乎未向四周擴(kuò)散，盾構(gòu)上方擴(kuò)散區(qū)域呈現(xiàn)下小上大的特征，這說明越靠近地表漿液的擴(kuò)散區(qū)域越大，這是因為越靠近地表注漿需克服的阻力越小，相同注漿壓力下擴(kuò)散的距離就越遠(yuǎn)，這也驗證了縱斷面的漿液擴(kuò)散規(guī)律的正確性。類型Ⅱ：漿液開始呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)，隨后從中心向四周擴(kuò)散，最終在橫斷面形成一不規(guī)則形狀的泥膜，該泥膜形狀呈現(xiàn)下窄上寬的形態(tài)。類型Ⅲ：漿液從開始就呈現(xiàn)“長柱狀”，隨后向四周擴(kuò)散，開始與結(jié)束時擴(kuò)散形態(tài)大致相同。從橫斷面滲透形態(tài)上來看，泥皮型泥膜的滲透范圍最小，漿液中的顆粒都聚集在一小區(qū)域內(nèi)；相比之下，泥皮+滲透帶型泥膜與滲透帶型泥膜的滲透范圍更大，同時當(dāng)同體積漿液形成泥皮+滲透帶型泥膜時，其在掌子面形成的一段泥膜將阻礙漿液進(jìn)一步在縱斷面方向滲透，所以漿液在橫斷面方向的滲透范圍比滲透帶型泥膜更大。

圖5 類型Ⅰ漿液橫斷面擴(kuò)散形態(tài)比較(盾構(gòu)前方0 cm處)Fig.5 Comparison of cross-sectional diffusion patterns of type Ⅰ slurry (0 cm in front of shield)

圖6 類型Ⅱ漿液橫斷面擴(kuò)散形態(tài)比較(盾構(gòu)前方0 cm處)Fig.6 Comparison of cross-sectional diffusion patterns of type Ⅱ slurry (0 cm in front of shield)

圖7 類型Ⅲ漿液橫斷面擴(kuò)散形態(tài)比較(盾構(gòu)前方0 cm處)Fig.7 Comparison of cross-sectional diffusion patterns of type Ⅲ slurry (0 cm in front of shield)

試驗完成后，將9組不同類型的滲透試驗的試驗結(jié)果記錄下來，包括各組漿液的滲透類型曲線，各組漿液的地層填充形態(tài)以及漿液的最大滲透距離，見表3。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，在滲透系數(shù)最小的地層S1中，漿液均發(fā)生類型A的滲透，同時填充形態(tài)也均為類型Ⅰ，泥膜類型均為泥皮型；而隨著地層滲透系數(shù)的增長，漿液的滲透類型也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)锽甚至C，漿液的填充類型出現(xiàn)滲透帶，在滲透系數(shù)最大的地層S3中，泥漿將不會發(fā)生類型A的滲透，且無法形成泥皮型泥膜。從漿液的最大滲透距離上來看，當(dāng)最大滲透距離Dmax<10 mm時，漿液都發(fā)生類型A的滲透，且填充形態(tài)也都對應(yīng)類型Ⅰ，當(dāng)10 mm≤Dmax<20 mm時，漿液的滲透類型均為B，填充類型也基本為類型Ⅱ，當(dāng)?shù)貙訛镾3，漿液為③號時除外，這也不難理解，當(dāng)粘度系數(shù)小的漿液在滲透系數(shù)大的地層滲透時，漿液的滲透不僅發(fā)生在水平方向，也發(fā)生在豎直方向，豎直方向上的滲透一定程度上影響了水平方向的滲透；而當(dāng)漿液發(fā)生類型C的滲透時，Dmax均大于20 mm，填充類型均為泥皮+滲透帶型，甚至無法形成泥皮。這表明滲透距離大小側(cè)面反應(yīng)了泥膜形成的類型，滲透距離小表明漿液在地層中形成了致密的泥膜，滲透距離大表明漿液在地層中形成了厚且疏松的滲透帶。

而從試驗對比結(jié)果來看，地層是影響泥膜形成類型的第一因素，在孔徑最大的S3地層中，即使是粘度系數(shù)最大的漿液也無法形成泥皮型泥膜；另外在相同地層中，漿液的粘度系數(shù)越高，密度越大，越容易形成薄且致密的泥膜，究其原因是因為在相同孔徑的地層中，漿液的密度越大，能夠堵塞地層孔徑的顆粒數(shù)量會越多，且漿液的粘度系數(shù)越高，漿液中顆粒與地層中水的結(jié)合能力也會越高，顆粒易在地層表面形成致密的泥膜，而當(dāng)漿液的粘度變小后，漿液顆粒與水結(jié)合力變差，在壓力作用下，顆粒容易被擠出形成一段滲透帶，使得形成的泥膜厚且疏松。

