周中，张磊，缪林武，刘撞撞

断层破碎地层泥水盾构泥浆渗透试验研究

周中，张磊，缪林武，刘撞撞

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

为解决泥水盾构在断层破碎地层施工所需泥浆的配制问题，依托长沙地铁6号线桐文区间穿越湘江段工程，采用室内试验研究方法，对断层破碎地层泥水盾构泥浆配比、泥浆渗透及泥浆与地层适应性进行系统研究，研究结果表明：泥浆在断层破碎地层渗透时，超静孔隙水压力和滤水量稳定所需时间以及稳定后数值随着泥浆黏度、比重增大而减小，随着泥浆滤失量降低而减小；基于泥浆与地层适应性分析结果，得到泥浆配比为水:黏土:膨润土:羧甲基纤维素:腐殖酸钠=720:131:73:3.6:1.8；得到泥浆特性值泥浆黏度为30~35 s，泥浆比重为1.133~1.145 g/cm3，泥浆滤失量在13.5 mL以下；以NDSY-3型泥浆在断层破碎地层渗透试验为研究对象，利用荧光素对泥浆渗透路径进行研究，得出泥浆渗透模型。

泥水盾构；泥浆特性；泥浆渗透；泥浆配比；室内试验

我国经济发达城市正在运用盾构施工技术修建地铁以减轻城市交通拥堵问题，而以往盾构隧道施工经验表明，由于卵石地层、断层破碎地层载力低、渗透系数大、自稳能力较差的特点，盾构机在该区域掘进时，地表经常发生塌陷，造成不均匀沉降，使得邻近构筑物发生开裂、下沉，甚至结构损毁，给盾构掘进施工带来很大的安全风险[1-6]。为保证开挖面稳定，降低盾构施工风险，国内外学者对与开挖面稳定性密切相关的泥浆特性进行了大量研究。在开挖面上形成泥膜是保证开挖面稳定的重要一环，在不同粒径地层条件下进行泥浆渗透试验，MIN等[7]发现泥浆成膜的渗透类型可以通过地层平均孔径与泥浆代表粒径d的比值确定。陈仁朋等[8]建立了在开挖面上设置微透水泥膜的二维数值模型，认为有效泥浆压力越大，孔压在泥膜和失稳区以外地层的下降幅度就越大，对维持开挖面稳定的贡献越小。Watanabe等[9]以强渗透地层为试验条件进行泥浆渗透实验，发现将细砂颗粒加入泥浆中可以明显降低泥膜形成时的滤水量，这说明泥浆密度与滤失量联系紧密，且泥浆密度越大，滤失量越小，泥膜形成质量越好；叶伟涛等[10]以福州地铁泥水盾构穿越中粗砂层为工程背景，开展泥浆成膜室内试验，结果表明：黏度对试验最终滤水量的影响小于相对密度的影响；随着泥浆中含砂率的增加，试验最终滤水量先减小后增大。曹利强等[11]选择粒径及级配不同的3种地层进行室内有压泥浆渗透地层模型试验，研究发现，对于砂土地层，其渗透系数是影响泥浆渗透深度及泥膜质量的重要因素，渗透系数分别与泥浆渗透深度及滤水量呈线性相关关系。张宁等[12]以南京纬三路过江通道为背景，选取隧道穿过的4种砂性地层进行泥浆成膜试验，结果表明：密度小于1.05 g/cm3的泥浆不适于在砂性地层中成膜；当泥浆黏度大于20 s时，膨润土浆对泥浆黏度有明显的调节作用。闵凡路等[13]以南京长江隧道泥水盾构在砾砂地层中掘进为工程背景，针对高渗透性地层中泥浆配制及成膜问题，开展了室内试验，结果表明：泥浆中黏粒含量越高，调制泥浆时所消耗的增黏剂越少，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。李永刚[14]以南宁地铁1号线广西大学−白仓岭站盾构区间盾构施工为背景，对泥水平衡盾构机在富水强渗透性圆砾地层掘进施工中的泥浆性能进行分析，提出了在该地层中的泥浆性能指标：泥浆的密度宜控制在1.07~1.15 g/cm³，泥浆黏度为24~32 s左右，泥浆失水量为12~14 mL。陈爽[15]采用高分子材料和废浆进行卵石−砾石复合地层的泥浆配比试验，结果表明：高分子材料和废浆制备的复合泥浆能够在卵石−砾石层开挖面形成优质泥膜，提高开挖面稳定性，降低施工风险。目前国内外学者通过渗透试验研究盾构泥浆在卵石及中粗砂等地层渗透时泥膜形成情况和滤水量变化规律等以评价不同配比泥浆在该地层适用性，但利用渗透装置对泥浆在断层破碎这一特殊地层中的渗透规律及适用性研究较少，故有必要研究配制出适用于泥水盾构在断层破碎地层施工的泥浆，并给泥水盾构在类似地层施工时泥浆配制提供借鉴。长沙地铁6号线桐文区间水下长距离穿越湘江断层破碎地层、风化深槽地层和砂卵石地层等，而江中断裂带影响范围岩层破碎，渗透性强。本文依托长沙地铁6号线桐文区间下穿湘江段工程，对断层破碎地层泥水盾构泥浆渗透试验进行研究。

