泥漿密度對(duì)形成泥膜所需泥漿量的影響

王 奇 朱東元

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 南京 210098)

泥漿密度對(duì)形成泥膜所需泥漿量的影響

王 奇 朱東元

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 南京 210098)

在泥水盾構(gòu)施工中，為平衡掌子面前方土水壓力，通常采用噴灑泥漿，使得泥漿向開(kāi)挖面地層滲透，從而形成泥膜．本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬泥漿成膜，開(kāi)展了一系列不同泥漿密度下的泥漿成膜試驗(yàn)．試驗(yàn)表明：當(dāng)泥漿成膜時(shí)，所需泥漿量隨著泥漿密度的增大而減?。?/p>

盾構(gòu)施工； 泥膜； 泥漿密度； 泥漿消耗量

18世紀(jì)中葉，英國(guó)倫敦泰晤士河的水下隧道施工是人們首次采用盾構(gòu)法施工，隧道斷面為矩形，寬11.4 m，高6.8 m．自此以后，人們不斷對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行技術(shù)和設(shè)計(jì)上的改進(jìn)．現(xiàn)如今常用的盾構(gòu)機(jī)分為兩大類型：土壓平衡盾構(gòu)和泥水加壓盾構(gòu)．土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)地層范圍廣，且造價(jià)低，因而被廣泛使用．泥水盾構(gòu)安全性好，因此多被用于跨江跨海的隧道工程中，如武漢長(zhǎng)江隧道、上海滬崇蘇隧道、獅子洋隧道、南京長(zhǎng)江隧道(緯七路)、南京長(zhǎng)江隧道(緯三路)等均采用泥水盾構(gòu)進(jìn)行修建．因泥水盾構(gòu)常用于長(zhǎng)距離隧道施工中，因此刀盤通常磨損嚴(yán)重，經(jīng)常需要在隧道中停機(jī)進(jìn)行刀盤更換作業(yè)，因場(chǎng)地所限，不可能做到在盾構(gòu)停機(jī)處四周進(jìn)行土體加固．現(xiàn)有施工技術(shù)中多采用在隧道內(nèi)部，氣壓平衡土水壓力進(jìn)行帶壓開(kāi)倉(cāng)換刀的作業(yè)方法，其穩(wěn)定原理如圖1所示．采用氣壓平衡掌子面前方的泥水壓力關(guān)鍵問(wèn)題在于氣壓的成功施加，掌子面為稀疏多孔介質(zhì)，倘若不對(duì)掌子面加以處理，則氣體將會(huì)穿過(guò)掌子面逃逸導(dǎo)致無(wú)法施加氣壓，為避免這種情況的發(fā)生，通常采用在盾構(gòu)機(jī)刀盤前方噴灑泥漿，并施加壓力使得泥漿在土層表面形成一層泥膜，依靠泥膜的閉氣能力來(lái)保證氣壓的順利施加．

圖1 泥水盾構(gòu)工作面穩(wěn)定機(jī)理

目前，已有許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泥水盾構(gòu)施工時(shí)泥膜的問(wèn)題進(jìn)行了研究．閔凡璐等針對(duì)高滲透性地層中泥漿配置及成膜問(wèn)題，開(kāi)展了室內(nèi)試驗(yàn)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)泥漿配制進(jìn)行了調(diào)研．結(jié)果表明：泥漿中黏粒含量越高，泥漿的物理穩(wěn)定性越好，泥膜形成過(guò)程中泥漿的濾失量越少，形成的泥膜滲透系數(shù)越小[1]．陳芝春等在穿黃隧洞盾構(gòu)施工過(guò)程中，基于泥水平衡盾構(gòu)施工原理與穿黃工程的地層特性、地下水特點(diǎn)，針對(duì)泥漿配置與性能優(yōu)化問(wèn)題展開(kāi)試驗(yàn)研究，提出了適于穿黃工程不同地質(zhì)條件和地層特點(diǎn)的泥漿配置技術(shù)[2]．泥漿向開(kāi)挖地層滲透，逐漸形成泥膜．泥膜不但起到“止水”的效果，而且本身也具有一定的力學(xué)性質(zhì)，孔祥鵬等以過(guò)濾模型為基礎(chǔ)，假設(shè)泥膜為彈性介質(zhì)，利用彈性模量的定義，求解出了泥膜的彈性模量[3]．劉成等將泥膜一維模型拓展為二維模型，基于增量分析方法分析泥膜的增長(zhǎng)規(guī)律，給出泥膜濾失量和厚度分別與位置、時(shí)間、重度比和盾構(gòu)直徑等因素的關(guān)系．結(jié)果表明，修正的劍橋模型能夠較好地表征泥膜壓縮固結(jié)特性[4]．王俊等以南京地鐵10號(hào)線穿越長(zhǎng)江隧道為研究對(duì)象，采用離散元數(shù)值模擬與室內(nèi)模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了砂卵石地層條件下，大斷面泥水盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中泥膜生成-破壞-再生成的動(dòng)態(tài)過(guò)程以及泥漿滲透范圍，探討了不同泥水壓力條件下盾構(gòu)施工對(duì)周圍環(huán)境的影響[5]．韋良文等以復(fù)興東路越江隧道工程為工程背景，通過(guò)室內(nèi)泥漿的特性實(shí)驗(yàn)及微觀分析并結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，通過(guò)PMS泥水體系與原有泥水體系工程中應(yīng)用效果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)PMS泥水體系能快速形成高質(zhì)量的泥膜[6]．Fanlu Min等基于室內(nèi)試驗(yàn)將泥膜分為：“泥皮型”、“滲透帶型”、“泥皮+滲透帶型”3種類型，對(duì)泥漿在地層中的滲透類型進(jìn)行了劃分[7]．

