夏煒洋

(中鐵二局集團有限公司，成都 610041)

在吹填土[1]、地下連續(xù)墻[2]、注漿工程[3]中，漿液的滲透行為發(fā)揮著重要的作用。在泥水盾構的掘進中，泥漿會在壓力作用下從開挖面滲透進入地層，堵塞地層孔隙，該過程將泥漿壓力傳遞至掘削面以平衡地層的水土壓力[4-5]。在一個給定的地層中，泥漿壓力由現(xiàn)場工程地質和水文地質條件共同確定，泥漿的配比是影響泥漿滲透成膜過程的主要因素[2]。

蔣順清等[6]基于南水北調穿黃工程對盾構施工中泥漿的特性開展了滲透試驗，初步提出了適用于穿黃工程的泥漿性能主要指標控制范圍；吳志均等[7]分析了API濾失儀試驗的缺點，確定了評價泥餅質量的關鍵因素，對泥餅質量的評價有一定的參考作用；韓曉瑞等[8]以南京長江隧道為背景，開展了泥漿滲透成膜試驗，研究了泥膜的作用原理及泥膜質量的評價指標，發(fā)現(xiàn)泥漿顆粒級配及漿液比重相同時，泥漿黏度越高，物理穩(wěn)定性越好，泥膜更加容易形成，且形成的泥膜薄、致密，濾失量??；袁大軍等[9]開展了泥漿滲透試驗，研究了泥漿在黏土地層中的泥水劈裂現(xiàn)象，并提出了泥水盾構中泥水劈裂持續(xù)壓力、劈裂伸展速度計算公式及伸展流量的經(jīng)驗計算公式；閔凡路等[10]通過開展一系列泥漿滲透成膜試驗，研究了泥水盾構中泥膜形成時開挖面地層孔壓的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當泥漿壓力轉化為有效支護壓力后，地層中的超靜孔隙水壓力會迅速降低，漿液比重是影響地層超靜孔隙水壓力分布規(guī)律的主要因素之一，泥漿的黏度對其影響較??；倪紅娟等[11]針對泥漿滲透成膜過程，引入了顆粒離散元，模擬了砂土地層條件下泥漿的滲透成膜過程，發(fā)現(xiàn)影響泥膜形成的主要因素有地層滲透系數(shù)、泥漿的黏度、級配，其中泥漿有效粒徑的大小與地層有效粒徑的匹配關系對泥漿在地層中能否成膜以及形成何種類型的泥膜具有顯著作用；吳迪等[12]開展了泥漿滲透成膜試驗，采用均勻設計法對不同制漿材料在砂性土層中的填充效果進行實測與回歸分析，發(fā)現(xiàn)漿液相對密度反映了單位體積內所能提供的用于孔隙填充的顆粒數(shù)量，是影響濾水量以及填充致密程度的首要因素；姜騰等[13]采用自制的室內泥膜氣密性測試系統(tǒng)，研究了泥漿性質對泥水盾構泥膜閉氣性的影響，發(fā)現(xiàn)在不同氣壓作用下，泥膜存在不同的閉氣時間，超過閉氣時間后，泥膜會出現(xiàn)被氣體擊透而漏氣的現(xiàn)象；林鈺豐等[14]在不同滲透系數(shù)的地層中開展了一系列泥漿滲透試驗，深入研究了地層滲透系數(shù)、泥皮厚度、泥漿濾失量三者的內在聯(lián)系，并提出了泥皮的k線定理；Lin等[15]通過開展泥漿滲透試驗，研究了泥漿-地層匹配度并提出了評價方法。目前，泥漿的滲透成膜試驗已經(jīng)成為研究泥漿滲透問題最直接、最有效的方法；陳爽[16]開展了泥漿滲透成膜試驗對泥膜進行了細觀分析，并基于離散元模擬出了濾餅的3種形態(tài)。

