泥水盾構(gòu)泥膜形成過(guò)程中超靜孔隙水壓力隨時(shí)間的變化

魏代偉,朱 偉,2,閔凡路

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京210098;2.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心,江蘇南京210098)

0 引 言

近年來(lái)隨著越來(lái)越多跨越江河隧道的建設(shè),泥水盾構(gòu)以其對(duì)高滲透地層良好的支護(hù)能力而得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。泥水盾構(gòu)施工時(shí),泥漿壓力是通過(guò)在開(kāi)挖面上形成的泥膜來(lái)平衡開(kāi)挖面處的土壓力和水壓力[3-4]。泥膜形成過(guò)程中泥漿中的水向地層中滲透產(chǎn)生超靜孔隙水壓力,而泥漿中的固體顆粒會(huì)淤堵地層,隨著滲透過(guò)程的進(jìn)行超靜孔隙水壓力會(huì)降低,降低的這部分會(huì)轉(zhuǎn)化成有效應(yīng)力平衡開(kāi)挖面處的土壓力,維持開(kāi)挖面的穩(wěn)定[5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)泥水盾構(gòu)開(kāi)挖面的穩(wěn)定、開(kāi)挖面處泥膜的形成及泥漿壓力設(shè)定等問(wèn)題展開(kāi)研究。Broere等在分析地層中超靜孔隙水壓力對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定的影響時(shí),發(fā)現(xiàn)地層中的超靜孔隙水壓力的產(chǎn)生會(huì)降低有效泥漿壓力、作用在土體上的有效應(yīng)力以及土體的摩擦力,滲透距離、膨潤(rùn)土泥漿的抗剪強(qiáng)度和地層特征粒徑d10對(duì)開(kāi)挖面前方超靜孔隙水壓力的大小有重要影響[6-8]。Anagnostou和Kovari在砂性土中研究開(kāi)挖面穩(wěn)定時(shí),研究表明泥漿壓力對(duì)地層的支護(hù)能力在泥漿滲透距離為零時(shí)最大,并且隨著滲透距離的增加支護(hù)能力降低,并且發(fā)現(xiàn)泥漿壓力、地層特征粒徑 d10、壓差及膨潤(rùn)土含量對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定性影響較大[9]。韓曉瑞等利用泥漿滲透實(shí)驗(yàn)裝置研究泥水加壓式盾構(gòu)泥膜形成規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)不同泥漿在地層中形成泥膜的類型可以分為兩類,即泥皮型泥膜和泥皮+滲透帶型泥膜;泥漿的漏斗粘度越高,形成的泥膜越致密,泥膜的質(zhì)量越好[10-11]。李昀等通過(guò)獨(dú)立設(shè)計(jì)的泥水平衡盾構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn),提出泥水加壓式盾構(gòu)開(kāi)挖面導(dǎo)致的地表沉降很大程度上取決于開(kāi)挖過(guò)程中泥艙壓力的浮動(dòng)范圍[12]。這些研究多集中在理論分析泥漿壓力、泥漿性質(zhì)等對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定的影響,沒(méi)有分析泥漿壓力在泥膜形成過(guò)程中泥漿壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力的方式及能力,并且從力的轉(zhuǎn)化角度揭示泥膜作用的實(shí)驗(yàn)研究還比較少。

地層中超靜孔隙水壓力的大小能直接反映泥漿壓力轉(zhuǎn)化成有效應(yīng)力的能力。當(dāng)泥漿壓力轉(zhuǎn)化成有效應(yīng)力的能力強(qiáng)時(shí),需要的額外泥漿壓力小,當(dāng)額外泥漿壓力太大時(shí),則會(huì)造成對(duì)開(kāi)挖面前方土體的過(guò)度擠壓,產(chǎn)生地面隆起或欠挖現(xiàn)象;轉(zhuǎn)化能力弱時(shí),則需要較高的泥漿壓力來(lái)支護(hù)開(kāi)挖面的穩(wěn)定,但較高的泥漿壓力又容易造成泥水艙中的泥漿穿透地層逸出。因此,探討開(kāi)挖面處超靜孔隙水壓力變化規(guī)律,對(duì)泥漿的配制及泥漿壓力的設(shè)定具有重要指導(dǎo)意義。

本文通過(guò)自行設(shè)計(jì)的壓力泥漿滲透實(shí)驗(yàn)裝置,針對(duì)不同性質(zhì)泥漿、地層開(kāi)展?jié)B透實(shí)驗(yàn),通過(guò)測(cè)量泥膜形成過(guò)程中開(kāi)挖面處超靜孔隙水壓力大小隨時(shí)間的變化,分析開(kāi)挖面處超靜孔隙水壓力的轉(zhuǎn)化規(guī)律,探討了開(kāi)挖面處超靜孔隙水壓力的轉(zhuǎn)化模式及其影響因素,為泥漿配制及泥漿壓力的控制提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法和材料