翻閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)形成泥膜所消耗泥漿量的研究為數(shù)不多，歸納原因在于實(shí)際施工中對(duì)于成膜所需泥漿用量難以精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)．為確保形成泥膜常常超量噴灑泥漿，導(dǎo)致實(shí)際成膜所需泥漿量難以定量分析．泥膜的形成與泥漿的密度、壓力差等因素有關(guān)．本文從泥漿密度的角度出發(fā)，采用可精確控制泥漿用量的室內(nèi)試驗(yàn)的方法研究形成泥膜所需的泥漿量．通過(guò)自制的泥漿成膜裝置，采用5組不同的泥漿，分別在4組不同壓力差條件下開(kāi)展成膜試驗(yàn)，分析泥漿密度對(duì)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)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

泥膜閉氣裝置圖如圖2所示．

圖2 泥膜閉氣裝置圖

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 泥漿材料

膨潤(rùn)土是組成泥漿的最主要的成分，使泥漿具有一定的密度和粘度，通過(guò)向純膨潤(rùn)土泥漿中添加不同重量的經(jīng)過(guò)篩分得到的粉土顆粒，來(lái)改變泥漿的密度和級(jí)配，配制了5組不同的泥漿作為試驗(yàn)?zāi)酀{．試驗(yàn)所用膨潤(rùn)土及泥漿填充料如圖3～4所示，泥漿性質(zhì)見(jiàn)表1．

圖3 試驗(yàn)所用膨潤(rùn)土 圖4 試驗(yàn)所用膨潤(rùn)土泥漿填充料

泥漿編號(hào)泥漿比重/(g·cm-3)泥漿粘度/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 地層材料

試驗(yàn)所用地層為天然砂土，并通過(guò)顆粒篩分儀測(cè)得地層中各粒徑的粒徑含量見(jiàn)表2．粒徑分布曲線圖如圖5所示．

圖5 粒徑分布曲線圖

粒徑4.75～2.362.36～1.181.18～0.60.6～0.30.3～0.150.15～0.075<0.075總計(jì)質(zhì)量6.28.517.4162.6250.4210.556.1711.70百分比/%0.871.192.4422.8535.1929.587.88100.00

1.3 試驗(yàn)方法

1)在儀器中裝入大約5 cm高，顆粒大小均勻的濾層．

2)將預(yù)制好的砂土樣裝入試驗(yàn)裝置，分層搗實(shí)，并從下部排水管緩緩注水，飽和地層，并用鐵絲網(wǎng)固定，防止地層倒塌．

3)將預(yù)先調(diào)配好的泥漿緩慢注入試驗(yàn)裝置中．注漿完畢后，密封儀器，打開(kāi)左側(cè)進(jìn)氣閥，注入穩(wěn)定值氣壓，模擬地層中掌子面前方的土水壓力．

4)將左側(cè)有機(jī)玻璃筒密封后放倒，為防止噴灑泥漿過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的流砂現(xiàn)象，在放倒時(shí)，使儀器傾斜，與水平方向呈約30°的角度．關(guān)閉左側(cè)空壓機(jī)，打開(kāi)右側(cè)空壓機(jī)，泥漿在右側(cè)空壓機(jī)中壓力的作用下，逐漸克服土水壓力形成穩(wěn)定泥膜．