表3 各組試驗試驗結(jié)果Tab.3 Test results of each group

2.3 泥膜滲透性分析

同時，本文對組號4、5、6所代表的泥皮型、泥皮+滲透帶型泥膜和滲透帶型泥膜進(jìn)行了滲透性分析，用相同體積正十二烷和15#白油的混合溶液在逐級注漿壓力下進(jìn)行濾失試驗，用量筒統(tǒng)計通過三種不同類型泥膜的滲濾液體積。如圖8，可以發(fā)現(xiàn)在相同注漿壓力下，泥皮型泥膜的滲濾液體積最少，泥皮+滲透帶型次之，而滲透帶型的滲濾液體積則為最多，在滲透速率方面，泥皮型泥膜每分鐘濾液量在注漿壓力達(dá)到0.1 MPa后速率逐漸穩(wěn)定，達(dá)到3.5 mL/min,泥皮+滲透帶型泥膜每分鐘濾液量在注漿壓力達(dá)到0.15 MPa后逐漸穩(wěn)定，達(dá)到5.1 mL/min,而滲透帶型泥膜在全壓力狀態(tài)下，其每分鐘濾液量保持穩(wěn)定，為6.1 mL/min。試驗結(jié)果表明，在相同注漿壓力作用下，泥皮型泥膜的滲透系數(shù)最小，泥皮+滲透帶型次之，滲透帶型泥膜的滲透系數(shù)最大，而泥膜的滲透系數(shù)越小，其對泥漿入滲的阻力就越大，從而泥漿壓力可以更好地轉(zhuǎn)換為有效應(yīng)力，來平衡地層土壓力，達(dá)到開挖面的“泥水平衡”。

圖8 不同注漿壓力下濾滲液體積Fig.8 Percolate volume under different grouting pressure

2.4 高滲透性地層施工工況改良

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越高滲透性土層例如砂礫土和碎石土?xí)r，漿液顆粒易在較大的地層孔徑中擴(kuò)散，形成疏松的滲透帶以致無法形成泥膜，如本試驗的S3地層。而如何在此類地層中通過改良施工工況來形成微透水的泥膜，從而維持開挖面的穩(wěn)定十分關(guān)鍵。本文提供了兩種可行方法：(1)適當(dāng)縮小刀盤開口率(從40%刀盤開口率縮小為30%刀盤開口率);(2)適當(dāng)減小注漿壓力(逐級壓力減半)，并就改良后的兩種工況進(jìn)行了試驗分析，滲透距離對比圖如圖9所示。從對比結(jié)果來看，無論是縮小刀盤開口率還是減小注漿壓力，漿液的滲透曲線類型發(fā)生了改變(從類型C轉(zhuǎn)變?yōu)轭愋虰)，且漿液的滲透距離均減小，但減小刀盤開口率后漿液滲透距離減小的幅度更大；而從滲透形態(tài)上來看(圖10)，兩種工況改良后滲透形態(tài)也均發(fā)生了改變，形成的泥膜形態(tài)均往泥皮型泥膜靠攏，這說明在高滲透性土層條件下，減小盾構(gòu)機(jī)刀盤開口率和減小注漿壓力有助于形成泥皮型泥膜，從而降低地層的滲透系數(shù)，增大對泥漿入滲的阻力，從而更好的維持開挖面穩(wěn)定。

圖9 工況改良后滲透距離對比圖Fig.9 Comparison chart of penetration distance after working condition improvement

圖10 工況改良后滲透距離對比圖Fig.10 Comparison chart of penetration distance after working condition improvement

3 結(jié)論

1) 漿液的滲透距離大小決定了泥膜形成的類型，滲透距離越小表明漿液在地層中形成了泥膜越致密，滲透距離越大表明漿液在地層中形成的泥膜越疏松甚至沒有形成泥膜。

2) 地層性質(zhì)是影響泥膜形成類型的第一因素，相同性質(zhì)漿液在孔徑越小的地層越容易形成良好致密的泥膜；在相同地層下，漿液的粘度越高，其與水的結(jié)合力越大，形成的泥膜越致密，性質(zhì)越穩(wěn)定。

3) 3種泥漿堆積形態(tài)中，泥皮型泥膜的滲透系數(shù)最小，泥皮+滲透帶型次之，滲透帶型泥膜的滲透系數(shù)最大；并且泥膜兩側(cè)的水壓力差泥皮型泥膜最小，泥皮+滲透帶型次之，滲透帶型泥膜最大。即泥膜越致密，其對泥漿入滲的阻力就越大，更多的泥漿壓力可以轉(zhuǎn)換為有效應(yīng)力來平衡地層土壓力，達(dá)到開挖面的“泥水平衡”。

4) 在高滲透性土層條件下，減小盾構(gòu)機(jī)刀盤開口率和減小注漿壓力有助于形成泥皮型泥膜，為開挖地層的穩(wěn)定提供幫助。