王 奇 朱东元

(河海大学 土木与交通学院， 南京 210098)

泥浆密度对形成泥膜所需泥浆量的影响

王 奇 朱东元

(河海大学 土木与交通学院， 南京 210098)

在泥水盾构施工中，为平衡掌子面前方土水压力，通常采用喷洒泥浆，使得泥浆向开挖面地层渗透，从而形成泥膜．本文通过实验室内模拟泥浆成膜，开展了一系列不同泥浆密度下的泥浆成膜试验．试验表明：当泥浆成膜时，所需泥浆量随着泥浆密度的增大而减小．

盾构施工； 泥膜； 泥浆密度； 泥浆消耗量

18世纪中叶，英国伦敦泰晤士河的水下隧道施工是人们首次采用盾构法施工，隧道断面为矩形，宽11.4 m，高6.8 m．自此以后，人们不断对盾构机进行技术和设计上的改进．现如今常用的盾构机分为两大类型：土压平衡盾构和泥水加压盾构．土压平衡盾构适应地层范围广，且造价低，因而被广泛使用．泥水盾构安全性好，因此多被用于跨江跨海的隧道工程中，如武汉长江隧道、上海沪崇苏隧道、狮子洋隧道、南京长江隧道(纬七路)、南京长江隧道(纬三路)等均采用泥水盾构进行修建．因泥水盾构常用于长距离隧道施工中，因此刀盘通常磨损严重，经常需要在隧道中停机进行刀盘更换作业，因场地所限，不可能做到在盾构停机处四周进行土体加固．现有施工技术中多采用在隧道内部，气压平衡土水压力进行带压开仓换刀的作业方法，其稳定原理如图1所示．采用气压平衡掌子面前方的泥水压力关键问题在于气压的成功施加，掌子面为稀疏多孔介质，倘若不对掌子面加以处理，则气体将会穿过掌子面逃逸导致无法施加气压，为避免这种情况的发生，通常采用在盾构机刀盘前方喷洒泥浆，并施加压力使得泥浆在土层表面形成一层泥膜，依靠泥膜的闭气能力来保证气压的顺利施加．

图1 泥水盾构工作面稳定机理

目前，已有许多国内外学者对泥水盾构施工时泥膜的问题进行了研究．闵凡璐等针对高渗透性地层中泥浆配置及成膜问题，开展了室内试验，并对现场泥浆配制进行了调研．结果表明：泥浆中黏粒含量越高，泥浆的物理稳定性越好，泥膜形成过程中泥浆的滤失量越少，形成的泥膜渗透系数越小[1]．陈芝春等在穿黄隧洞盾构施工过程中，基于泥水平衡盾构施工原理与穿黄工程的地层特性、地下水特点，针对泥浆配置与性能优化问题展开试验研究，提出了适于穿黄工程不同地质条件和地层特点的泥浆配置技术[2]．泥浆向开挖地层渗透，逐渐形成泥膜．泥膜不但起到“止水”的效果，而且本身也具有一定的力学性质，孔祥鹏等以过滤模型为基础，假设泥膜为弹性介质，利用弹性模量的定义，求解出了泥膜的弹性模量[3]．刘成等将泥膜一维模型拓展为二维模型，基于增量分析方法分析泥膜的增长规律，给出泥膜滤失量和厚度分别与位置、时间、重度比和盾构直径等因素的关系．结果表明，修正的剑桥模型能够较好地表征泥膜压缩固结特性[4]．王俊等以南京地铁10号线穿越长江隧道为研究对象，采用离散元数值模拟与室内模型试验相结合的方法研究了砂卵石地层条件下，大断面泥水盾构隧道施工过程中泥膜生成-破坏-再生成的动态过程以及泥浆渗透范围，探讨了不同泥水压力条件下盾构施工对周围环境的影响[5]．韦良文等以复兴东路越江隧道工程为工程背景，通过室内泥浆的特性实验及微观分析并结合工程现场试验和监测数据分析，通过PMS泥水体系与原有泥水体系工程中应用效果对比，发现PMS泥水体系能快速形成高质量的泥膜[6]．Fanlu Min等基于室内试验将泥膜分为：“泥皮型”、“渗透带型”、“泥皮+渗透带型”3种类型，对泥浆在地层中的渗透类型进行了划分[7]．

