泥水盾構(gòu)帶壓開艙時(shí)泥漿配制及泥膜形成實(shí)驗(yàn)研究

閔凡路，姜 騰，魏代偉，張亞洲

(1.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇 南京 210098)

0 引言

近年來，泥水盾構(gòu)工法以其優(yōu)越的壓力控制模式、適合大直徑隧道建設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，在水下交通隧道建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。然而，由于水下隧道一次掘進(jìn)距離長(zhǎng)、穿越地層顆粒較大、石英含量高等因素，盾構(gòu)難免會(huì)出現(xiàn)刀盤刀具磨損、刀盤結(jié)泥餅及遇到障礙物等問題，不得不進(jìn)行開艙檢修［2－3］。由于水下隧道一般不具備地層加固等常壓開艙的條件，故以壓氣工法為基礎(chǔ)的壓氣－帶壓開艙方法的使用越來越普遍［4］。當(dāng)?shù)貙油笟庑暂^大時(shí)，帶壓開艙前一般會(huì)進(jìn)行降低地層透氣性的輔助施工，常用的方法是使用泥漿在開挖面上形成一層致密的泥膜以降低地層的透氣性［5］。然而盾構(gòu)停機(jī)處多位于江河底部，地層滲透性高、水壓力大，如何調(diào)整泥漿在開挖面上形成致密的泥膜、保證開挖面穩(wěn)定成為工程界關(guān)注的難題之一。

泥水盾構(gòu)以壓力泥漿支護(hù)開挖面，泥膜的形成對(duì)開挖面穩(wěn)定非常重要。已有研究表明，泥漿在不同地層中形成的泥膜大致可以分為3類:泥皮型泥膜、泥皮－滲透帶型泥膜和滲透帶型泥膜［6］。關(guān)于泥膜對(duì)開挖面穩(wěn)定性影響的研究，在過去常采用“薄膜模型”，即認(rèn)為泥膜完全不透水，泥漿壓力全部用來支撐地層土壓力和水壓力，不考慮泥漿的滲透作用對(duì)開挖面穩(wěn)定性的影響。但在實(shí)際工程中，泥漿中的水及細(xì)粒會(huì)向地層中滲透，降低有效泥漿壓力和開挖面的穩(wěn)定性。Anagnostou等［7］提出了考慮泥漿滲透的楔形體——“滲透模型”，并指出在砂性土中掘進(jìn)時(shí)，開挖面的支護(hù)力可以采用“薄膜模型”計(jì)算，而停機(jī)時(shí)，泥漿滲透會(huì)降低開挖面的穩(wěn)定性。而胡欣雨等［8］在研究泥漿入滲對(duì)土體剪切強(qiáng)度的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，泥漿的入滲增大了剪切滑移中的粒間接觸面積，同時(shí)增大了土體顆粒間的咬合作用，宏觀表現(xiàn)為黏聚力的增大，即對(duì)土體的穩(wěn)定性是有利的。以上研究表明:泥漿向地層中滲透一方面造成了泥漿的濾失，減小了有效泥漿壓力，對(duì)開挖面的穩(wěn)定不利;另一方面，泥漿中顆粒滲入地層，增大了地層的黏聚力，有利于開挖面的穩(wěn)定。

本文以南京長(zhǎng)江隧道工程在江底砂礫復(fù)合地層中帶壓開艙為背景，提出保證開挖面穩(wěn)定的泥漿配制方案，并以自制的泥漿滲透裝置開展泥漿配置及泥膜實(shí)驗(yàn)，以期對(duì)工程起到一定的指導(dǎo)作用。

1 工程概況及開艙泥漿調(diào)整方案分析

1.1 南京長(zhǎng)江隧道工程概況及盾構(gòu)停機(jī)情況

南京長(zhǎng)江隧道(緯七路)是目前世界上最大的過江公路隧道之一，位于南京長(zhǎng)江大橋與三橋之間，是連接南京奧體新城與浦口區(qū)的一條最直接的快速通道［9］。工程采用“左汊隧道+右汊橋梁”的方案，由北岸浦口區(qū)至江心洲段為隧道，江心洲至南岸奧體新城段為橋梁。工程全長(zhǎng)5 853 m，隧道段設(shè)計(jì)為雙管單層隧道，采用2臺(tái)直徑14.93 m的泥水加壓盾構(gòu)由北岸始發(fā)、同向施工，盾構(gòu)隧道段長(zhǎng)約3 020 m。隧道穿越江面寬度約2 600 m，高水位多年平均值8.37 m［9］。盾構(gòu)穿越地層如圖1所示，主要穿越有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、礫砂及圓礫等地層，地層的基本性質(zhì)如表1所示。