1 泥浆成膜试验

1.1 试验目的

利用自主设计泥浆渗透试验装置，研究不同泥浆黏度、泥浆比重、泥浆滤失量泥浆在断层破碎地层中渗透时滤水量和超静孔隙水压力变化规律，并以此为依据分析试验泥浆与断层破碎地层适应性。

1.2 试验装置

本试验装置是一种研究复杂地层泥水盾构泥膜形成室内试验系统，见图1，主要包括地层模拟系统、盾体、加压系统、注浆系统和测量系统。该试验系统使用方法如下：通过地层模拟系统，将常水头模拟装置控制稳定水头高度，使土箱内试验土体饱和，经注浆系统将配制好泥浆通过注浆孔注入泥水仓，关闭注浆孔打开空气压缩机，通过调压阀在气压仓形成恒定气压，打开止动阀门，通过可移动活塞，给泥水仓内泥浆提供泥浆压力，泥浆通过刀盘上孔隙进入实验土层，在刀盘前方形成泥膜，通过测量系统记录泥膜厚度、土体超孔隙水压力和滤水量从而为评价泥浆在断层破碎地层中适应性提供依据。泥浆渗透试验装置实景图见图2。

1—土箱，2—出水孔，3—进水孔，4—超孔隙水压力监测孔，5—注浆孔，6—进气孔，7—盾壳，8—气压仓，9—泥水仓，10—刀盘，11—气压表，12—止动阀，13—毫米刻度尺，14—泥浆管，15—大水箱，16—小水箱，17—小型抽水泵，18—进水阀，19—排水阀，20—量筒，21—U型压力计，22—砂卵石滤层，23—试验土层，24—泥膜，25—空气压缩机，26—调压阀，27—固定活塞，28—可移动活塞，29—滤网，30—泥浆。

图2 泥浆渗透试验装置实景图

1.3 试验参数

1.3.1 试验土层颗粒级配

将试验土样干燥处理，随后采用筛分法对土样进行颗粒分析，筛分得到试验土层颗粒级配曲线，见图3。

试验土层中土颗粒粒径相差较悬殊，土颗粒不均匀，且该土层孔隙率大，土质松散，土层中碎石含量多，土层自稳能力非常差，具有较差工程性质。

图3 试验土层颗粒级配曲线

1.3.2 试验泥浆参数

为研究泥浆特性对渗透性影响，配制7组特性指标不同泥浆进行试验。NDSY-1，NDSY-2和NDSY-3黏度不同，比重和滤失量相同；BZSY-1，BZSY-2和BZSY-3比重不同，黏度和滤失量相同；LSLSY-1，LSLSY-2和LSLSY-3滤失量不同，黏度和比重相同；NDSY-1，BZSY-1和LSLSY-1为同一泥浆。泥浆配比及其特征指标见表1。

表1 泥浆配比及其特性指标

1.3.3 试验土层渗透系数

利用常水头试验测土层渗透系数如表2所示。

表2 常水头渗透试验参数

1.4 试验结果

1.4.1 黏度对泥浆渗透性能影响

如图4泥浆在地层渗透时，超静孔隙水压力在注浆前期迅速降低，而滤水量则快速增大，待注浆进行200~300 s左右趋于稳定状态，但不同黏度泥浆渗透产生超静孔隙水压力和滤水量的变化速率、稳定所需时间以及稳定后数值有差异，超静孔隙水压力与滤水量稳定所需时间从长到短依次为NDSY-1，NDSY-2和NDSY-3，稳定后数值从大到小依次为NDSY-1，NDSY-2和NDSY-3，超静孔隙水压力分别为2.73，2.54和2.39 kPa；滤水量分别为931.6，784.3和642.3 mL；3组泥浆在地层中渗透均形成泥膜，且泥膜厚度从小到大泥浆依次为NDSY-1，NDSY-2和NDSY-3，数值分别为3.3，3.5和4.1 cm，即黏度越大，最终形成泥膜越厚。