翻阅相关文献发现，对形成泥膜所消耗泥浆量的研究为数不多，归纳原因在于实际施工中对于成膜所需泥浆用量难以精准统计．为确保形成泥膜常常超量喷洒泥浆，导致实际成膜所需泥浆量难以定量分析．泥膜的形成与泥浆的密度、压力差等因素有关．本文从泥浆密度的角度出发，采用可精确控制泥浆用量的室内试验的方法研究形成泥膜所需的泥浆量．通过自制的泥浆成膜装置，采用5组不同的泥浆，分别在4组不同压力差条件下开展成膜试验，分析泥浆密度对泥浆成膜所需泥浆量的影响．以期为泥浆制备及泥浆压力的设定提供依据．

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

泥膜闭气装置图如图2所示．

图2 泥膜闭气装置图

1.2 试验材料

1.2.1 泥浆材料

膨润土是组成泥浆的最主要的成分，使泥浆具有一定的密度和粘度，通过向纯膨润土泥浆中添加不同重量的经过筛分得到的粉土颗粒，来改变泥浆的密度和级配，配制了5组不同的泥浆作为试验泥浆．试验所用膨润土及泥浆填充料如图3～4所示，泥浆性质见表1．

图3 试验所用膨润土 图4 试验所用膨润土泥浆填充料

泥浆编号泥浆比重/(g·cm-3)泥浆粘度/s填充材料d85/μmSL11.10932加粉土d50<90μm64.2SL21.16841加粉土d50<90μm68.1SL31.21451加粉土d50<90μm65.9SL41.27860加粉土d50<90μm75.7SL51.22355加粉土d50<90μm88.4

1.2.2 地层材料

试验所用地层为天然砂土，并通过颗粒筛分仪测得地层中各粒径的粒径含量见表2．粒径分布曲线图如图5所示．

图5 粒径分布曲线图

粒径4.75～2.362.36～1.181.18～0.60.6～0.30.3～0.150.15～0.075<0.075总计质量6.28.517.4162.6250.4210.556.1711.70百分比/%0.871.192.4422.8535.1929.587.88100.00

1.3 试验方法

1)在仪器中装入大约5 cm高，颗粒大小均匀的滤层．

2)将预制好的砂土样装入试验装置，分层捣实，并从下部排水管缓缓注水，饱和地层，并用铁丝网固定，防止地层倒塌．

3)将预先调配好的泥浆缓慢注入试验装置中．注浆完毕后，密封仪器，打开左侧进气阀，注入稳定值气压，模拟地层中掌子面前方的土水压力．

4)将左侧有机玻璃筒密封后放倒，为防止喷洒泥浆过程中可能会出现的流砂现象，在放倒时，使仪器倾斜，与水平方向呈约30°的角度．关闭左侧空压机，打开右侧空压机，泥浆在右侧空压机中压力的作用下，逐渐克服土水压力形成稳定泥膜．

5)打开排水阀门同时打开排浆阀门，排出多余的泥浆，称量由排浆阀所排出的泥浆质量．

2 试验结果及分析

泥膜的形成与泥浆的密度、压力差等因素有关，压力差的存在是保证泥膜形成的前提．泥浆在压力作用下克服地层中的土水压力向掌子面前方渗透，在渗透过程中，细颗粒堵塞地层中的孔隙通道，使得泥浆在地层表面得以积累，从而形成泥膜．采用单因素变量法，在压力差保持不变的前提下，分别进行不同泥浆密度的试验．为避免试验结果的偶然性，对压力差加以改变，开展多组压力差下泥浆成膜试验．表3为不同压强作用下，开展不同泥浆密度试验的泥浆消耗量．图6为根据表3数据所绘制的不同压强下，成膜试验泥浆消耗量与泥浆密度的关系曲线．