影響泥漿滲透成膜過程的因素有很多，如漿液相對密度[17]、黏度[18]、含砂量[19]、顆粒級配[20]、地層特性[21]、加載條件[22]等。實際工程中主要靠參考以往類似工程經(jīng)驗，并結合必要的試驗去確定泥漿的配比。在查閱了大量相關文獻的基礎上，現(xiàn)以成蒲鐵路紫瑞隧道工程為依托，開展一系列泥漿滲透試驗，并結合類似工程實踐經(jīng)驗，考慮滲透濾失量、滲透距離、成膜時間等因素，確定泥漿的配比，以期使該泥漿配比在富水卵石土地層中取得良好的效果。

1 工程概況

成蒲鐵路紫瑞隧道工程全長1 940 m，其中XHDK0+880 ～ XHDK1+174和XHDK2+500 ～ XHDK2+820為框架段，XHDK1+174 ～XHDK2+500為盾構隧道段。盾構段總長695.8 m，隧道開挖直徑為12.84 m，隧道沿線穿過多處重要建構筑物，包括機場高速高架橋、南方半島小區(qū)、地鐵5號線神仙樹車站、地鐵7號線C出入口、神仙樹南路、肖家河、元華路市政橋、成昆西環(huán)聯(lián)絡線、成雅高速高架橋等。

200環(huán)、266環(huán)、280環(huán)表示掘進機的掘進環(huán)數(shù)圖1 紫瑞隧道縱斷面地質條件Fig.1 Vertical section geological conditions of Zirui Tunnel

由于泥漿在卵石土地層中容易出現(xiàn)滲透濾失量較大、跑漿等問題，導致開挖面存在坍塌失穩(wěn)的風險，故從現(xiàn)場取得卵石土土樣開展泥漿滲透試驗以確定泥漿的合理配比。

2 試驗方法及材料

2.1 試驗設備及操作流程

研究泥漿滲透行為的設備原理上都相同，類似于泥漿API濾失儀[23]，只不過在濾失儀中泥漿穿透的是孔隙大小確定的濾紙，而在泥漿滲透成膜試驗中，泥漿需要穿透由砂土形成的孔隙介質。大都采用加氣壓的方式將泥漿壓入試驗地層中(可參考文獻[24])，采用的試驗設備如圖2所示。整套設備包含滲透柱(高100 cm，內徑10 cm)、氣壓控制臺、氮氣瓶、濾液稱量系統(tǒng)(電子天平+攝像機)。氣壓控制臺位于進氣口與氮氣瓶之間，采用的氮氣瓶最高可提供0.5 MPa的壓力，氣壓控制臺可以將壓力控制在0.5 MPa之內的任意數(shù)值并且維持穩(wěn)定。氣壓通過進氣口將直接作用在泥漿層，泥漿層下依次是試驗地層、碎石墊層，碎石墊層的作用是防止大顆粒進入濾液出口堵塞管道。在本次試驗中，墊層的厚度為5 cm，試驗地層厚度為15 cm，泥漿層的厚度為40 cm。

圖2 滲透柱和氣壓控制臺Fig.2 Penetration column and Pressure control console

在試驗開始前，需要向滲透柱內倒入清水，通過加壓的方式將清水從出水口快速排出，以此檢驗管道的堵塞情況。試驗的主要步驟如下：向滲透柱內依次填入碎石墊層、試驗地層到預設的高度，并用壓盤逐步進行擊實；將壓盤留在試驗地層之上，操作控制臺對滲透柱內的碎石墊層和試驗地層進行滲透式反向飽和處理；將充分攪拌的泥漿倒入試驗地層之上，再緩慢取出壓盤；蓋上蓋子后，開啟攝像機準備加壓開始試驗。

2.2 試驗材料

由于地層的孔隙特征主要由小粒徑顆粒決定，現(xiàn)場取得的卵石土含有卵石及漂石，粒徑太大無法放入滲透柱，所以去除部分大粒徑卵石和漂石后，得到了合適的試驗地層。根據(jù)地質勘察報告所提供的現(xiàn)場抽水試驗結果,計算得到實際滲透系數(shù)在5×10-3～1×10-2cm/s，而去除大粒徑的試驗土的滲透系數(shù)通過室內常水頭試驗測得為1.2×10-2cm/s，與現(xiàn)場抽水試驗得到的結果接近。

