摘要：為揭示泥水盾構(gòu)開挖面泥漿成膜規(guī)律，以青島地鐵8號(hào)線泥水盾構(gòu)掘進(jìn)的跨海區(qū)間為工程背景，闡述不同級(jí)配下泥漿的滲透成膜過程，分析高聚物、處理劑作用下3種泥膜形成機(jī)理，并結(jié)合特定礫砂地層設(shè)計(jì)成膜裝置，采用控制變量法開展室內(nèi)試驗(yàn)，選用2種粒徑細(xì)砂調(diào)節(jié)泥漿級(jí)配，分析不同摻量制漿材料（NSHS-3）作用下的泥漿性質(zhì)。試驗(yàn)結(jié)果表明：與粒徑小于0.01 mm的細(xì)砂相比，粒徑小于0.25 mm的細(xì)砂形成的滲透帶抓抱效果較好且更適配礫砂地層。地層的顆粒級(jí)配相同時(shí)，泥漿黏度越高，其穩(wěn)定性越高，泥膜容易形成且厚度較薄、質(zhì)密、濾水量低，但添加劑過量會(huì)引起部分土顆粒聚沉，未加壓時(shí)便附著在開挖面，進(jìn)而堵塞盾構(gòu)管道運(yùn)輸系統(tǒng)，泥膜穩(wěn)定性較差且造成資源浪費(fèi)。B6號(hào)泥漿加壓過程中濾水清澈，濾失量較小，形成的“泥皮+滲透帶”型泥膜強(qiáng)度較高，能保證開挖面穩(wěn)定且絮凝較少，經(jīng)濟(jì)性較好。研究結(jié)論為類似地層泥水盾構(gòu)施工改良提供參考。

關(guān)鍵詞：泥水盾構(gòu)；礫砂地層；泥漿成膜；滲透機(jī)理；泥漿黏度

中圖分類號(hào)：TU415 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008-0562（2024）02-0171-08

0 引言

近年來，泥水平衡盾構(gòu)由于具有技術(shù)先進(jìn)、安全高效等優(yōu)點(diǎn)，在跨江海區(qū)域隧道建設(shè)工程中得到了廣泛應(yīng)用。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，泥膜的形成速度及覆蓋情況直接影響開挖面穩(wěn)定，特別是在隧道面不穩(wěn)定的地層中，泥水平衡盾構(gòu)不斷向前掘進(jìn)，刀頭對(duì)開挖面泥膜不斷切削，泥膜一直處于破裂或局部破裂狀態(tài)。在細(xì)砂、礫砂等高滲透地層，泥漿易穿透地層大量濾失，開挖面極易失穩(wěn)坍塌。盾構(gòu)機(jī)停止切削300 s以上，開挖面才會(huì)形成微透水泥膜，滿足滲透系數(shù)小于1×10-8 m/s的要求，該過程中易誘發(fā)各種施工事故。因此需要通過調(diào)節(jié)泥漿顆粒級(jí)配、泥漿性質(zhì)和壓力倉(cāng)內(nèi)泥漿壓力，在掘進(jìn)表面形成高質(zhì)量泥膜支護(hù)開挖面。