圖1 南京長(zhǎng)江隧道地質(zhì)斷面圖Fig.1 Geological profile of Nanjing Yangtze River Tunnel

表1 盾構(gòu)機(jī)穿越主要地層的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of different strata

當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)到658環(huán)附近時(shí)(里程K4+916，盾構(gòu)進(jìn)入粉細(xì)砂和礫砂復(fù)合地層一段距離)，刀盤扭矩明顯偏高，最高達(dá)到 20 MN·m，推進(jìn)速度降低至2 mm/min;同時(shí)，排出的渣土中出現(xiàn)直徑20 cm以上的卵石和金屬塊。通過對(duì)常壓可更換刀具的檢查，發(fā)現(xiàn)部分刀具磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)了刀刃崩落的現(xiàn)象，刀盤也遭到損壞。為了順利完成后面近1 700 m的掘進(jìn)，不得不停機(jī)進(jìn)行刀具檢修或者更換。

盾構(gòu)停機(jī)位置如圖1所示，位于江面下約53 m，其中覆土約25 m。其所處斷面上部約1/4為粉細(xì)砂地層，滲透系數(shù)約為5×10－3cm/s;下部約3/4為礫砂地層，滲透系數(shù)約為3×10－2cm/s。在這樣高水壓、高滲透性的地層中帶壓開艙，如何調(diào)整泥漿形成致密的泥膜、保證開挖面的穩(wěn)定性成為是工程中十分關(guān)注的問題。

1.2 帶壓開艙用泥漿材料及泥漿調(diào)整方案分析

由于本工程盾構(gòu)停機(jī)處不具備地層加固等常壓開艙的條件，因此采用壓氣－帶壓開艙的方法進(jìn)行開艙檢修。由于停機(jī)處地層滲透性較大，帶壓開艙前，需要先進(jìn)行泥漿成膜、降低地層的滲透性的輔助施工。

盾構(gòu)穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂地層時(shí)，地層滲透系數(shù)較小，僅采用地層自造漿或添加少量膨潤(rùn)土調(diào)整，即可滿足盾構(gòu)掘進(jìn)的施工要求。然而進(jìn)入粉細(xì)砂和礫砂的混合地層后，由于地層滲透性變大且水壓力大，主要采用密度、黏度都較大的高分子聚合物泥漿。該種泥漿濾失量較小，可以在地層中形成泥皮型泥膜，但是在長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)和高溫時(shí)(停機(jī)時(shí)南京正處在7—8月，室外溫度高達(dá)35～39℃)，高分子聚合物泥漿不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)變質(zhì)、黏度降低、老化等現(xiàn)象。因此，在帶壓開艙時(shí)需要采用物理穩(wěn)定性好的膨潤(rùn)土泥漿或者膨潤(rùn)土與黏土的混合泥漿。

本工程根據(jù)已有研究中關(guān)于泥漿滲透對(duì)開挖面穩(wěn)定2方面的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)泥漿特性，對(duì)開艙泥漿的調(diào)整分2步:1)在保證泥漿形成泥膜的前提下，先在壓力艙中以密度小、黏度較低的純膨潤(rùn)土泥漿在開挖面地層中滲透一定距離，形成含有滲透帶的泥膜。這樣可以使部分泥漿顆粒滲入地層孔隙一段距離，提高地層的黏聚力，有利于提高開挖面的穩(wěn)定性。2)形成滲透帶型泥膜之后，再以較大黏度和密度的膨潤(rùn)土－黏土混合泥漿置換壓力艙中低密度的泥漿，使其在開挖面上形成致密的泥皮型泥膜，然后再進(jìn)行帶壓開艙操作。這樣調(diào)整后，可以有效的減少泥漿的濾失，降低地層的透氣性。在進(jìn)艙之前，需要先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)泥漿成膜實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證上述方案的可行性。

2 帶壓開艙用泥漿的配制及泥膜形成實(shí)驗(yàn)