表3 成膜试验的泥浆消耗量

图6 泥浆消耗量与泥浆密度的关系曲线

泥浆在地层中渗透完成后，泥浆颗粒在地层表面的堆积形态可以分为：泥皮型、泥皮+渗透带型、无泥皮或渗透带3种类型[7]，本次试验中所形成的泥膜均为泥皮型泥膜(如图7所示)．少量泥浆细颗粒渗透入地层中，大量泥浆颗粒聚集在地层表面，经气压压密在地层表面形成一致密层，致密层的存在防止了气压向地层中渗入，使得土压舱中采用气压平衡掌子面前方的土水压力成为可能．由图6可以看出，当压强保持不变时，随着泥浆密度的增大，泥浆在地层中成膜所消耗的泥浆量在减少．不同压力下的试验结果均证实了该规律的存在．但泥浆并不是在试验中最大密度1.278 g/cm3处达到最小消耗量，而是在泥浆密度为1.223 g/cm3时，泥浆消耗量达到最低．该实验表明泥浆成膜存在一个最佳成膜密度，超过该密度以后，随着泥浆的密度增大，泥浆成膜所需泥浆量反而增加．从图6还可看出，在同一密度下，随着压强的增大，泥浆成膜所需泥浆量逐渐减少．

图7 泥膜图

3 结论与建议

1)泥浆在地层中有压渗透，容易形成泥皮型泥膜，渗透带型泥膜的形成需要对地层的颗粒级配与泥浆的颗粒级配加以综合分析．泥膜的实质是泥浆中的细颗粒在地层中运动，使得地层中的土颗粒空隙被泥浆中的细颗粒所填充，填充到一定程度后，堵塞运动通道，使得泥浆在地层中不再运动，并在地层表面形成致密的泥浆层．

2)泥膜的形成与泥浆密度、泥浆黏度、压强、地层颗粒级配等多种因素有关，在保证泥浆能够成膜的前提下，通过增大泥浆密度，可有效减少成膜所需泥浆用量．

3)本次试验中，并未开展泥膜闭气时间及闭气值的研究，在下次试验中，应进行进一步研究．并将其与工程实际结合起来研究，从而更好地解决工程实际问题．

[1] 闵凡路，徐静波，杜佳芮，等．大直径泥水盾构砾砂地层泥浆配制及成膜试验研究[J]．现代隧道技术，2015，52(6)：141-146．

[2] 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]．水电与新能源，2015，35(4)：5-8．

[3] 孔祥鹏，白 云，徐冬洪．泥水盾构开挖面泥膜的弹性模量[J]．地下空间与工程学报，2012，8(2):307-310．

[4] 刘 成，孙 钧，赵志峰，等．泥水盾构泥膜形成二维理论分析[J]．岩土力学，2013，34(6):1593-1597．

[5] 王 俊，何 川，封 坤，等．砂卵石地层中大断面泥水盾构泥膜形态研究[J]．现代隧道技术，2014，51(6):108-115．

[6] 韦良文，张庆贺，邓忠义．大型泥水盾构隧道开挖面稳定机理与应用研究[J]．地下空间与工程学报，2007，3(1):87-91．

[7] Fanlu MIN， Wei ZHU， Cheng LIN, et al． Opening the Excavation Chamber of the Large-Diameter Size Slurry shield:A Case Study in Nanjing Yangtze River Tunnel in China[J]．Tunnelling and Underground Space Technology 2015,46:18-27．

[责任编辑 王康平]

Effect of Slurry Density on Slurry Consumption in Slurry Shield Tunneling

Wang Qi Zhu Dongyuan

(College of Civil & Transportation Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

During slurry shield tunneling, usually the pressed slurry is taken to build up a filter-cake to protect the working face. In this paper ,we use self-developed apparatus to study the filter cake under different slurry densities. Test results indicate that when slurry density increases, slurry consumption decreases.

shield tunneling; filter cake; slurry density; slurry consumption

2017-01-04

国家自然科学基金资助项目(51378176)

王 奇(1993-)，男，硕士，主要研究方向为盾构隧道．E-mail： 945724015@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.014

TU753.7

A

1672-948X(2017)03-0062-04