孫金鑫等將泥漿成膜分為顆?？焖偾秩?yún)R集、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)穩(wěn)定2個(gè)階段。泥漿顆粒入侵過程中一般可以由膨潤(rùn)土和黏土顆粒共同填充地層較大孔隙，但孔隙過大時(shí)需要依靠膠粒進(jìn)行集合填充。金大龍等研究發(fā)現(xiàn)實(shí)際工程中可以根據(jù)地層-泥漿粒徑比和泥漿黏度雙控指標(biāo)進(jìn)行泥漿配制。姚占虎等、張寧等、張亞洲等利用淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及外加劑配制泥漿，形成了致密、濾水量小、能充分滿足施工要求的高質(zhì)量泥漿。呂錦等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泥漿中加入高分子聚合物、帶正電的活性顆粒后，可以吸附于開挖表面，利于快速形成泥膜。劉來倉(cāng)等研究表明加入羧甲基纖維素（CMC）后，泥漿黏度提高、泥漿沉淀速度降低，泥膜滲透系數(shù)和滲透流量均減小，海水泥漿也可以達(dá)到淡水泥漿成膜效果。韋良文等提出采用聚合物穩(wěn)定開挖面，泥水體系能快速形成高質(zhì)量泥膜，有利于大型泥水盾構(gòu)隧道的開挖面穩(wěn)定。譚嘯峰等通過鈉基膨潤(rùn)土與抗鹽膨潤(rùn)土的雙摻優(yōu)化試驗(yàn)，得到了復(fù)合土海水泥漿的最佳配比。以上研究表明施工中適當(dāng)摻入渣土，減少膨潤(rùn)土用量，可以改善添加劑中的親水性材料稀釋不當(dāng)產(chǎn)生的絮凝浪費(fèi)，提高泥膜質(zhì)量及成膜效率。

目前，針對(duì)大型泥水盾構(gòu)在不同地層推進(jìn)過程的開挖面穩(wěn)定性研究較少，尤其是缺乏對(duì)特定工況下適用泥漿的研究。由于跨海區(qū)域盾構(gòu)隧道穿越的地層情況十分復(fù)雜，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)控制、泥水材料特性及調(diào)控是決定能否順利施工的關(guān)鍵因素。依托青島地鐵8號(hào)線大洋站到青島北站泥水盾構(gòu)施工區(qū)間為工程背景，針對(duì)地層特點(diǎn)和工程需要設(shè)計(jì)滲透成膜裝置，開展室內(nèi)試驗(yàn)，分析泥漿材料對(duì)盾構(gòu)泥漿黏度、濾失量及成膜厚度的影響，并分析泥膜質(zhì)量，以驗(yàn)證該泥漿在實(shí)際工程中的可行性，為泥水盾構(gòu)在類似地層施工所用泥漿改良提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

青島地鐵8號(hào)線全長(zhǎng)約8.1 km，下穿海域段長(zhǎng)約5.5 km，8號(hào)線區(qū)間地質(zhì)極其復(fù)雜，經(jīng)反復(fù)論證決定西側(cè)過海段2.5 km采用“礦山法+盾構(gòu)法”雙模式施工，東側(cè)過海段2.9 km采用直徑為7.1 m的泥水平衡復(fù)合式盾構(gòu)法施工，施工規(guī)劃見圖1。

東側(cè)砂層與海水聯(lián)通，區(qū)間穿越強(qiáng)、中、微風(fēng)化巖層，水壓大，加劇刀具磨損，隧道左右線各有6次開倉(cāng)換刀，在海底開倉(cāng)檢修時(shí)風(fēng)險(xiǎn)極高，易發(fā)生涌水涌砂、掌子面塌方、支護(hù)垮塌等事故。

選擇1號(hào)風(fēng)井和2號(hào)風(fēng)井間海域盾構(gòu)法施工區(qū)間為研究目標(biāo)地層，探究泥水盾構(gòu)在跨海區(qū)域高滲透地層中施工時(shí)開挖面泥膜質(zhì)量的影響因素，以防開挖面坍塌、江水倒灌、劈裂溢泥等施工事故發(fā)生。

1.2 工程地質(zhì)

大洋站至青島北站區(qū)間最大埋深為51m，水壓最大為0.5 MPa。盾構(gòu)機(jī)主要在泥粉質(zhì)黏土、含黏性土粗礫砂、火山角礫巖中掘進(jìn)，粗礫砂層主要分布在冒島東側(cè)和新近填海造地下方近原海岸處，其他區(qū)域零散分布，礦物成分主要有長(zhǎng)石、石英，含有10%～20%的黏性土，泥水盾構(gòu)施工段地質(zhì)縱斷面見圖2。