图4 不同泥浆黏度超静水压变化

图5 不同泥浆黏度滤水量变化

1.4.2 比重对泥浆渗透性能影响

如图6~7，泥浆渗透时，各点位超静孔隙水压力迅速增大，在渗透进行前90 s快速降低，90~180 s降低速度减缓，180~200 s左右趋于稳定。超静孔隙水压力和滤水量的变化速率、稳定所需时间从快到慢依次为BZSY-3，BZSY-2和BZSY-1，稳定后数值从大到小依次为BZSY-1，BZSY-2和BZSY-3，其中滤水量分别为958.6，701.6和511.5 mL。此外，泥浆渗透成膜厚度不同，依次为3.3，3.8和4.4 cm，即形成泥膜厚度随着泥浆比重增大而变大，这是因为泥浆比重越大，泥浆中细颗粒含量越多，能够越快填满土层中间隙，减少渗入土层滤水，相对于泥浆黏度，泥浆比重对其渗透性质影响更大。

图6 不同泥浆比重超静水压变化

图7 不同泥浆比重滤水量变化

1.4.3 滤失量对泥浆渗透性能影响

如图8~9，随着滤失量的减少，泥浆在地层中渗透产生的超静孔隙水压力到达稳定状态所需时间以及稳定后的数值依次减少，但差别不大，数值分别为2.73，2.40和2.00 kPa，同时泥浆在地层中渗透产生的最终滤水量也依次减少，最终滤水量依次为958.6，765.7和622.8 mL；3组滤失量不同泥浆在地层中渗透均能形成泥膜，但形成泥膜的厚度不同，分别为3.3，3.7和4.2 cm。以上数据说明泥浆滤失量越低，泥浆在地层中渗透形成泥膜所需时间越短，形成泥膜致密性越好，但相差不大，即降低泥浆滤失量可以在一定程度上减少泥膜形成时间并提高泥膜致密性，但滤失量不是控制泥膜形成的关键因素。

图8 不同泥浆滤失量超静水压变化

图9 不同泥浆滤失量滤水量变化

1.4.4 泥浆渗透模型

泥浆渗透模型如图10所示，以NDSY-3型泥浆渗透试验为例，对渗透试验后的掌子面分7层开挖，观察、记录并汇总分层开挖后各层泥膜形成情况，最终得出整个掌子面的泥浆渗透模型。各层开挖面泥膜形成厚度从上至下依次为3.7，4.1，4.2，4.4，4.5，4.6和4.5 cm。泥浆在断层破碎地层渗透模型如图11所示。

(a) 第1层泥膜，3.7 cm；(b) 第2层泥膜，4.1 cm；(c) 第3层泥膜，4.2 cm；(d) 第4层泥膜，4.4 cm；(e) 第5层泥膜，4.5 cm；(f) 第6层泥膜，4.6 cm；(g) 第7层泥膜，4.5 cm

图11 泥浆渗透模型图

2 泥浆与地层适应性分析

泥浆在地层渗透形成泥膜质量是评价泥浆与地层适应性主要标准，而泥膜质量与成膜过程中超静孔隙水压力、滤水量以及泥膜厚度有关[6]，且超静孔隙水压力达到稳定状态时所需时间越短且数值越小，则泥膜越致密，泥膜质量越好。在泥浆渗透成膜过程中，滤水量会引起泥浆压力折减，故泥膜形成时间越长、滤水量越大，则形成泥膜的抗渗性越低，泥膜致密性越差，泥膜质量越差。最后，泥浆渗透过程中形成泥膜厚度也能反映泥浆与地层的适应性程度，泥膜厚度越大，泥浆与地层适应性越高。

如图12，泥浆在地层渗透时超静孔隙水压力从减小到稳定所需时间及稳定后数值从小到大分别为BZSY-3，LSLSY-3，NDSY-3，LSLSY-2，BZSY-2，NDSY-2和NDSY-1，说明上述各组泥浆在地层渗透均形成泥膜，且超静孔隙水压力从降低到稳定状态所需时间越短，形成泥膜时间越短，此外，稳定后超静孔隙水压力越大，地层受到的扰动越大，泥浆压力的利用率减小，形成泥膜的致密性降低，形成泥膜质量越差。故以超静孔隙水压力为依据，泥浆与地层适应性从高到低的泥浆依次为BZSY-3，LSLSY-3，NDSY-3，LSLSY-2，BZSY-2，NDSY-2和NDSY-1。