膨潤土通常是以蒙脫石為主要成分的黏土礦物，其顆粒密度為2.4～2.9 g/cm3，遇水體積膨脹10～15倍，膨潤土漿液因此能形成一種穩(wěn)定的懸浮液。試驗泥漿采用鈉基膨潤土、粉土、CMC進行調制，泥漿的比重、黏度分別采用現(xiàn)場常用的比重計和蘇氏漏斗進行量測。在參考相關文獻后，共配制了9種不同的泥漿開展試驗，配比見表1。其中，膨潤土的用量對漿液的黏度有很大的影響，膨潤土濃度越大，漿液的黏度增長越快，膨潤土濃度太低又不能達到穩(wěn)定懸浮的效果。因此，膨潤土用量設置為80、100、120 g/L 3個數(shù)值，再加入一定含量的粉土以提高泥漿的大顆粒含量。羧甲基纖維素鈉(CMC)是常用的一種泥漿增黏劑，可用于單獨調整泥漿的黏度而不引起其他的改變。此外，所采用的泥漿的靜置時間均為1～2 d。

表1 泥漿的配比Table 1 Composition of slurry

2.3 壓力與滲透時間設定

試驗將采用表1中所配制的9種泥漿，在試驗地層中開展?jié)B透試驗。試驗的關鍵在于對濾液的觀測，濾液將進入濾液瓶中，而濾液瓶置于電子天平上，高速攝像機將全程記錄濾液重量的變化情況。泥水盾構中泥漿壓力需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況而設定。在卵石土地層中，地層滲透性較強，土壓力將采用水土分算的方法進行確定。當確定的泥漿壓力作用在開挖面時，首先將抵消水壓，剩下的壓力將以滲透成膜的方式轉移到地層顆粒骨架上。根據(jù)紫瑞隧道的設計說明，在卵石土地層段，隧道埋深在10～15 m，由于隧道斷面直徑達到12.4 m，泥漿壓力在開挖面上的分布也有差異。壓力對滲透過程有一定的影響，但在壓力不變的情況下，判斷泥漿在地層中的適應性是合理的。

目前，大部分盾構隧道的埋深在10～30 m，以直徑為12 m的盾構機為例，當上覆卵石土層(干密度為1.8×103kg/m3)厚度為10 m時，盾構中心位置處的垂直壓力約為288 kPa，一般的卵石土的側壓力系數(shù)在0.3～0.4，此處取0.35，得到盾構中心位置處的水平土壓力約為0.1 MPa。因此將泥漿的滲透壓力設定為0.1 MPa。

相關文獻顯示，優(yōu)質的泥膜通常在10 s內就能形成，但是質量較差的泥膜可能需要60 s以上才能達到穩(wěn)定。因此，將滲透時間限制在300 s。

3 試驗結果分析

3.1 滲透慮失量

泥漿在壓力作用下侵入地層，泥漿中的懸浮顆粒會堵塞地層孔隙，泥漿也會被地層所過濾。當懸浮顆粒將地層孔隙完全堵塞后，泥膜形成。在此期間排出的液體被稱為泥漿的滲透濾失量，滲透濾失量能表征泥膜形成所消耗的泥漿的多少，滲透濾失量與時間的關系通常被用來描述泥漿滲透成膜的過程。典型的泥漿滲透濾失曲線主要可分為兩個明顯的階段：泥漿噴射階段和泥膜形成階段[25]。

圖3～圖5為滲透試驗中濾失量與時間的關系。濾失曲線中噴射階段和泥膜形成階段可分別用趨勢線表示[26]，兩條趨勢線交點代表泥膜形成的時刻。值得注意的是，濾失曲線會因為泥漿的配比以及地層的特性存在形狀上的差異。

圖3 泥漿滲透濾失量(膨潤土用量80 g/L)Fig.3 Slurry penetration displaced fluid(the bentonite dosage is 80 g/L)