5)打開(kāi)排水閥門同時(shí)打開(kāi)排漿閥門，排出多余的泥漿，稱量由排漿閥所排出的泥漿質(zhì)量．

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

泥膜的形成與泥漿的密度、壓力差等因素有關(guān)，壓力差的存在是保證泥膜形成的前提．泥漿在壓力作用下克服地層中的土水壓力向掌子面前方滲透，在滲透過(guò)程中，細(xì)顆粒堵塞地層中的孔隙通道，使得泥漿在地層表面得以積累，從而形成泥膜．采用單因素變量法，在壓力差保持不變的前提下，分別進(jìn)行不同泥漿密度的試驗(yàn)．為避免試驗(yàn)結(jié)果的偶然性，對(duì)壓力差加以改變，開(kāi)展多組壓力差下泥漿成膜試驗(yàn)．表3為不同壓強(qiáng)作用下，開(kāi)展不同泥漿密度試驗(yàn)的泥漿消耗量．圖6為根據(jù)表3數(shù)據(jù)所繪制的不同壓強(qiáng)下，成膜試驗(yàn)?zāi)酀{消耗量與泥漿密度的關(guān)系曲線．

表3 成膜試驗(yàn)的泥漿消耗量

圖6 泥漿消耗量與泥漿密度的關(guān)系曲線

泥漿在地層中滲透完成后，泥漿顆粒在地層表面的堆積形態(tài)可以分為：泥皮型、泥皮+滲透帶型、無(wú)泥皮或滲透帶3種類型[7]，本次試驗(yàn)中所形成的泥膜均為泥皮型泥膜(如圖7所示)．少量泥漿細(xì)顆粒滲透入地層中，大量泥漿顆粒聚集在地層表面，經(jīng)氣壓壓密在地層表面形成一致密層，致密層的存在防止了氣壓向地層中滲入，使得土壓艙中采用氣壓平衡掌子面前方的土水壓力成為可能．由圖6可以看出，當(dāng)壓強(qiáng)保持不變時(shí)，隨著泥漿密度的增大，泥漿在地層中成膜所消耗的泥漿量在減少．不同壓力下的試驗(yàn)結(jié)果均證實(shí)了該規(guī)律的存在．但泥漿并不是在試驗(yàn)中最大密度1.278 g/cm3處達(dá)到最小消耗量，而是在泥漿密度為1.223 g/cm3時(shí)，泥漿消耗量達(dá)到最低．該實(shí)驗(yàn)表明泥漿成膜存在一個(gè)最佳成膜密度，超過(guò)該密度以后，隨著泥漿的密度增大，泥漿成膜所需泥漿量反而增加．從圖6還可看出，在同一密度下，隨著壓強(qiáng)的增大，泥漿成膜所需泥漿量逐漸減少．

圖7 泥膜圖

3 結(jié)論與建議

1)泥漿在地層中有壓滲透，容易形成泥皮型泥膜，滲透帶型泥膜的形成需要對(duì)地層的顆粒級(jí)配與泥漿的顆粒級(jí)配加以綜合分析．泥膜的實(shí)質(zhì)是泥漿中的細(xì)顆粒在地層中運(yùn)動(dòng)，使得地層中的土顆?？障侗荒酀{中的細(xì)顆粒所填充，填充到一定程度后，堵塞運(yùn)動(dòng)通道，使得泥漿在地層中不再運(yùn)動(dòng)，并在地層表面形成致密的泥漿層．

2)泥膜的形成與泥漿密度、泥漿黏度、壓強(qiáng)、地層顆粒級(jí)配等多種因素有關(guān)，在保證泥漿能夠成膜的前提下，通過(guò)增大泥漿密度，可有效減少成膜所需泥漿用量．

3)本次試驗(yàn)中，并未開(kāi)展泥膜閉氣時(shí)間及閉氣值的研究，在下次試驗(yàn)中，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步研究．并將其與工程實(shí)際結(jié)合起來(lái)研究，從而更好地解決工程實(shí)際問(wèn)題．

[1] 閔凡路，徐靜波，杜佳芮，等．大直徑泥水盾構(gòu)礫砂地層泥漿配制及成膜試驗(yàn)研究[J]．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015，52(6)：141-146．

[2] 陳芝春，張振坤，徐志強(qiáng)．泥水盾構(gòu)施工泥膜成膜質(zhì)量控制試驗(yàn)研究-以穿黃隧洞工程為例[J]．水電與新能源，2015，35(4)：5-8．

[3] 孔祥鵬，白 云，徐冬洪．泥水盾構(gòu)開(kāi)挖面泥膜的彈性模量[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012，8(2):307-310．

[4] 劉 成，孫 鈞，趙志峰，等．泥水盾構(gòu)泥膜形成二維理論分析[J]．巖土力學(xué)，2013，34(6):1593-1597．

[5] 王 俊，何 川，封 坤，等．砂卵石地層中大斷面泥水盾構(gòu)泥膜形態(tài)研究[J]．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014，51(6):108-115．

[6] 韋良文，張慶賀，鄧忠義．大型泥水盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定機(jī)理與應(yīng)用研究[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào)，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．

[責(zé)任編輯 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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378176)

王 奇(1993-)，男，碩士，主要研究方向?yàn)槎軜?gòu)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