海水侵入條件下泥水盾構(gòu)泥漿及泥膜性質(zhì)變化試驗(yàn)研究

杜佳芮， 閔凡路， 姚占虎， 劉來倉(cāng)， 徐靜波

(1. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098；2. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 3. 中交第一公路工程局有限公司， 北京 100024)

0 引言

近年來，泥水盾構(gòu)工法以其安全、高效和優(yōu)越的壓力控制模式在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的海底隧道建設(shè)中逐漸被應(yīng)用，例如香港屯門—赤鱲角隧道、廈門市軌道交通2號(hào)線和3號(hào)線越海段等工程[1-3]。泥水盾構(gòu)工法的核心是配制合適的泥漿在開挖面地層上形成一層微透水的泥膜，使泥水壓力能夠有效平衡地層的水土壓力，保持開挖面的穩(wěn)定[4]。與內(nèi)陸隧道不同，海底隧道周圍地下水與海水連通，施工時(shí)會(huì)出現(xiàn)海水隨開挖面地層混入泥水艙進(jìn)而改變泥漿性質(zhì)的情況，例如國(guó)內(nèi)首條采用盾構(gòu)法施工的跨海地鐵隧道——廈門市軌道交通2號(hào)線海滄大道站—東渡路站區(qū)間隧道施工時(shí)，出現(xiàn)了因海水侵入導(dǎo)致泥漿性質(zhì)劣化的情況，對(duì)施工進(jìn)度及安全產(chǎn)生了不利的影響。因此，在海底盾構(gòu)隧道施工時(shí)，海水侵入對(duì)泥水盾構(gòu)泥漿及泥膜性質(zhì)的影響問題，成為了工程界關(guān)注的問題。

目前關(guān)于泥水盾構(gòu)在復(fù)雜工況下泥漿配制及成膜的研究，多是針對(duì)內(nèi)陸高滲透地層的泥水盾構(gòu)工程開展的。研究顯示，泥漿的密度、黏度、黏粒含量及顆粒級(jí)配等均對(duì)泥漿形成泥膜的性質(zhì)具有重要的影響[5-8]；向泥漿中添加粉土、砂子、蛭石等顆粒物以及高分子聚合物等添加劑，增加泥漿中的砂含量，有利于泥漿在高滲透地層中快速形成致密的泥膜[9-10]；泥漿成膜過程中的濾失量、所能承受的極限壓力，形成泥膜后地層中的孔壓大小，泥膜的滲透系數(shù)、孔隙比及氣壓作用下的閉氣時(shí)間等，可以用來評(píng)價(jià)泥膜性質(zhì)的好壞[11-13]。這些研究均是在淡水條件下開展的，研究成果對(duì)海水侵入條件下泥水盾構(gòu)泥漿成膜及泥膜性質(zhì)變化的研究具有重要的參考價(jià)值。關(guān)于海水對(duì)泥漿工程性質(zhì)影響的研究主要集中在沿海的樁基工程中。高超[14]在港珠澳大橋樁基工程中，采用失水量、黏度、膠體率和泥餅厚度等評(píng)價(jià)海水泥漿的性能；劉晶晶等[15]通過泥漿黏度、膠體率試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)生物黃原膠(XC)比聚陰離子纖維素(PAC)及羧甲基纖維素(CMC)對(duì)海水泥漿的增黏效果好；毛志堅(jiān)等[16]認(rèn)為采用海水直接配制泥漿雖需大量的CMC等添加劑，但是淡水需求量少、運(yùn)費(fèi)低，總體成本較低；胡建平等[17]認(rèn)為海水中的強(qiáng)電解質(zhì)氯化鈉導(dǎo)致膨潤(rùn)土顆粒在海水中處于不水化狀態(tài)，土顆粒的水化膜較薄，進(jìn)而形成絮凝結(jié)構(gòu)，降低了其護(hù)壁性能。這些研究中的泥漿均是采用海水代替全部淡水配制而成的，但缺乏對(duì)泥漿滲透形成泥餅(泥膜)性質(zhì)變化的分析。泥水盾構(gòu)工藝對(duì)泥漿及泥膜的性質(zhì)提出了更高的要求，因此，不同海水侵入量對(duì)泥水盾構(gòu)泥漿和泥膜性質(zhì)的影響亟待研究。

本文通過泥漿泌水率等基本性質(zhì)及成膜試驗(yàn)，分析海水侵入對(duì)泥漿和泥膜性質(zhì)的影響，并通過泥漿ζ電位分析產(chǎn)生這些變化的微觀機(jī)制，為海底泥水盾構(gòu)工程的泥漿配制和開挖面穩(wěn)定性分析提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)?zāi)酀{采用泥水盾構(gòu)工程中常用的膨潤(rùn)土泥漿為基漿，通過添加一定量的黏土來調(diào)節(jié)泥漿的密度和級(jí)配，添加少量2%的羧甲基纖維素(CMC)水溶液和Na2CO3干粉來調(diào)節(jié)泥漿的黏度。海水采用美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)D1141-98標(biāo)準(zhǔn)[18]配制，各化學(xué)成分含量如表1所示?？傷}類質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.58%，NaCl占鹽類總質(zhì)量的68.4%。

