圆砾地层原状土泥膜形成效果试验研究*

封 坤，王运超，李德斌，路开道，邵振兴，刘四进

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏 南京 211899)

0 引言

盾构法具有对周边环境影响小、地质条件适应能力强、施工相对安全且迅速等特点，已成为修建水下隧道的首选[1]。但盾构隧道工程施工过程中常遇地层复杂、渗透系数大、孔隙率较高、颗粒易受扰动等问题。对于泥水平衡盾构，开挖面密封舱所需泥浆密度、黏度等技术指标须满足泥膜形成要求[2]，且泥膜形成效果决定了施工安全与效率。在黏性土地层中，通常能够快速形成密实的泥膜。在渗透系数和孔隙率均较大的圆砾地层中，需对泥膜形成效果进行研究。目前，国内外学者主要采用模型试验的方法研究泥膜形成问题，如吴迪等[3]采用均匀设计法，选用中粗砂和砾砂作为试验地层，配制不同相对密度泥浆进行试验，发现相对密度是影响滤水量的首要因素；刘成等[4]采用轻质砂作为泥浆添加材料，发现泥膜形成效果随着轻质砂添加量的增大明显提高，但添加量超过一定值后，效果降低；林钰丰等[5]配制了不同渗透系数的地层，并进行了泥膜试验，研究结果表明，泥皮厚度随着地层渗透系数的增加先增大后减小，且增大泥浆颗粒粒径可提高泥膜形成能力；加瑞等[6]开展不同颗粒级配、相对密度泥浆在不同孔径地层中的成膜试验，研究结果表明，泥浆颗粒级配是影响泥膜形成质量的主要原因。

综上所述，已有研究多采用自行配制地层及泥浆的方式进行试验，虽能较好地反映泥膜形成过程，给出泥膜形成条件及泥膜形成效果影响因素，但泥膜形成效果因地层不同存在较大差异，已有研究采用机制砂或石英砂作为试验地层，无法真实全面地反映实际地层中泥膜形成情况，且试验所用泥浆与现场施工所用泥浆存在一定差异[7]。鉴于此，本文依托常德沅江隧道工程，开展圆砾地层原状土泥浆渗透成膜试验研究，分析泥膜形成效果，得到最佳泥浆配合比。

1 工程概况

常德沅江隧道采用双洞双向4车道设计，全长2 240m，盾构区间长1 960m。刀盘直径11.75m，隧道盾构区间穿越地层主要为圆砾地层，占比>70%。圆砾地层粒径跨度大、渗透系数大、不均匀系数极大，主要为大粒径圆砾和小粒径粉土，中间粒径地层含量较少。圆砾地层颗粒分析试验结果如表1所示，抽水试验结果如表2所示，颗粒级配曲线如图1所示。

表1 圆砾地层颗粒分析试验结果

表2 圆砾地层抽水试验结果

图1 圆砾地层颗粒级配曲线

2 试验概况

试验泥浆由施工现场膨润土、黏土、制浆剂配制而成，通过对材料含量进行调整，保证新配泥浆相对密度为1.06～1.07，漏斗黏度控制为25s左右。

采用原状土作为试验地层，由于原状土最大颗粒粒径为60mm，为尽量减小尺寸效应的影响，采用自行研发的直径30cm渗流筒进行试验，如图2所示。为削弱边界效应，在渗流筒下方设置环形凹槽，以增大地层与渗流筒边壁的摩擦力。采用氮气瓶作为加压气源，氮气经加压台加压后接入渗流筒，加压台可将氮气进一步加压，且可使气压更易控制。加压装置最大加压值为1MPa，最小加压梯度为0.01MPa。

图2 渗流筒

3 泥浆性能指标分析

已有研究表明，泥浆最主要的性能指标为黏度和相对密度，其直接决定了泥膜形成速率及质量[8]。泥浆配制初期，黏度随着时间增加而增大，因此实际施工过程中通常提前配制泥浆，以满足施工要求。共配制8种不同配合比泥浆(见表3)，研究膨润土、黏土、制浆剂对泥浆性能指标的影响。测得1～8号配合比下泥浆相对密度分别为1.07，1.07，1.06，1.07，1.07，1.07，1.06，1.05，可知黏土含量对相对密度的影响较大[9]。

表3 泥浆配合比

为研究泥浆黏度随时间增长情况，定期对泥浆黏度进行测试，结果如图3所示。由图3可知，不同配合比下，泥浆配制完成24h内，黏度随时间增长较明显；泥浆配制完成24h后，黏度随时间增长较缓慢。1，3号配合比下，泥浆黏度较大，24h黏度均>45s。仅制浆剂掺量不同时，随着制浆剂掺量的增加，泥浆黏度逐渐增大，表明制浆剂可提高泥浆黏度。由7，8号配合比泥浆黏度变化曲线可知，膨润土对泥浆黏度的提升作用较小。由6，7号配合比泥浆黏度变化曲线可知，黏土掺量对泥浆黏度的影响最小。