2.1 純膨潤(rùn)土泥漿配制與成膜實(shí)驗(yàn)

第1步調(diào)整的泥漿，采用的是Na級(jí)膨潤(rùn)土，分別按濃度3%，5%，8%，12%進(jìn)行膨化，膨化24 h，4組泥漿基本性質(zhì)見表2。其中，泥漿的黏度采用工程現(xiàn)場(chǎng)常用的蘇式漏斗黏度儀測(cè)試，該儀器測(cè)試清水的黏度為15 s。以礫砂層作為實(shí)驗(yàn)地層，該地層大于2 mm的粗顆粒占整個(gè)地層含量的40%左右，滲透系數(shù)約為3 ×10－2cm/s，孔隙率為0.54。

實(shí)驗(yàn)儀器如圖2所示，共進(jìn)行4組泥漿滲透成膜實(shí)驗(yàn)。首先在實(shí)驗(yàn)柱中裝入5 cm厚的顆粒粒徑2～5 mm的濾水層(滲透系數(shù)約為2 cm/s)，并在表面鋪一層濾膜，以保證地層下部集水面均勻;然后裝入21 cm厚的礫砂地層(控制地層的孔隙率為0.54，保證每次實(shí)驗(yàn)的地層的充填狀態(tài)盡量一致，以減少實(shí)驗(yàn)誤差)。實(shí)驗(yàn)開始前，先采用由下向上的方式用清水對(duì)地層進(jìn)行飽和，地層飽和之后，實(shí)驗(yàn)中測(cè)到的濾出水量就等于泥漿的滲透量［10］。之后充入21 cm泥漿開展泥漿滲透實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用荷載加壓，通過活塞傳遞到泥漿液面上，一次性加壓0.3 MPa(考慮泥水加壓盾構(gòu)實(shí)際施工時(shí)壓力艙泥漿壓力與地下水壓力差的最大值)。最后打開最下部的排水閥門，同時(shí)記錄下泥漿滲透穩(wěn)定、泥膜形成時(shí)的濾水量和成膜時(shí)間，作為泥膜質(zhì)量好壞的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并觀察形成泥膜的形態(tài)。濾水量越小，成膜時(shí)間越短，形成泥膜越致密，泥膜質(zhì)量也越好［10］。4組泥漿在礫砂地層中成膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖2 泥漿滲透成膜裝置Fig.2 Test apparatus for slurry infiltration and filter membrane formation

表2 膨潤(rùn)土泥漿基本性質(zhì)及成膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Basic properties of different bentonite slurries and results of filter membrane formation tests

由表2可知:濃度3%～5%的膨潤(rùn)土泥漿黏度較低，密度低于1.05 g/cm3，在礫砂地層中形成滲透帶型泥膜，但是泥漿損失量比較大，成膜時(shí)間較長(zhǎng);濃度8%～12%的膨潤(rùn)土泥漿黏度在20 s以上，泥漿向地層中滲透一定距離后，迅速穩(wěn)定下來，泥漿損失也比較少，形成泥皮－滲透帶型泥膜(如圖3所示)，且成膜時(shí)間很短。

圖3 8%膨潤(rùn)土泥漿形成的泥膜Fig.3 Filter membrane formed by slurry with 8%bentonite content

2.2 提高密度和黏度的泥漿成膜實(shí)驗(yàn)

在開挖面上形成泥皮－滲透帶型泥膜后，將泥漿密度提高至1.15～1.2 g/cm3、黏度25 s以上，開展泥漿成膜實(shí)驗(yàn)。由于純膨潤(rùn)土泥漿的密度一般不大，若用純膨潤(rùn)土將泥漿密度調(diào)到1.15～1.2 g/cm3，則其黏度會(huì)很大，難以滿足泵送要求。因此，考慮以較高黏度的低密度膨潤(rùn)土泥漿和天然黏土泥漿(盾構(gòu)穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層時(shí)儲(chǔ)存的多余的泥漿)混合，配置密度在1.15～1.20 g/cm3、黏度25 s以上的物理穩(wěn)定性高的泥漿，進(jìn)行泥漿性質(zhì)和成膜實(shí)驗(yàn)。