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

參考P.Fritz(2007)在泥膜研究中使用過(guò)的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)了泥漿滲透實(shí)驗(yàn)裝置,如圖1所示。有機(jī)玻璃滲透實(shí)驗(yàn)柱高度為120 cm,內(nèi)徑8.4 cm,側(cè)壁開(kāi)有2個(gè)孔壓測(cè)量孔,接有孔壓傳感器,該孔壓傳感器量程為0～0.5 MPa,精度為0.2 kPa。其中上面的一個(gè)位于泥漿中,監(jiān)測(cè)泥漿壓力,下面的一個(gè)位于地層中,距地層表面1 cm,測(cè)量地層中的孔隙水壓力,測(cè)孔位置如圖所示。泥漿壓力由設(shè)在頂部的氣壓艙進(jìn)行氣壓加壓;底部設(shè)有出水口,排水口高度為105 cm,即滲透實(shí)驗(yàn)柱出水口壓力為10.5 kPa。

圖1 泥漿滲透實(shí)驗(yàn)裝置(尺寸單位:mm)

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本文實(shí)驗(yàn)?zāi)酀{配置的主要材料為膨潤(rùn)土、粘土、水和羧甲基纖維素鈉(簡(jiǎn)稱CMC)。利用膨潤(rùn)土漿液為基漿,通過(guò)添加粘土來(lái)調(diào)節(jié)泥漿的密度,通過(guò)添加質(zhì)量濃度為20 kg/m3的CMC溶液來(lái)調(diào)節(jié)泥漿的粘度,泥漿中CMC溶液的添加量不超過(guò)泥漿質(zhì)量的5%。實(shí)驗(yàn)中利用Mastersizer2000激光粒度儀測(cè)定泥漿的顆粒級(jí)配曲線;分別使用1002型泥漿比重稱和蘇式漏斗粘度計(jì)測(cè)泥漿的密度和粘度。實(shí)驗(yàn)配置的5種泥漿基本性質(zhì)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)酀{基本性質(zhì)

本文地層選用滲透性較大的砂土作為地層材料,為了控制地層的粒徑及級(jí)配,經(jīng)過(guò)篩分后將地層分為3種單粒徑的砂土,其基本性質(zhì)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)地層的基本參數(shù)

首先在滲透實(shí)驗(yàn)柱底部裝入2 mm～5 mm粒徑的砂至5 cm處,作為濾層;然后裝入實(shí)驗(yàn)地層至51 cm處,控制地層密度為1.57 g/cm3;再?gòu)南虏孔⑺柡偷貙?注入已配制好的實(shí)驗(yàn)?zāi)酀{至105 cm處;密封泥漿滲透實(shí)驗(yàn)柱,打開(kāi)氣壓閥門,施加泥漿壓力,第一級(jí)泥漿壓力設(shè)定為30 kPa,第二級(jí)為50 kPa、第三級(jí)為100 kPa、第四級(jí)為200 kPa;打開(kāi)排水閥門開(kāi)始泥漿滲透,并采集地層中的孔隙水壓力值及濾水量。將孔壓傳感器測(cè)量的孔壓值減去該測(cè)孔處?kù)o水壓力就得到該位置的超靜孔隙水壓力值?？紤]到泥膜形成后對(duì)孔隙水應(yīng)力最為敏感的的開(kāi)挖面的表層部分,試驗(yàn)在距地層表面1 cm處設(shè)置孔隙水應(yīng)力計(jì),實(shí)測(cè)了泥漿滲透及泥膜形成過(guò)程中超靜孔隙水壓力的變化。

2 地層中超靜孔隙水壓力變化規(guī)律

通過(guò)上述5種泥漿在3種地層中開(kāi)展泥漿滲透實(shí)驗(yàn),將每組實(shí)驗(yàn)過(guò)程中距地層表面1 cm處的超靜孔隙水壓力值隨時(shí)間的變化規(guī)律繪制成曲線圖。

圖2所示的是五種泥漿在S1地層中開(kāi)展?jié)B透實(shí)驗(yàn)時(shí),距地層表面1 cm處超靜孔隙水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖2可以看出,施加壓力后泥漿壓力就完全作用在地層表面上,在未打開(kāi)排水閥門之前泥漿壓力完全形成地層中的超靜孔隙水壓力。打開(kāi)排水閥門泥漿開(kāi)始滲透之后,地層中超靜孔隙水壓力急劇降低,隨后維持穩(wěn)定,穩(wěn)定值接近于零;隨后雖然逐級(jí)提高泥漿壓力(50 kPa,100 kPa,200 kPa),但是地層中的超靜孔隙水壓力幾乎沒(méi)有提高,說(shuō)明泥漿壓力已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力,由土顆粒骨架承擔(dān),這是泥漿滲透后形成的泥膜如圖3所示。

