胡敏+张潇+胡昱璐+梅笑冰+王翔宇+汤沁

摘要：合理的泥浆配比及泥浆参数直接关系到盾构掘进的效率、安全及施工成本。根据不同的条件选择经济、合理的泥浆配合比，成为当前泥水平衡盾构施工中的一个难题。而泥水系统中泥膜的形成对盾构开挖面的稳定性起着极其重要的作用，文章主要在两种均一土层和一种复合土层土质条件下通过改变泥浆比重和黏度，以及对泥浆指标的控制及对添加剂和用量的选择，分别配置不同泥浆即改变泥浆比重及黏度，然后测量滤水量，并测量泥膜厚度。

关键词：泥水盾构；泥浆配比；泥浆特性；泥浆配制；滤水量

1引言

随着我国铁路、公路、水利、城市轨道交通等事业的发展，泥浆在盾构施工中主要起到维持开挖面的稳定、携渣、润滑掘削设备、减少管路磨损等作用。泥水盾构就是在机械式盾构刀盘的后方设置一道封闭隔板，通过在隔板与刀盘之间的密封空间泥水舱中注入适当压力的泥浆，当加压泥浆渗入开挖面前方土层中，在开挖面形成渗透性非常小的一层泥膜，支承正面土体，使得泥水压力有效作用于开挖面产生平衡前方水土压力的泥水平衡效果。泥水盾构泥浆有两大功能，一是保证开挖面稳定，二是顺利输送出开挖碴土。同时，不透水的泥膜将部分泥浆压力转化为有效应力作用在开挖面上，支护开挖面土体，地下水无法涌入泥水舱，起到稳定开挖面的作用。所以在泥水盾构施工过程中，泥膜的形成质量对于保证开挖面的稳定和安全顺利掘进有着至关重要的作用.[1]正是由于泥浆对开挖面的特殊支承作用以及开挖面的泥膜稳定机理，使得泥水盾构工法在各种并行不悖的隧道施工法相互比较和竞争中，显示了强大的优势。[2]

2 试验方法与材料

本文以实验的方式来探究各种均质土层和复合土层情况下，在泥水盾构中泥浆形成泥膜的过程中，泥浆的性质对泥膜形成的影响，本实验所使用的实验仪器见图1成膜装置由①出水口 ②溢流口③活塞④筒体⑤细管等组成，该装置呈圆柱形，由有机玻璃制成，内径为200mm，高为500mm，周围四根细管用来观测土体是否饱和。

本试验所用相关材料主要是用来配制各种泥浆，包括钠基膨润土，黏土，酒精，碱粉，及羧甲基纤维素纳（简称CMC），和其中CMC用于调节泥浆黏度，钠基膨润土以及黏土均会影响泥浆比重，碱粉用于调节泥浆化学性质，泥水PH值为7～10表明泥水无正离子污染，超过该界限则表明泥水存在正离子污染。黏度和比重测定将会使用NB-1型泥浆比重计和1006型漏斗黏度计。根据汤沁的研究[3]：

（1）在粘土地层中，合适的泥浆密度在1.1～1.2kg/m3左右，泥浆黏度在20s左右。（2）在砂土地层中，合适的泥浆密度在1.2～1.3kg/m3左右，泥浆黏度在23s左右。以此为基准我们配置质量更好的泥膜，泥膜质量的指标在韩晓瑞[4]的在试验室我们以滤水量的大小评价泥膜质量：泥膜形成过程中泥浆滤失量小说明泥膜容易形成，泥膜形成后滤水量小说明泥膜致密，两者均小则说明泥膜质量良好。