圖4 泥漿滲透濾失量(膨潤土用量100 g/L)Fig.4 Slurry penetration displaced fluid(the bentonite dosage is 100 g/L)

圖5 泥漿滲透濾失量(膨潤土用量120 g/L)Fig.5 Slurry penetration displaced fluid(the bentonite dosage is 120 g/L)

圖3是膨潤土用量為80 g/L的泥漿所產(chǎn)生的濾失曲線，可以觀察到，3條曲線形狀相似，最大的差別是成膜的總濾失量。A1的粉土用量為20 g/L，成膜過程中產(chǎn)生的滲透濾失量為0.061 m3/m2；A2在A1的基礎上增大了粉土的用量以提高泥漿的比重，成膜過程中產(chǎn)生的滲透濾失量為0.036 m3/m2；A3在A2的基礎上繼續(xù)增大粉土用量后，滲透濾失量縮小到了0.018 m3/m2。向泥漿中加入粉土提高了泥漿的比重，同時也提高了單位體積內可用于堵塞地層孔隙的泥漿顆粒數(shù)量。因此，提高泥漿中的粉土含量后，泥漿單位面積濾失量明顯降低，這種降低的現(xiàn)象在圖4和圖5中同樣是存在的。

當泥漿中粉土含量相同時，膨潤土含量的變化也會導致濾失量有差別。A1、B1、C1中粉土含量均為20 g/L，膨潤土含量分別為80、100、120 g/L，在試驗地層中產(chǎn)生的最終滲透濾失量分別為0.061、0.058、0.056 m3/m2；類似的觀察到，A2、B2、C2在試驗地層中產(chǎn)生的最終滲透濾失量分別為0.036、0.03、0.029 m3/m2；A3、B3、C3在試驗地層中產(chǎn)生的最終滲透濾失量分別為0.018、0.015、0.011 m3/m2。純膨潤土泥漿中的顆粒粒徑較小，在卵石土地層中不利于泥膜的快速形成，而粉土中含有更多的大顆粒，更容易對大孔隙造成堵塞，所以粉土的濃度對滲透試驗的結果影響較大。

3.2 泥漿滲透距離的估算

泥漿滲透產(chǎn)生了一定的濾失量，泥漿也會向地層中侵入一定深度，根據(jù)Xu等[25]對泥漿滲透行為的研究，在已知滲透濾失量的前提下，泥漿的滲透距離x可以通過式(1)進行計算，表達式為

(1)

式(1)中：V為泥漿滲透濾失量，m3；n為地層孔隙率；D為滲透柱內徑，m。地層孔隙率通過試驗開始前對試驗地層的反向滲透飽和測得為0.35。利用式(1)和泥漿的滲透濾失量，計算得到了不同泥漿在試驗地層中的滲透距離如圖6所示。

圖6 泥漿滲透距離Fig.6 Distance of slurry penetration

泥漿的滲透距離將直接影響盾構開挖過程中，開挖面獲得的支護力大小[27]。在掘進過程中，刀盤會不斷破壞泥膜，泥膜處于生成-被破壞-生成的循環(huán)狀態(tài)，部分支護力是依靠滲透力獲得的，具體的可以通過對滲透區(qū)的滲透梯度進行積分獲得。由于泥漿滲透距離越大，泥漿支護區(qū)域越分散，不利于開挖面的穩(wěn)定，因此，泥漿的滲透距離越小，泥漿支護的效果越好。

3.3 泥膜形成時間的估算

在泥水盾構掘進過程中，泥膜的形成速度會直接影響開挖面上泥膜的覆蓋情況，泥膜的形成速度越快，支護力能夠更快地轉移到開挖面上。根據(jù)兩條趨勢線，在圖3～圖5中確定了泥膜的形成時間。可以觀察到泥漿的濾失量越大，泥膜的形成時間越長。試驗均在0.1 MPa的壓力下開展，泥漿的黏度雖然有差異，但濾失量的差異對泥膜形成的速度影響更加顯著。泥皮型泥膜的形成時間一般在10 s內[28]，屬于優(yōu)質泥膜。