圖4所示的是五種泥漿在S2地層中發(fā)生滲透時(shí),距地層表面1 cm處超靜孔隙水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖4可以看出,泥漿開(kāi)始滲透后,距地層1 cm處的超靜孔隙水壓力先有一個(gè)小的下降,之后再逐漸降低。泥漿壓力的提高,地層中的超靜孔隙水壓力也隨著升高。當(dāng)超靜孔隙水壓力逐漸穩(wěn)定的時(shí)候,超靜孔隙水壓力略低于泥漿壓力,并且隨著泥漿壓力的提高,兩者差值有所增加。也就是說(shuō),在這種情況下泥漿壓力基本上成為孔隙水應(yīng)力,地層表面沒(méi)有形成明顯的泥膜。

圖2 S1地層中距地層表面1 cm處超靜孔隙水壓力變化規(guī)律

圖3 泥漿滲透后形成的泥膜

圖4 S2地層中距地層表面1 cm處超靜孔隙水壓力變化規(guī)律

圖5 S3地層中超靜孔隙水壓力消散規(guī)律

圖5 所示的是五種泥漿在S3地層中發(fā)生滲透時(shí),距地層表面1 cm處超靜孔隙水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖5可以看出,在泥漿開(kāi)始滲透后,地層中的超靜孔隙水壓力略微降低,但是地層中的超靜孔隙水壓力接近泥漿壓力,提高泥漿壓力、延長(zhǎng)滲透時(shí)間,地層中的超靜孔隙水壓力依然接近泥漿壓力。

圖6所示的是泥漿在S3地層中滲透時(shí)單位面積上所產(chǎn)生的滲透流量,由圖6可以看出,泥漿滲透流量很大,在實(shí)際施工中會(huì)產(chǎn)生逸泥現(xiàn)象,泥漿艙中的泥漿大量逸出,不僅泥漿損失巨大而且泥漿艙內(nèi)泥漿壓力也難以維持,在泥水盾構(gòu)施工中應(yīng)該避免出現(xiàn)這種情況。

圖6 泥漿在S3地層中滲透時(shí)滲透流量

綜上所述,由圖2、圖4、圖5、圖6得到地層的粒徑是影響地層中超靜孔隙水壓力變化的重要因素;泥漿性質(zhì)在一定條件下能夠影響地層中超靜孔隙水壓力的變化;高泥漿壓力和低泥漿壓力滲透的形式類似,即在高泥漿壓力和低泥漿壓力條件下,超靜孔隙水壓力的變化規(guī)律是一致的。

3 討 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),在開(kāi)挖面表層超靜孔隙水壓力隨時(shí)間的變化主要有三種模式,即模式一為迅速降低型;模式二為逐漸降低型;模式三為不降低型;如圖7所示。其中模式一和模式二對(duì)應(yīng)的泥漿滲透形式分別為泥皮型、滲透帶型。

圖7 開(kāi)挖面處超靜孔隙水壓力變化模式

模式一中,在地層表面迅速形成了一層致密的泥膜,由于泥膜的孔隙、滲透系數(shù)很小,泥漿中的水透過(guò)泥膜時(shí)受到很大的阻力,這個(gè)阻力即為滲流力,泥漿壓力通過(guò)該滲流力轉(zhuǎn)化成有效應(yīng)力作用到了土體骨架上,所以使得地層中的超靜孔隙水壓力值迅速降低。提高泥漿壓力時(shí),所增加的泥漿壓力也全部轉(zhuǎn)化成了有效應(yīng)力作用到了土體骨架上。因此在該種模式下,泥水盾構(gòu)施工時(shí)所施加的泥漿壓力只需略大于地層中的水壓力與土壓力之和,即所需的額外壓力較小。但此種模式下,泥漿壓力設(shè)定過(guò)大,則作用到土體骨架上的力將會(huì)過(guò)大,造成開(kāi)挖面前方土體過(guò)度擠壓,容易產(chǎn)生地面隆起或欠挖的現(xiàn)象,帶來(lái)施工危險(xiǎn)。

