壓力差對盾構(gòu)施工形成泥膜所需泥漿量的影響

杜雪山，王 奇，朱東元

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京210098)

壓力差對盾構(gòu)施工形成泥膜所需泥漿量的影響

杜雪山，王 奇，朱東元

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京210098)

采用泥水盾構(gòu)施工，進(jìn)行帶壓開倉時(shí)，通常采用泥膜閉氣的方法來平衡開挖面后部的土水壓力。這就需要在掌子面表面形成一層泥膜，從而達(dá)到閉氣的目的。本文通過采用自制的泥膜閉氣裝置，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展了不同壓力差下形成泥膜的試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，當(dāng)形成泥膜時(shí)，泥漿消耗量隨著壓力差的增大而減小。

泥水盾構(gòu)；泥膜；壓力差；泥漿消耗量

近年來，泥水盾構(gòu)技術(shù)因其優(yōu)越性，在我國跨江跨河的隧道建設(shè)中得到了越來越多的應(yīng)用。盾構(gòu)機(jī)在水下掘進(jìn)時(shí)，會(huì)遇到遭遇孤石、更換刀具等需開倉檢修的問題。因而采用帶壓開倉變成了可代替的方法。帶壓開倉的關(guān)鍵是形成閉氣性能良好的泥膜。從而在開挖倉注入高氣壓，來平衡掌子面后部的土水壓力，進(jìn)而達(dá)到開挖面的穩(wěn)定[1]。閔凡路等發(fā)現(xiàn)在泥膜形成的過程中，泥漿壓力在地層中轉(zhuǎn)化為抵抗地層靜水壓力的孔壓、超靜孔隙水應(yīng)力和抵抗地層土壓力的有效泥漿壓力3部分[2]。韓曉瑞等研究了泥漿性質(zhì)對開挖面泥膜形成質(zhì)量影響[3]。姜騰等采用CMC、正電膠、Na2CO3等三種泥漿添加劑，對泥漿性質(zhì)，泥膜性質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)[4]。白云等借助于牛頓流體力學(xué)模型，運(yùn)用流體力學(xué)與極限平衡法的基本原理，推導(dǎo)出盾尾空隙橫斷面內(nèi)漿液壓力的分布模型[5]。張?jiān)频仍诜治龆軜?gòu)法隧道引起的地表變形的原因的基礎(chǔ)上，將盾尾空隙的大小、注漿充填的程度等對地層位移有著重要影響，而在實(shí)際工程中又難以量化的因素，概括為一均質(zhì)、等厚的等代層，并根據(jù)實(shí)測位移，運(yùn)用反分析法較準(zhǔn)確的獲得等代層的參數(shù)[6]。 到目前為止，尚未有人開展形成泥膜所消耗泥漿量的研究。因此本文通過自制的泥膜閉氣裝置，采用5組不同的泥漿，分別在4組不同壓力差條件下開展成膜試驗(yàn)，分析壓力差對泥漿成膜所需泥漿量的影響。以期為泥漿制備及泥漿壓力的設(shè)定提供依據(jù)。

1 .試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料

本文配置了5種泥漿進(jìn)行試驗(yàn)，泥漿性質(zhì)如表1所示。泥漿的顆粒篩分曲線如圖1所示。

表1所配各組泥漿的性質(zhì)

備注：其中基漿是膨潤土與水質(zhì)量比為1:8的純膨潤土泥漿；工程中泥漿進(jìn)漿比重大多介于1.05～1.3之間。

試驗(yàn)所用地層均為天然沙土篩分獲得。其粒徑為0.25-0.5mm，滲透系數(shù)為2.9×10-2cm/s。

1.2 試驗(yàn)裝置

圖2為泥膜閉氣裝置圖。裝置的主要部分是兩個(gè)直徑15cm，高度60cm的有機(jī)玻璃筒。為了模擬地層上覆土水壓力，采取在左邊的有機(jī)玻璃筒里面施加壓力，將兩個(gè)有機(jī)玻璃筒連接起來，則地層上覆土水壓力可通過左邊的穩(wěn)壓器穩(wěn)定在一個(gè)定值。通過改變右邊空壓機(jī)的進(jìn)氣壓力，來進(jìn)行不同壓力差模式下的試驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在左邊有機(jī)玻璃筒中分層裝入濾層、地層，經(jīng)飽和之后，在地層上部注入一定質(zhì)量的自制泥漿，密封裝置，然后，分別打開兩邊進(jìn)氣閥，調(diào)節(jié)空壓機(jī)，設(shè)置壓力差值。在壓力差的作用下，泥漿向地層中滲透，并形成泥膜。成膜以后，打開裝置，倒出多余的泥漿，并稱量其質(zhì)量，從而計(jì)算出形成泥膜所需要的泥漿量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 ①號(hào)泥漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3為①號(hào)泥漿在不同壓力差作用下，進(jìn)行成膜試驗(yàn)所消耗泥漿量的變化曲線。由圖可以看出，泥漿消耗量與壓力差，并不是嚴(yán)格線性變化；在壓力差較小時(shí)，泥漿消耗量大，當(dāng)壓力差為60kPa時(shí)，泥漿消耗量最小，隨著壓力差的逐步增加，泥漿消耗量又緩慢增加，但增加幅度很小。