1)泥漿物理穩(wěn)定性。以24 h泥漿的析水率表示。泥漿析水率越小，其物理穩(wěn)定性越好。將泥漿裝入容量為1 000 mL的量筒，24 h后的析水體積10 mL，即24 h析水率為1%，泥漿物理穩(wěn)定性很好。

2)泥漿成膜實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)在礫砂地層中進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)方法和步驟與上述泥膜實(shí)驗(yàn)相同，只是本次實(shí)驗(yàn)是分級(jí)加壓，每級(jí)施加0.05 MPa，同時(shí)測(cè)量泥漿濾失量隨時(shí)間的變化，待泥漿滲透穩(wěn)定(泥漿的濾水量相鄰兩次讀數(shù)間差值相同或相近)時(shí)，施加下一級(jí)壓力，直至0.3 MPa(考慮泥水加壓盾構(gòu)實(shí)際施工時(shí)壓力艙泥漿壓力與地下水壓力差的最大值)，同時(shí)繪制泥漿濾水量隨時(shí)間的變化曲線，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)采取分級(jí)加壓的形式是為了便于觀察泥漿在地層中滲透的過程，同時(shí)也可測(cè)得某一泥漿在某地層中可承受的最大壓力。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，觀察地層表面形成的泥膜的形態(tài)，厚度約5 mm，屬于泥皮型泥膜(如圖5所示)。

由圖4可以看出:在每級(jí)壓力作用下，泥漿在很短時(shí)間內(nèi)即達(dá)到滲透穩(wěn)定的狀態(tài)，且泥漿的濾失量很小，每min的濾水量約為0.6 mL，換算到真實(shí)的開挖面(南京長(zhǎng)江隧道開挖面面積約175 m2)上，濾失水量約3 m3/2 h(滿足濾失水量經(jīng)驗(yàn)值:10～20 m3/2 h)。

圖4 泥漿濾水量變化曲線Fig.4 Curves of the discharged water as slurry filtrates into soils

圖5 形成的泥皮型泥膜Fig.5 Filter cake of mud membrane formed

以上實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示:濃度8%～12%的膨潤(rùn)土泥漿可以在礫砂地層開挖面上快速形成含有滲透帶的泥膜;密度1.15～1.2 g/cm3、黏度25 s以上的膨潤(rùn)土與天然黏土的混合泥漿性質(zhì)良好，物理穩(wěn)定性較高，可以在開挖面上快速形成微透水的泥皮型泥膜。

3 開艙后的泥膜情況

開艙準(zhǔn)備工作完成后，分2步置換原泥漿艙的泥漿:1)以濃度8%～12%的純膨潤(rùn)土泥漿置換壓力艙內(nèi)的舊泥漿，使其在開挖面上形成含有滲透帶的泥膜;2)再以密度1.15～1.2 g/cm3的膨潤(rùn)土與黏土的混合泥漿置換壓力艙內(nèi)的純膨潤(rùn)土泥漿，使其在開挖面上進(jìn)一步滲透形成致密的具有一定厚度的泥皮型泥膜。開艙時(shí)，將泥漿艙的泥漿液位降低3～5 m，只以氣壓來支護(hù)開挖面，以便于進(jìn)艙人員觀察和維修?，F(xiàn)場(chǎng)氣壓的變化情況(見圖6)顯示，開挖面上形成了質(zhì)量良好的泥膜，而且泥膜密閉性較好，氣艙壓力能較好地保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大量漏氣的現(xiàn)象，氣壓有效地作用在開挖面上，維持了開挖面的穩(wěn)定。

圖6 開挖面上形成的泥膜Fig.6 Filter membrane formed on the excavation face

4 結(jié)論與建議

1)泥水盾構(gòu)停機(jī)檢修一般位于江河底部，水壓力很大，帶壓進(jìn)艙檢修時(shí)有必要根據(jù)地層特點(diǎn)進(jìn)行泥漿調(diào)整來增強(qiáng)開挖面的穩(wěn)定性，以確保為帶壓開艙提供一個(gè)穩(wěn)定的開艙環(huán)境，保證進(jìn)艙人員的安全。

2)在滲透性較大的礫砂地層進(jìn)行帶壓開艙時(shí)，可以采用先以低密度、低黏度的泥漿向開挖面滲透一段距離，形成滲透帶型泥膜，以提高地層的黏聚力;再以高密度、高黏度泥漿，在開挖面上形成致密的泥皮型泥膜的泥漿調(diào)整方案，進(jìn)行泥漿置換和調(diào)整。