图3 不同配合比下泥浆黏度随时间增长曲线

为进一步研究制浆剂对泥浆黏度的影响机理，对泥浆含砂率进行测量，测得1，2，4，5，6号配合比泥浆24h黏度下含砂率分别为17%，8%，5.5%，7.5%，2%。

试验结果表明，1，2，4，5号配合比泥浆除含有一定颗粒物外，还含有较多的絮状物质，这是由于制浆剂所含矿物质具有极强亲水性，结合膨润土颗粒后形成较多的絮状物质，这是泥浆黏度的主要来源[10]。絮状物质含量随着制浆剂含量的增大明显增多，即1号配合比泥浆絮状物质含量最多，体积含量约为17%；6号配合比泥浆絮状物质含量最少，基本不含絮状物质。

4 泥浆形成效果分析

已有研究表明，在细颗粒含量较大的地层中，泥浆黏度相比含砂率对泥膜形成效果的影响更大[11]。为进一步研究泥浆黏度对泥膜形成效果的影响，在1，2，5，7号配合比泥浆24h黏度下，开展原状土加压试验。

为防止细颗粒土体在渗流过程中流失，在地层下铺设15cm厚机制石英砂(粒径1～2mm)垫层，并在垫层上铺设20cm厚原状土(见图4)。渗流筒底部设有出(进)水口，筒盖设有进气口。原状土铺设完成后，首先通过下方进水口输水，使地层达到饱水状态，关闭阀门并装填8cm高泥浆；然后放置渗流筒筒盖，并用螺栓拧紧；最后连接加压装置，开始试验。

图4 泥浆加压示意

加压装置连至进气口后，打开出水口阀门，开始加压。本试验采用氮气作为加压气体，开始加压后，以20s为时间梯度，以0.1MPa为气压梯度，以120s为静置时间梯度，以5s为读数梯度，最大加压值为0.6MPa，间隔5s读取出水口滤水量。

泥浆滤水量随加压时间变化曲线如图5所示。由图5可知，4种配合比下，泥浆均能形成有效泥膜，最终气压达0.6MPa时，滤水量已基本稳定；加压阶段滤水量增长较明显，静置阶段滤水量增长较缓慢[12]；1，2，5，7号配合比下泥浆滤水量分别为1 078，1 168，1 245，1 335mL，表明泥浆黏度对滤水量起较明显的控制作用，泥浆黏度越大，滤水量越小；气压为0.1MPa时，不同泥浆黏度下，泥浆滤水量差距较大，表明泥浆总滤水量差距主要存在于气压为0.1MPa区间内；泥浆在0.1MPa气压作用后形成较致密的泥膜，随后泥膜与地层形成整体，在气压作用下将机制砂垫层中的水挤出。综上所述，1，2，5，7号配合比下泥浆均能在圆砾原状土地层中形成质量较好的泥膜，但泥膜形成速率与滤水量存在一定差别。

图5 不同配合比下泥浆滤水量随加压时间变化曲线

将每级气压作用下泥浆滤水量Vi和最终滤水量V的比值定义为滤水比(以n表示，n=Vi/V)，计算得到气压-滤水比关系曲线，如图6所示。

图6 不同配合比下加载气压-滤水比关系曲线

由图6可知，1号配合比泥浆每级气压作用下滤水量基本相同，可知在加载初期便形成了泥膜，随后泥膜与地层形成整体；泥浆黏度越大越易形成泥膜，当黏度达一定程度时，无须加压也可形成泥膜[13]。

5 泥皮厚度分析

已有研究表明，除滤水量外，泥皮厚度也是衡量泥膜质量的参数[14]，因此，对1，2，5，7号配合比泥浆泥皮厚度进行分析，结果如图7所示。

图7 泥皮厚度

由图7可知，1，2，5，7号配合比泥浆泥皮厚度分别为6，4，2，3mm，可知5号配合比泥浆泥皮厚度最小。7号配合比泥浆黏度虽小于5号配合比泥浆，但其泥皮厚度稍厚。 2号配合比泥浆虽形成了致密的泥膜，但由于絮状物质含量较多，并在泥皮上堆积，造成泥皮厚度较大，说明絮状物质含量过多，经济性较差。

为得到泥膜形成质量和经济性均较好的泥浆，对滤水量与泥皮厚度进行综合考虑，结果如图8所示。

图8 不同配合比下泥浆滤水量-泥皮厚度关系曲线

由图8可知，1，2号配合比泥浆滤水量虽较小，但泥皮厚度较大，造成了絮状物质的浪费，所以经济性较差；7号配合比泥浆滤水量最大，且泥皮厚度较大，虽可形成泥膜，但形成速率与泥膜质量存在一定风险[15]；5号配合比泥浆泥皮厚度约为2mm，且滤水量处于中间段，考虑泥膜形成速率、质量及经济性，该配合比泥浆最适用于圆砾地层。

6 结语

1)不同配合比下，泥浆配制完成24h内，黏度随时间增长较明显；泥浆配制完成24h后，黏度随时间增长较缓慢。

2)膨润土和黏土含量对泥浆黏度的影响较有限，对泥浆相对密度的影响较大。

3)制浆剂含量对泥浆黏度的影响较大，主要通过制浆剂中所含的亲水性材料生成絮状物质实现；随着制浆剂掺量的增加，泥浆黏度逐渐增大。

4)1，2，5，7号配合比泥浆均可在圆砾原状土地层中形成泥膜，随着泥浆黏度的增加，最终滤水量减小。

5)5号配合比泥浆(黏度25s)形成的泥皮厚度最小，考虑泥膜形成速率、质量及经济性，将其确定为最适合于圆砾地层的泥浆配合比。