盾構(gòu)泥漿一般通過聚合物和活性土配合各泥漿材料建立聚合物正電膠泥水體系，在壓差作用下發(fā)揮抑制、橋聯(lián)等能力，常選用自來水造漿來達(dá)到密度、黏度的施工要求。與自來水造漿相比，海水造漿存在比重大、膠體率低、穩(wěn)定性差等問題，當(dāng)水中的Ca2+離子質(zhì)量濃度超過100 mg/L時(shí)，泥漿會(huì)產(chǎn)生凝聚和沉降。Na+離子也會(huì)影響泥漿穩(wěn)定，加速泥巖分解，因此可作為分解劑使用。過多的Cl-離子降低了泥漿黏度及切力，加劇失水問題。因此，海水造漿應(yīng)選用合適的添加劑使泥漿性能滿足施工要求。施工段水質(zhì)見表1。2～4號(hào)地段均為咸水，大量鹽離子影響泥漿入滲過程及成膜效果，因此，考慮在試驗(yàn)?zāi)酀{中加入適量分散劑調(diào)節(jié)泥漿性能以達(dá)到較好的成膜效果。

2 泥膜作用機(jī)理

在一定壓力差的作用下，泥漿中的自由水滲入地層過程中，泥漿顆粒逐漸沉積淤堵在地層孔隙中或者表面上形成泥膜，阻絕泥漿和水的進(jìn)一步滲透，充當(dāng)平衡泥漿壓力與開挖面水土壓力的介質(zhì)。一般在泥漿中使用鏈狀處理劑加強(qiáng)泥膜強(qiáng)度。根據(jù)泥漿滲透效果可以將形成的泥膜分為3種類型，即泥皮型、“泥皮+滲透帶”型、滲透帶型。

當(dāng)?shù)貙宇w粒粒徑較小時(shí)，顆粒之間孔隙很小，見圖3。泥漿中較大的顆粒通過吸附其他膠粒形成較大聚集體，被開挖面表層骨架捕獲（即架橋效應(yīng)），處理劑含有的吸附基團(tuán)將土顆粒、高聚物之間聯(lián)結(jié)，從而形成泥皮型泥膜。隨著壓力作用時(shí)間增長(zhǎng)，泥膜厚度不斷增加，此時(shí)的泥膜附著在開挖表面，無法與內(nèi)部咬合，易發(fā)生開挖面失穩(wěn)坍塌。

當(dāng)?shù)貙宇w粒粒徑和泥漿顆粒粒徑相適宜時(shí)，粒徑較小的泥漿顆粒滲入地層孔隙，處理劑中的水化基團(tuán)吸附極性水分子使得長(zhǎng)鏈伸展，吸附基團(tuán)因此能夠更好接觸土顆粒、聚合物等并包圍自由水，形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，咬合地層顆粒形成滲透帶，粒徑較大的顆粒吸附其他膠粒淤堵在開挖面表面形成泥皮，泥皮和滲透帶將開挖面緊緊抓抱，能較好維持開挖面穩(wěn)定，見圖4。

在孔隙較大的地層，泥漿顆粒粒徑較小，在壓力作用下透過孔隙大部分滲入到地層內(nèi)部，難以形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及較大聚集體，壓力作用下形成狹長(zhǎng)滲透帶，開挖面表面僅有少量泥漿顆粒游離，大量泥漿顆粒濾失，見圖5。壓差下該滲透帶難以維持開挖面穩(wěn)定。

綜上，3種泥膜對(duì)開挖面穩(wěn)定性影響的大小順序?yàn)椤澳嗥?滲透帶”型gt;泥皮型gt;滲透帶型。因此針對(duì)礫砂地層盾構(gòu)施工應(yīng)調(diào)整泥漿參數(shù)，大顆粒填充開挖面較大孔隙，小顆粒封堵細(xì)小孔隙，使之加壓后形成“泥皮+滲透帶”型泥膜。礫砂地層孔隙較大，粒徑大于2 mm的顆粒占地層顆粒的40%以上，若要形成高質(zhì)量泥膜應(yīng)調(diào)節(jié)泥漿顆粒級(jí)配使之填充較大孔隙，同時(shí)適量添加處理劑，在地層內(nèi)部形成架構(gòu)，防止加壓過程顆粒不斷錯(cuò)位移動(dòng)，造成泥漿大量濾失繼而誘發(fā)施工事故。據(jù)此設(shè)計(jì)試驗(yàn)探究與跨海區(qū)域礫砂地層相適配的盾構(gòu)泥漿配比。