2.2 ②號(hào)泥漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4為②號(hào)泥漿在不同壓力差作用下，進(jìn)行成膜試驗(yàn)所消耗泥漿量的變化曲線。由圖可以明顯看出，泥漿消耗量隨著壓力差的增加而減小，在壓力差為30kPa時(shí)，泥漿消耗量為641.7g,當(dāng)壓力差增加到120kPa時(shí)，泥漿消耗量降到456.3g。

2.3 ③號(hào)泥漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5為③號(hào)泥漿在不同壓力差作用下，進(jìn)行成膜試驗(yàn)所消耗泥漿量的變化曲線。由表4可以明顯看出，當(dāng)壓差由30kPa增加到60kPa的時(shí)候，泥漿消耗量只減小了13.5g，隨著壓力差的繼續(xù)增加，泥漿消耗量減小幅度大幅增加。

2.4 ④號(hào)泥漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6為④號(hào)泥漿在不同壓力差作用下，進(jìn)行成膜試驗(yàn)所消耗泥漿量的變化曲線。與③號(hào)泥漿相比，可明顯看出，壓力差的增加將會(huì)減小泥漿的消耗量。

2.5 ⑤號(hào)泥漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7為⑤號(hào)泥漿在不同壓力差作用下，進(jìn)行成膜試驗(yàn)所消耗泥漿量的變化曲線。由圖7可看出來。隨著壓力差的增加，在同一增量下，泥漿消耗量的減小量逐漸減小。

2.6試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖3-圖7可以看出，當(dāng)泥漿密度和顆粒級(jí)配保持不變時(shí)，隨著壓力差的增大，噴灑成膜所消耗的泥漿量在減少。泥膜的形成機(jī)理是泥漿顆粒在泥漿壓力的作用下向土層中滲透，其中較大的泥漿顆粒會(huì)在滲透過程中淤堵在地層孔隙，隨著時(shí)間推移逐漸形成不透水泥膜。但噴灑泥漿成膜與普通成膜方式又有所不同，泥漿被噴灑在地層表面，一部分在壓力差和噴灑沖力的作用下滲入地層孔隙，但絕大部分會(huì)因?yàn)橹亓ψ饔寐涞絻x器內(nèi)，順著排漿孔被排出。當(dāng)儀器內(nèi)壓力增大時(shí)，泥漿顆粒向地層滲透的速度加快，成膜所花的時(shí)間變短，消耗的泥漿量減少。

3 結(jié)論

1)泥漿在壓力的作用下，向地層中進(jìn)行滲透，逐漸形成泥膜，泥膜的形成，使得泥漿所承受的壓力能夠轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，作用在開挖面上，平衡掌子面后方的土水壓力，從而保證掌子面的穩(wěn)定。

2)泥漿能否成膜與泥漿性質(zhì)、地層條件、泥漿壓力有關(guān)，在保證泥漿能夠成膜的前提下，通過增大壓力差，可有效減少泥漿用量。

3)在今后采用泥水盾構(gòu)施工中，進(jìn)行帶壓開倉作業(yè)時(shí)，為減少泥膜形成時(shí)間，可采取增大泥漿壓力的辦法，來快速形成泥膜。

[1]張鳳祥,朱合華,傅明德.盾構(gòu)隧道[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]閔凡路,朱 偉,魏代偉,等.泥水盾構(gòu)泥膜形成時(shí)開挖面地層孔壓變化規(guī)律研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013,35 (4):722-727.

[3]韓曉瑞,朱 偉，劉泉維,等.泥漿性質(zhì)對泥水盾構(gòu)開挖面泥膜形成質(zhì)量影響[J].巖土力學(xué),2008,29(Z):288-292.

[4]姜 騰,朱 偉,閔凡路,等.泥水盾構(gòu)開倉時(shí)的泥膜閉氣性能及改進(jìn)方法[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2014,10(3):504-509.

[5]白 云,戴志仁,張莎莎,等.盾構(gòu)隧道同步注漿漿液壓力擴(kuò)散模式研究[J].中國鐵道科學(xué),2011,32(4):38-45.

[6]張 云,殷宗澤,徐永福.盾構(gòu)法隧道引起的地表變形分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(3):388-392.

(責(zé)任編輯 李軍)

Pressure gap’s affect to slurry consumption in slurry shield construction

DUXueshan,WANGQi,ZHUDongyuan

(CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,JiangsuNanjing210098,China)

Inslurryshieldconstruction,openingachamberundercompressedairisusuallyneeded.Toensurethestabilityofexcavationfaceinslurryshield,apressedfiltercakemustbeformedontheworkingface.Inthispaper,anewtestapparatuswasdevelopedtostudytheairproofcapabilityofafiltercakeundervariedpressuredifference.Testresultsindicatethatwhentheargitanwasformed,theslurryconsumptionreducesalongwiththepressuredifferencegrowth.

slurryshield;filtercake;pressuregap;slurryconsumption

1673-9469(2016)04-0039-03doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.009

2016-07-11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378176)

杜雪山(1993-)，男，湖北荊州人，碩士，從事盾構(gòu)隧道研究。

TU

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