3.4 刀盤切削時泥膜的覆蓋情況分析

在掘進過程中，泥膜會不斷地被破壞。對同一個位置而言，當?shù)毒叩那邢髦芷谛∮谀嗄さ男纬蓵r間時，在掘進過程中將不會有泥膜形成，泥膜在切削面的覆蓋面積[29]將為0 m2，對于穩(wěn)定性較差的卵石土地層，沒有泥膜的支護將使得開挖面存在極大的坍塌風險。

紫瑞隧道采用的盾構機刀盤對稱分布了8個輻條(圖7)，8個輻條上共有切刀116把，其中2個輻條上分別布置16把，其余6個輻條分別布置14把。由于切刀在每個輻條上的布置并不是完全相同的，所以每把切刀的軌跡并不是完全重合的。因此，需要考慮最不利的情況，即考慮刀盤最外側的濾餅形成情況，并且認為切刀軌跡重合。根據(jù)不同的刀盤轉速，估算得到了泥膜的形成時間間隔如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，刀盤的轉速越快，泥膜從破壞到形成，再到破壞的時間間隔越短。根據(jù)4.3節(jié)中所確定的9種泥漿的泥膜形成時間，計算得到了泥膜在掘進過程中在開挖面上的覆蓋率如圖8所示。

1～8表示8個輻條圖7 刀盤刀具轉動重疊示意圖Fig.7 Schematic diagram of cutter knives rotation overlap

表2 泥膜形成時間間隔估算Table 2 The forming time of the filter cake

泥漿A1的成膜時間為7.8 s，當?shù)侗P轉速為0.4 r/min時，泥膜在掘削面的覆蓋率有58.4%；當?shù)侗P轉速為0.6 r/min時，泥膜在掘削面的覆蓋率降低到37.3%；當?shù)侗P轉速為0.8 r/min時，泥膜在掘削面的覆蓋率降低到16.8%；當?shù)侗P轉速超過1 r/min后，泥膜在掘削面的覆蓋率為0。從圖8中可以觀察到，當泥膜的形成時間縮短后，在相同的刀盤轉速下，泥膜的覆蓋率會有明顯提高。

對于一個確定的泥膜形成速度，隨著刀盤轉速的提高，泥膜覆蓋率會不斷降低。對于泥漿A1而言，當?shù)侗P轉速從0.4 r/min提高到0.8 r/min時，泥膜覆蓋率從58.4%降低到16.8%，降幅為41.6%；對于泥漿C3，同樣的情況下，泥膜覆蓋率從89.3%降低到78.7%，降幅為10.6%；由此可見，當泥膜形成速度較快時，泥膜覆蓋率受刀盤轉速的影響會相對減小。原因在于，當泥膜的形成速度加快后，高質量泥漿(C3)對刀盤切削產(chǎn)生的新的地層“創(chuàng)面”的封堵能力比低質量泥漿(A1)更強，當?shù)侗P轉速發(fā)生同樣的變化的情況下，高質量泥漿作用下的泥膜覆蓋率的波動會更小。

根據(jù)紫瑞隧道現(xiàn)場實際情況，刀盤轉速基本維持在1.1～1.2 r/min。由于卵石土地層自身穩(wěn)定性較差，隧道線路頻繁穿越重要建(構)筑物，對地面沉降控制要求較高[30]。因此，選擇一種能快速成膜的泥漿對地層穩(wěn)定性控制非常有利。在所配制的9種泥漿中，B3和C3在試驗地層中的成膜速度最快，滲透2 s后就能在開挖面形成泥膜。C3比B3多用了20 g/L的膨潤土，實際的滲透效果并沒有很大的提升，在泥漿的配制過程中還發(fā)現(xiàn)C3的黏度增長速度較快，B3的黏度相對來說更加容易控制。最終泥漿B3被初步選定為現(xiàn)場泥漿的配制方案。