3 礫砂層泥漿成膜試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用自制的泥漿成膜試驗(yàn)裝置，見圖6。試驗(yàn)裝置主體由直徑為100 mm、高為600 mm的有機(jī)玻璃筒組成。底部鋁制蓋板做密封并設(shè)有出水口以排出濾水，底部鋪設(shè)厚度為50 mm的透水石防止土體流失，透水石上部鋪設(shè)厚度為240 mm的預(yù)制地層材料模擬施工地層，上部注入厚度為280 mm的泥漿層，與活塞底部緊密貼合并放置不同加壓砝碼進(jìn)行分級(jí)加載（一級(jí)加載0.05 MPa、二級(jí)加載0.10 MPa、三級(jí)加載0.15 MPa、四級(jí)加載0.20 MPa、五級(jí)加載0.25 MPa、六級(jí)加載0.30 MPa），模擬泥水平衡盾構(gòu)機(jī)泥水加壓系統(tǒng)及壓力調(diào)節(jié)，有機(jī)玻璃筒接有排水管用以排出濾水，間隔100 s讀取出水口濾水量。

3.2 地層材料

實(shí)際工程礫砂地層顆粒篩分后，粒徑大于2.00 mm的顆粒質(zhì)量占比為33.8%，粒徑為0.25～2.00 mm的顆粒質(zhì)量占比為56.2%，粒徑小于0.25 mm的顆粒質(zhì)量占比為10%。本試驗(yàn)的地層材料由標(biāo)準(zhǔn)砂、粗砂和碎石子經(jīng)篩分得到，其中粒徑大于2.00 mm的顆粒質(zhì)量占比為35%，粒徑為0.25～2.00 mm的顆粒質(zhì)量占比為58%，粒徑小于0.25 mm的顆粒質(zhì)量占比為7%，與實(shí)際地層級(jí)配相近。實(shí)際地層物理參數(shù)見表2。

3.3 泥漿材料

參考工程舊漿顆粒級(jí)配，由鈉基膨潤(rùn)土、Na2C03、海水（人工配制）配制基漿，調(diào)整添加劑材料及NSHS-3摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），設(shè)置對(duì)照組，控制泥漿pH值為8～8.5，泥漿參數(shù)見表3。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 泥漿性能效果分析

每隔4h測(cè)試泥漿黏度，研究泥漿黏度隨時(shí)間變化情況，并從試驗(yàn)裝置側(cè)面觀察泥膜形成情況，采用鋼尺測(cè)量泥皮及泥膜長(zhǎng)度，誤差在±0.04 mm以內(nèi)，多次測(cè)量取平均值。不同配合比的泥漿黏度變化見圖7。由圖7可知，不同配合比泥漿12 h內(nèi)黏度增長(zhǎng)較快，12 h后增長(zhǎng)緩慢，18 h后泥漿黏度無明顯變化。添加材料粒徑的差異對(duì)泥漿黏度影響不大，高分子聚合物的添加量差異對(duì)泥漿黏度影響較大，添加量越大，泥漿黏度增長(zhǎng)越快，但添加過量會(huì)使泥漿產(chǎn)生絮凝從而影響成膜效果。