模式二中,部分泥漿滲入到了地層中,淤堵了地層,淤堵程度隨著時(shí)間加劇,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,地層中淤堵的泥漿顆粒的數(shù)量越多,地層孔隙變小,對(duì)泥漿滲透的阻力逐漸增大,地層中的超靜孔隙水壓力逐漸轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力作用到了土體骨架上,所以地層中的超靜孔隙水壓力逐漸降低。雖然在泥水盾構(gòu)施工中期望超靜孔隙水壓力的變化模式是模式一,但在高滲透地層中,難以形成優(yōu)質(zhì)泥膜,超靜孔隙水壓力會(huì)存在模式二表述的變化規(guī)律。在該模式下,泥水盾構(gòu)施工時(shí)所需的泥漿壓力需要大于水壓力與土壓力之和,所需的額外泥漿壓力也需要根據(jù)泥漿滲透實(shí)驗(yàn)揭示的超靜孔隙水壓力轉(zhuǎn)化能力來(lái)設(shè)定,避免對(duì)開(kāi)挖面支護(hù)力不足而引起開(kāi)挖面失穩(wěn)。

模式三中,地層中的超靜孔隙水壓力略微降低,這是由于該地層的孔隙太大,泥漿顆粒幾乎不能夠在地層中淤堵,不能改變地層的性質(zhì),所以泥漿滲透對(duì)地層中超靜孔隙水壓力的降低不明顯。這種模式下,泥漿極易穿透體層造成逸泥,因此在泥水盾構(gòu)施工中要避免發(fā)生。遇到該種地層,則需要采取在泥漿中添加粗顆粒材料等措施,以確保開(kāi)挖面的穩(wěn)定。

圖8是在第一級(jí)荷載下滲透達(dá)到穩(wěn)定時(shí),距地層表面1 cm處超靜孔隙水壓力值。由圖8可以看出,在地層有效粒徑與泥漿有效粒徑之比D15/d85小于5時(shí),地層的孔隙基本不大于泥漿的有效粒徑,泥漿中的固體顆粒不能夠進(jìn)入地層中,全部淤堵堆積在地層表面,很快形成一層致密的泥膜,能夠有效的阻擋泥漿中水的繼續(xù)滲入,所以地層中的超靜孔隙水壓力均非常小,均小于5 kPa,這也是泥漿滲透形成泥膜進(jìn)而支護(hù)開(kāi)挖面穩(wěn)定的本質(zhì);當(dāng)?shù)貙佑行Я脚c泥漿有效粒徑之比D15/d85在5～10之間時(shí),地層孔隙大小和泥漿有效粒徑差別不大,所以泥漿中的顆粒能夠進(jìn)入地層,但是較大的泥漿顆粒能夠淤堵到地層孔隙中,之后較小的泥漿顆粒也會(huì)在地層中發(fā)生淤堵,所以隨著泥漿滲透的進(jìn)行,泥漿對(duì)地層的淤堵程度越來(lái)越大,導(dǎo)致地層中的超靜孔隙水壓力逐漸降低,而此時(shí)泥漿中固體顆粒的含量對(duì)地層中超靜孔隙水壓力降低的影響就比較顯著,所以地層中的超靜孔隙水壓力分布在5 kPa～20 kPa之間;當(dāng)?shù)貙佑行Я脚c泥漿有效粒徑之比D15/d85大于10時(shí),地層孔隙遠(yuǎn)大于泥漿的有效粒徑,所以泥漿中的固體顆粒能夠穿越地層流出,對(duì)地層的淤堵很小,因此地層中的超靜孔隙水壓力接近泥漿壓力。

圖8 地層和泥漿有效粒徑的匹配關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)泥漿在地層中滲透時(shí),在地層中產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力存在一個(gè)隨時(shí)間變化的過(guò)程,并且地層粒徑較小的時(shí)候,在距開(kāi)挖面較近處產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力較小;隨著地層粒徑的增大,產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力逐漸增大。

(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),地層粒徑是影響泥膜形成過(guò)程中距開(kāi)挖面較近處超靜孔隙水壓力變化的主要因素;泥漿性質(zhì)和泥漿壓力在能夠形成滲透帶的地層中對(duì)超靜孔隙水壓力的變化影響較大,即對(duì)超靜孔隙水壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力有較大影響;當(dāng)能夠形成泥膜或泥漿能夠穿透地層時(shí),泥漿性質(zhì)及泥漿壓力對(duì)地層中超靜孔隙水壓力的能力影響較小,即對(duì)超靜孔隙水壓力轉(zhuǎn)化成有效應(yīng)力的能力影響較小。

(3)通過(guò)分析可以看出,地層中超靜孔隙水壓力有三種變化模式,即迅速降低型、逐漸降低型和不降低型,三種消散模式分別對(duì)應(yīng)泥皮型滲透、滲透帶型滲透和滲透型滲透;地層特征粒徑和泥漿特征粒徑的比值對(duì)地層中超靜孔隙水壓力的變化有重要影響,當(dāng)D15/d85小于5時(shí)地層中的超靜孔隙水壓力很小,而當(dāng)D15/d85大于10時(shí),地層中的超靜孔隙水壓力接近泥漿壓力。

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