3)南京長(zhǎng)江隧道在礫砂地層進(jìn)行帶壓開艙時(shí)，先以濃度8%～12%的膨潤(rùn)土泥漿作為滲透泥漿，使開挖面地層中形成一定距離的滲透帶，增加地層的黏聚力;再以密度1.15～1.2 g/cm3、黏度25 s以上的泥漿，在開挖面上形成致密的泥皮型泥膜，使氣壓和泥漿壓力有效地作用于開挖面上，增強(qiáng)開挖面的穩(wěn)定性。

［1］ 楊文武.盾構(gòu)法水下隧道工程技術(shù)的發(fā)展［J］.隧道建設(shè)，2009，29(2):145 － 151.(YANG Wenwu.Development of underwater shield-bored tunnels［J］.Tunnel Construction，2009，29(2):145 －151.(in Chinese))

［2］孫善輝，陳饋，王振飛.壓縮空氣條件下盾構(gòu)刀盤特種焊接修復(fù)技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2012，32(3):413－420.(SUN Shanhui，CHEN Kui，WANG Zhenfei.Technology for welding repair of cutter heads of shield machine under compressed air［J］.Tunnel Construction，2012，32(3):413 －420.(in Chinese))

［3］劉樹山.砂卵石地層盾構(gòu)隧道刀具更換方案研究［J］.隧道建設(shè)，2008，28(3):268－270，276.(LIU Shushan.Study on ground consolidation scheme forcutting tool replacement during shield tunneling in cobble and sandstrata［J］.Tunnel Construction，2008，28(3):268 －270，276.(in Chinese))

［4］杜闖東，賈航，王坤.大直徑泥水盾構(gòu)復(fù)合地層進(jìn)艙技術(shù)比較與應(yīng)用［J］.隧道建設(shè)，2009，29(4):435－440.(DU Chuangdong，JIA Hang，WANG Kun.Comparison and application of chamber-entering technology of large-diameter slurry shield in complex strata［J］.Tunnel Construction，2009，29(4):435 －440.(in Chinese))

［5］黃學(xué)軍，孟海峰.泥水盾構(gòu)帶壓進(jìn)倉氣密性分析［J］.西部探礦工程，2011(7):202－204.(HUANG Xuejun，MENG Haifeng.Tightness analysis of slurry shield entering chamberunder pressure condition［J］. West-China Exploration Engineering，2011(7):202 － 204. (in Chinese))

［6］閔凡路.泥漿在地層中的滲透規(guī)律及泥水加壓盾構(gòu)泥漿成膜研究［D］.南京:河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，2012.(MIN Fanlu.Study on slurry infiltration laws and filter cake formation in slurry type shield［D］.Nanjing:College of Mechanics and Materials，Hohai University，2012.(in Chinese))

［7］Anagnostou G，Kovari K.The face stability of slurry shield driven tunnels［J］.Tunneling and Underground Space Technology，1994，9(2):165－174.

［8］胡欣雨，張子新.一般應(yīng)力狀態(tài)下泥漿滲入對(duì)泥水盾構(gòu)開挖面土體剪切強(qiáng)度影響分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(5):1027 －1036.(HU Xinyu，ZHANG Zixin.Analysis of effect of slurry infiltration on shear strength of soil of excavation face in slurry shield under general stress condition［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(5):1027 － 1036.(in Chinese))

［9］郭信君，閔凡路，鐘小春，等.南京長(zhǎng)江隧道工程難點(diǎn)分析及關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(10):2154－2160.(GUO Xinjun，MIN Fanlu，ZHONG Xiaochun， etal. Summariesofkeytechnologiesand difficulties in Nanjing Yangtze River tunnel project［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(10):2154－2160.(in Chinese))

［10］韓曉瑞，朱偉，劉泉維，等.泥漿性質(zhì)對(duì)泥水盾構(gòu)開挖面泥膜形成質(zhì)量影響［J］.巖土力學(xué)，2008，29(S):288 － 292.(HAN Xiaorui，ZHU Wei，LIU Quanwei，et al.Influence of slurry property on filter cake quality on working face ofslurry shield［J］. Rock and Soil Mechanics，2008，29(S):288－292.(in Chinese))