泥漿加壓濾水量變化見圖8和圖9。由于A1號(hào)泥漿在一級(jí)加壓初期濾失量很大，二級(jí)加載初期濾失量逐漸增大直至全部濾失，A2號(hào)泥漿在二級(jí)加載4s后濾水變渾濁，泥漿全部濾失，二者均未形成泥膜，因此未繪制A1號(hào)、A2號(hào)泥漿濾水量變化曲線。A3號(hào)泥漿在六級(jí)載荷下濾水渾濁，但泥漿未全部濾失，最終形成22 cm滲透帶，地層表面形成1 mm泥皮。A4號(hào)泥漿在三級(jí)載荷下濾水出現(xiàn)輕微渾濁，濾水量明顯降低，五級(jí)和六級(jí)加載后濾水量保持穩(wěn)定，濾水變渾濁，最終形成19 mm滲透帶，地層表面形成1 mm泥皮。A3號(hào)、A4號(hào)的最終濾水量分別為465 mL、440 mL，表明泥漿黏度提高，濾水量降低，分級(jí)加載過程中，2種泥漿濾水量較高，均形成“泥皮+滲透帶”型泥膜且泥皮較薄，因此添加的粒徑小于0.01 mm細(xì)砂粒徑過小，即使泥漿黏度提高也不能較好地淤堵在開挖表面上，泥膜形成效果不明顯。

B5～B8號(hào)泥漿濾水量明顯低于A1～A4號(hào)泥漿，最終濾水量分別為60 mL、28 mL、21mL、17 mL。B5號(hào)泥漿加載過程中濾水緩慢析出，達(dá)到最大載荷后泥漿有少量濾失。B6～B8號(hào)泥漿加載過程中濾水量和濾失量進(jìn)一步減小且濾水始終清澈，五級(jí)、六級(jí)加載過程中泥漿層和地層材料均保持穩(wěn)定狀態(tài)，其中B8號(hào)泥漿在四級(jí)加載0.20 MPa后就已保持穩(wěn)定狀態(tài)，B5～B8號(hào)泥漿均形成“泥皮+滲透帶”型泥膜，但成膜速率有一定差異。表明粒徑小于0.25 mm細(xì)砂與高分子聚合物組合在海域礫砂層有較好的成膜效果。

將每級(jí)加壓下泥漿濾水量與最終濾水量的比定義為濾水占比，通過計(jì)算得到泥漿壓力．濾水占比的關(guān)系，見圖10。

由圖10可知，B7、B8號(hào)泥漿在每級(jí)加壓下濾水量與最終濾水量的比值穩(wěn)定增加，說明每級(jí)加壓后2組泥漿的濾水量均穩(wěn)定增加，可以推斷泥漿在加載初期形成泥膜包裹地層表面并與之緊密貼合，當(dāng)黏度適宜時(shí)無需加壓也可形成泥膜。

4.2 泥膜形成效果分析

A1、A2號(hào)泥漿加壓初期全部濾失，并未形成泥膜。A3、A4號(hào)泥漿表面形成的泥皮厚度僅為1 mm，滲透帶較長(zhǎng)，大部分泥漿顆粒在加壓后濾失。雖然A4號(hào)泥漿比A3號(hào)黏度大，但泥皮與A3號(hào)泥漿差異不明顯，滲透帶過長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性較差。A3、A4號(hào)試驗(yàn)形成的泥膜見圖11。

B5～B8號(hào)泥漿形成的泥皮厚度分別為1～2 mm、2 mm、2 mm、5 mm，可見隨著泥漿黏度提升，泥皮厚度提升。B5號(hào)泥漿濾失量較大，滲透帶厚度為30 mm，泥皮厚度為1～2 mm，厚度較小，實(shí)際可行性低。B6號(hào)泥漿滲透帶厚度約為10 mm，B7號(hào)泥漿滲透帶厚度約為9 mm，2種泥漿試驗(yàn)過程中濾水量均不足30 mL。B8號(hào)泥漿雖形成了致密泥膜．但其絮狀物含量較高且在泥皮上堆積，泥膜厚度較大，滲透距離較小。B5～B8號(hào)試驗(yàn)形成的泥膜見圖12。