实验土层我们主要选用了三种土层，①粒径<5mm的黏土地层，取自周边较为常见的黏土地层，烘干再砸碎②粒径<2mm的细砂土层③由黏土和砂土对半混合的复合土地层。

实验步骤：（1）在出水口处放一张滤纸；准备滤水砂层：铺一层4cm厚的粒径为2～6mm的卵石层在仪器底部，并在上部铺一层土工布；

（2）关闭出水口和溢流口阀门，为防止堵塞，各个细管接口上放一张滤纸；

（3）将试验地层放入装置中，振捣压实；

（4）用工具引流，慢慢往装置中注水饱和地层；

（5）配制泥浆，搅拌均匀后静置水化；

（6）待细管的水位上升到与灌入的水位齐平后，再等待两小时饱和（不同土层有不同的饱和时间），打开装置溢流口和出水口，将装置中水分排出。

（7）排干净后，关闭溢流口和出水口。细管中水位与地层高度齐平。给活塞包上湿润的土工布。

（8）将准备好的泥浆搅拌均匀后，使用引流工具慢慢倒入试验地层上，直到指定刻度，厚5cm。

（9）打开出水口，下方放玻璃试管。并进行计时，每1分钟或倍数换一只试管，读数后将滤水倒入量杯中。在之后的实验中改进了这一方法，将电子称直接放置在出水口下方。

（10）待每组试管读数一致时，泥膜已经形成。

（11）关闭所有阀门，小心将上部泥浆清除后，将泥膜切块取出，观察泥膜形成状态，测量泥膜厚度。

3 实验结果分析

（1）砂土我们做了两组，我们改变了泥浆的性质作为对比，具体配比见表1，数据见表2

泥膜形态如下图2

由实验一二的对比可知，黏土量的提高有利于比重和黏度的增加，从而更快形成泥膜。且由图中泥膜形态可知，第二组泥膜均为均匀，砂土泥浆要求为比重处于1.2～1.3g/cm3，黏度要求为23s左右。

（2）黏土较为复杂，相比砂土，土层的饱和是关键，可根据本仪器的四根细管中的水位判断，若在同一水平面，则饱和了，若在实验中易出现未饱和，而导致滤水量过大的问题，我们做了三组实验，在不同的泥浆条件下，配比及结果如下表3，表4所示

泥膜的形态如下图：

通过对比这三组实验：

①由实验一、二对比知，黏土的增加有利于比重、黏度小范围的增加，对泥膜的形成有利。②由实验一、三对比知，膨润土的增加对黏度的增加显著，对于加快泥膜形成有利。③由实验二、三对比知，黏土与膨润土对泥浆比重影响接近，膨润土对黏度影响更大，更利于泥膜形成。

小结：粘土的泥浆要求比重处于1.1～1.2g/cm3，黏度在20s左右。

（3）本组实验为探索性实验，我们用隔板将两种土层均匀依次的填充到实验仪器中，然后加水饱和8小时以上，我们做了四组实验，泥浆配比及结果如下表5，表6

四组实验互相对比可得以下结论

由实验一、二对比得，比重不变，黏度提升有利于泥膜形成。

由实验一、三以及实验二、四对比得，黏度不变，比重的提升有利于泥膜形成。

由实验一、四对比得，比重和黏度的同时提升有利于泥膜形成。

由实验三、四对比得，比重不变，适应黏土的泥浆黏度有利于泥膜形成。

小结：复合土泥浆要求为比重处于1.2～1.3g/cm3，黏度要求为21s左右。

4 结论

通过以上若干实验，我们对泥浆泥膜成形实验，我们出于对土层孔隙大小以及透水性的考虑，可以得到以下结论：

（1）砂土泥浆要求为比重处于1.2～1.3g/cm3，黏度要求为23s左右。小比重或小黏度会导致泥膜厚度过低。

（2）黏土的泥浆要求比重处于1.1～1.2g/cm3，黏度在20s左右。大比重或大黏度会导致泥膜形成时间过久。

（3）复合土层出于对两种土层的综合考虑，泥浆要求为比重处于1.2～1.3g/cm3，黏度要求为21s左右。小比重或大黏度不利于泥膜形成质量和时间。

在实验中，我们也遇到了一些问题，比如在滤水量会出现三四组保持一致而后继续下降的情况，我们做了一些探索，但还是没有得到答案。

参考文献：

[1]陈芝春，张振坤，徐志强.泥水盾构施工泥膜成膜质量控制试验研究———以穿黄隧洞工程为例[J].北京：水电与新能源，2015，（130）.

[2]胡欣雨，张子新，徐营.黏性土层中泥水盾构泥浆作用对开挖面土体强度和侧向变形特性影响研究[J].南京：岩土工程学报，2009，31（11）.

[3]汤沁.泥水平衡盾构泥膜的形成与土层关系分析[D]，上海工程技术大学，2016.

[4]韩晓瑞，朱伟，刘泉维.泥浆性质对泥水盾构开挖面泥膜形成质量影响[J].中国中国科学院，2008，29.