图12 超静孔隙水压力随时间变化图

图13 滤水量随时间变化图

如图13，滤水量在泥浆渗透时从增加到稳定所需时间及稳定后数值从小到大为BZSY-3，BZSY-2，NDSY-3，LSLSY-3，LSLSY-2，NDSY-2和NDSY-1，泥浆在地层渗透成膜时滤水量越低，形成泥膜抗渗性越好，泥膜质量越好，泥浆与地层的适应程度越高，故以滤水量为依据，泥浆与地层适应性从高到低的泥浆为BZSY-3，LSLSY-3，NDSY-3，BZSY-2，LSLSY-2，NDSY-2和NDSY-1。此外，各组泥浆在地层中渗透形成泥膜厚度从大到小依次为BZSY-3，LSLSY-3，NDSY-3，LSLSY-2，BZSY-2，NDSY-2和NDSY-1；而泥膜越厚，泥膜透水性越差，泥浆在地层中的适应性越好。故以泥膜厚度为依据，泥浆与地层适应性从高到低的泥浆依次为BZSY-3，LSLSY-3，NDSY-3，LSLSY-2，BZSY-2，NDSY-2和NDSY-1。

综上所述，综合考虑超静孔隙水压力、滤水量以及泥膜厚度三大影响泥膜形成的主要因素后，可以得到各组泥浆对地层适应性程度从高到低依次为BZSY-3，LSLSY-3，NDSY-3，LSLSY-2，BZSY-2，NDSY-2和NDSY-1。基于上述泥浆与地层适应性分析结果，得到断层破碎带泥水盾构泥浆配比参考值为水:黏土:膨润土:羧甲基纤维素:腐殖酸钠=720: 131:73:3.6:1.8；得到断层破碎带泥水盾构泥浆特性参考值为泥浆黏度30~35 s，泥浆比重1.133~ 1.145 g/cm³，泥浆滤失量在13.5 mL以下。

3 结论

1) 泥浆在地层中渗透时，超静孔隙水压力和滤水量稳定所需时间以及稳定后的数值随着泥浆黏度、比重增大而减小，随着泥浆滤失量降低而减小。

2) 基于泥浆与地层适应性分析结果，得到断层破碎地层泥水盾构泥浆建议配比为水:黏土:膨润土:羧甲基纤维素:腐殖酸钠=720:131:73:3.6:1.8。

3) 得到断层破碎地层泥水盾构泥浆特性建议值为泥浆黏度为30~35 s左右，泥浆比重为1.133~ 1.145 g/cm³左右，泥浆滤失量在13.5 mL以下。

4) 以NDSY-3泥浆在地层渗透为研究对象，利用荧光素对泥浆在断层破碎带地层的渗透路径进行研究，得出泥浆在断层破碎带地层中的渗透 模型。

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Mud permeation tests of slurry shield in fault fractured stratum

ZHOU Zhong, ZHANG Lei, MIAO Linwu, LIU Zhuangzhuang

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to solve the problem of mud preparation suitable for slurry shield construction in fault fractured stratum, this paper carried out a number of laboratory tests for the Tongwen Section of Changsha Metro Line 6 crossing the Xiangjiang River. A systematic study was made on mud proportioning, mud permeability and the adaptability of mud and stratum in fault fractured stratum. The results show that when the mud seeps through the fault fractured stratum, the time required for the stability of excess pore water pressure and filtration volume and the value after stabilization decreases with the increase of mud viscosity and weight, and decreases with the decrease of mud filtration vector. Based on the analysis results of mud and formation adaptability, the ratio of mud is water:clay:bentonite:CMC:sodium humate=720:131:73:3.6: 1.8.The value of mud characteristics is as follows. Mud viscosity is about 30~35 seconds. Mud weight is about 1.133~1.145 gram per cubic centimeter, and the mud filtration vector is below 13.5 mL. Taking the permeability test of NDSY-3 mud in fault fractured stratum as the research object, the permeability path of mud was studied by fluoresce in, and the permeability model of mud was obtained.

slurry shield; mud characteristics; mud penetration; slurry ratio; laboratory test

U45

A

1672 − 7029(2020)03 − 0682 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190404

2019−05−13

国家自然科学基金资助项目(50908234)

周中(1978−)，男，河南汝南人，副教授，博士，从事隧道与地下工程等研究；E−mail：369144091@qq.com

(编辑 阳丽霞)