4 泥巖侵入地層段泥漿的調整

泥漿的初期配制非常關鍵，因為盾構在始發(fā)段埋深較淺，對地層穩(wěn)定性控制有較高的要求。而在盾構掘進過程中，泥漿處于不斷循環(huán)的狀態(tài)，并且地層可能也會不斷的改變。這就需要在掘進過程中對泥漿進行必要的調整，以保證泥漿在循環(huán)過程中能維持較好的適應性。

泥漿B3在盾構始發(fā)段發(fā)揮出了良好的效果，但隨著盾構掘進深度的增大，卵石土地層下部逐漸有泥巖侵入(如圖1所示)，最大侵入高度約9 m。根據(jù)現(xiàn)場實際情況來看，泥巖的侵入給泥水盾構帶來了一個新的問題：刀盤結泥餅(圖9)。刀盤結泥餅的現(xiàn)象一般在土壓盾構中出現(xiàn)，在泥水盾構中出現(xiàn)的幾率較小。主要原因是泥巖在掘進過程中會被刀具磨成細粒，不僅會增大泥漿的黏粒含量，還會增大泥漿的黏度，導致刀盤在斷面下部容易形成泥餅，嚴重影響了盾構掘進效率。

圖9 第266環(huán)刀盤結泥餅情況Fig.9 The mud cake at ring 266

以200、266、280環(huán)為例(圖10)，200環(huán)是盾構機在卵石土地層中正常掘進的狀態(tài)，刀盤轉速約1.5 r/min，推進速度約18 mm/min，推力在40 000 kN左右，扭矩約為4 000 kN·m。在這種掘進狀態(tài)下，盾構機的運行較為平穩(wěn)，掘進效率較高。當盾構機到達266環(huán)時，掘進效率明顯降低，主要表現(xiàn)在推力和扭矩的增大，推力從40 000 kN·m增大到50 000 kN·m，扭矩增大到12 000 kN·m，最大甚至達到17 000 kN·m。即便是這種情況下，盾構推進速度還有所降低。而后停機開倉進行檢查，發(fā)現(xiàn)刀盤結泥餅較為明顯。

圖10 各環(huán)的推力、扭矩數(shù)據(jù)統(tǒng)計Fig.10 The thrust and torque data of each ring

通過參考相關文獻[31-34]，向泥漿中添加適量的分散劑，將進漿的黏度降低至23 s后，刀盤結泥餅的情況得以解決。以280環(huán)掘進參數(shù)為例，推力和扭矩雖然比卵石土中的掘進參數(shù)稍大，但長距離掘進依然能夠維持在一個穩(wěn)定的水平，盾構掘進效率能夠得到保證。此外，由于斷面上部存在大面積卵石土地層，泥漿的比重依然需要維持，以保持泥漿顆粒對孔隙的快速堵塞能力[27]。

5 結論

以國內最大直徑泥水-土壓雙模盾構在卵石土及泥巖侵入地層中的掘進為背景，針對泥漿的配比開展了試驗研究，主要得到了以下幾點結論。

(1)在參考了相關文獻和類似工程后，擬定了9種不同配比的泥漿，在試驗地層中開展了一系列泥漿滲透成膜試驗。在分析了滲透濾失量、滲透距離、泥漿成膜時間、泥膜覆蓋率等因素之后，初步確定了泥漿配比。該試驗及分析過程可為類似工程提供參考。

(2)針對刀盤在泥巖侵入地層段結泥餅的現(xiàn)象，工程中采用了維持漿液比重，適當降低泥漿黏度的方案，在保證泥漿對上部卵石土地層快速支護的同時，成功地解決了結泥餅的問題。該調整方法對泥水盾構在卵石土-泥巖復合地層中的掘進有重要意義。

(3)通常情況下，泥漿由相對密度、黏度、含砂量等泥漿自身特性確定，在不同的地層(如卵石土地層、粉砂地層、黏土地層等)中根據(jù)工程經(jīng)驗方可確定一個合理的范圍。隨著泥水盾構在地下工程中的大量采用，面臨的地層復雜程度越來越高，對泥漿的配制與調整，依然需要從科學的角度加以分析，才能保證盾構掘進的高效性和安全性。