不同試驗(yàn)?zāi)酀{濾水量和泥皮厚度見圖13。A3、A4號(hào)泥漿濾水量較大，雖然可以形成泥膜，但其泥膜質(zhì)量與形成速率有待優(yōu)化。B8號(hào)泥漿雖然濾水量較小，但泥皮厚度大，底層表面絮狀沉淀物堆積較多造成浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性不高。B5號(hào)泥漿濾水量較小，泥膜質(zhì)量不均，存在一定施工風(fēng)險(xiǎn)。B6、B7號(hào)泥漿濾水量很低，泥皮厚度相差較小且質(zhì)量較高，考慮實(shí)際施工的經(jīng)濟(jì)性，B6號(hào)泥漿最適用于跨海區(qū)域礫砂地層。

礫砂地層泥水盾構(gòu)施工時(shí)，控制泥漿顆粒級(jí)配與地層級(jí)配協(xié)調(diào)十分關(guān)鍵，便于各分子材料發(fā)揮作用，改善泥漿流變性。泥漿黏度較低時(shí)，試驗(yàn)中泥漿顆粒淤堵在地層孔隙，自由水在加壓過程中被擠出，形成的滲透帶厚度較高且疏松，無法應(yīng)用于實(shí)際工程中。泥漿黏度過高引起絮凝量大，泥皮較厚，穩(wěn)定性較差。因此泥漿配置時(shí)應(yīng)合理匹配各級(jí)分子量，使泥膜趨于致密、柔韌。

5 結(jié)論

針對(duì)高滲透礫砂地層的盾構(gòu)泥漿成膜問題，結(jié)合成膜機(jī)理設(shè)計(jì)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)不同配比下的泥漿進(jìn)行載荷加壓，并對(duì)泥漿黏度及濾水量進(jìn)行實(shí)測(cè)，分析成膜質(zhì)量的影響因素，得到以下結(jié)論。

（1）泥漿顆粒在地下水．土壓差作用下向開挖面滲透，在添加劑、高分子聚合物共同作用下形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)向地層內(nèi)部延伸，抓抱地層顆粒形成滲透帶，在地層外部通過架橋作用形成泥皮，可以較好地維持開挖面穩(wěn)定。

（2）泥水盾構(gòu)在高滲透地層（滲透系數(shù)約為0.03 cm/s）中施工時(shí)，相比單一添加膨潤(rùn)土的泥漿，選用粒徑不超過0.25 mm的渣土做添加材料的泥漿能與地層孔隙的俘獲能力達(dá)到平衡，提高泥漿的適配性，減少膨潤(rùn)土用量及濾失程度，降低經(jīng)濟(jì)損失。

（3）盾構(gòu)機(jī)在穿越礫砂地層施工時(shí)，“泥皮+滲透帶”型泥膜支護(hù)效果最好。隨著泥漿黏度的增加，泥漿的絮凝效果逐漸增大，滲透距離減小，當(dāng)黏度超過70 s時(shí)絮凝效果明顯，支護(hù)效率降低，應(yīng)選用分散劑改善泥漿管道內(nèi)滯留淤堵、管道磨損等問題。

（4）結(jié)合泥漿成膜試驗(yàn)結(jié)果及青島跨海區(qū)域礫砂地層特點(diǎn)，綜合考慮泥漿形成的泥皮厚度、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性等因素，確定B6號(hào)為最適合盾構(gòu)穿越跨海區(qū)域礫砂地層時(shí)的泥漿材料。

本文通過試驗(yàn)研究泥水盾構(gòu)施工過程中泥漿靜態(tài)成膜問題，但試驗(yàn)裝置規(guī)格存在局限性，有機(jī)玻璃筒壁與實(shí)際施工隧道周圍高滲透土層有較大差異，且實(shí)際工程中，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)向前方掘進(jìn)時(shí)，刀盤不斷旋轉(zhuǎn)切削土體，開挖面上處于形成-破壞不斷循環(huán)的過程，刀盤對(duì)高滲地層泥膜形成效果的影響也有待進(jìn)一步研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52279116）；遼寧省復(fù)雜結(jié)構(gòu)災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)重點(diǎn)項(xiàng)目（20210IZD02）