表1 試驗(yàn)海水的各化學(xué)成分含量

注： 占比為各化學(xué)成分質(zhì)量占鹽類總質(zhì)量的百分比。

試驗(yàn)?zāi)酀{按照膨潤(rùn)土∶黏土∶水(淡水及海水總量) = 1∶1.2∶8的質(zhì)量比來配制。試驗(yàn)中配制5組不同海水含量的泥漿： 0%、20%、50%、80%、100%。分別采用1002型泥漿比重秤、馬氏漏斗黏度計(jì)(25 ℃時(shí)測(cè)試清水25 s)、1 000 mL量筒、NXS-11A型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、MS2000型激光粒度儀、ζ電位儀等測(cè)5組泥漿的密度、漏斗黏度、2 h和24 h泌水率、黏滯系數(shù)、顆粒級(jí)配、泥漿ζ電位等基本性質(zhì)。泥漿顆粒級(jí)配曲線如圖1所示，黏粒(<5 μm)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為20%，d85約為28 μm。泥漿的基本性質(zhì)見表2。

圖1 泥漿顆粒級(jí)配曲線

泥漿編號(hào)含鹽量/%密度/(g/cm3)漏斗黏度/s黏滯系數(shù)/(×10-3 Pa·s)2 h泌水率/%24 h泌水率/%SL1-0%01.135386.100SL2-20%1.31.13833.95.62745.5SL3-50%2.11.150314.844.557.8SL4-80%2.91.15229.54.45361.5SL5-100%3.51.15229.24.35563.5

注： 泥漿SL1-0%為淡水配制的泥漿； SL1-20%指海水質(zhì)量占水質(zhì)量的20%。下同。

簡(jiǎn)易的泥水盾構(gòu)泥漿成膜試驗(yàn)裝置如圖2所示。該裝置由有機(jī)玻璃柱、燒杯、數(shù)據(jù)采集裝置和氣壓裝置組成。其中，有機(jī)玻璃柱模擬工作艙-開挖面-地層系統(tǒng)，燒杯通過數(shù)據(jù)采集裝置自動(dòng)測(cè)量濾水量。在有機(jī)玻璃柱下部裝入粒徑為2～5 mm的礫砂作為濾層，然后裝填粒徑為0.25～0.5 mm的砂地層作為試驗(yàn)地層(滲透系數(shù)為6.5×10-2cm/s，代表典型的高滲透地層)，采用先注水再裝入濾層和地層的正向飽和法飽和。注入一定高度的泥漿，密封法蘭盤，向有機(jī)玻璃柱施加0.2 MPa氣壓后，開始試驗(yàn)，具體操作參考文獻(xiàn)[19]。試驗(yàn)中記錄泥漿滲透過程中濾水量的變化，測(cè)量泥膜厚度、滲透帶厚度。最后，取出泥膜并將泥膜放入烘箱測(cè)量含水率。

圖2 泥漿成膜試驗(yàn)裝置 (單位： mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 海水侵入條件下泥漿性質(zhì)變化

由表2可以看出，隨著海水添加量的增加，泥漿密度有所增加，漏斗黏度由38 s降低到29.2 s，黏滯系數(shù)由6.1×10-3Pa·s降低至4.3×10-3Pa·s。試驗(yàn)中采用淡水配制的SL1-0%泥漿，2 h和24 h泌水率均為0，該泥漿體系均勻穩(wěn)定；SL2-20%泥漿(含鹽量1.3%)的2 h和24 h泌水率分別為27%和45.5%，泥漿已開始出現(xiàn)離析現(xiàn)象；當(dāng)海水添加量達(dá)到50%(含鹽量2.1%)以后，泥漿離析現(xiàn)象更加明顯；以SL4-80%泥漿(含鹽量2.9%)為例，靜置2 h后泌水率達(dá)到53%，24 h后則達(dá)到了61.5%，離析現(xiàn)象非常嚴(yán)重，如圖3所示； SL5-100%泥漿(含鹽量3.5%)泌水率情況與SL4-80%泥漿類似。對(duì)于一般的泥水盾構(gòu)工程，這樣的泥漿無法滿足施工中成膜和攜渣的要求，會(huì)大大增加工程施工的風(fēng)險(xiǎn)。

(a) 2 h (b) 24 h

圖3 SL4-80%泥漿泌水情況

Fig. 3 Bleeding rate of slurry SL4-80%

ζ電位是反映膠體顆粒間相互排斥或吸引的能力，是衡量膠體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。5組泥漿的ζ電位變化曲線如圖4所示。

圖4 泥漿ζ 電位隨海水添加量的變化曲線

由圖4可以看出，隨著海水添加量的增加泥漿的ζ電位值(一般取絕對(duì)值)逐漸降低。當(dāng)泥漿ζ電位值大于30 mV時(shí)可以形成穩(wěn)定的膠體結(jié)構(gòu)，也就是均勻的分散體系泥漿，試驗(yàn)中只有淡水配制的SL1-0%泥漿的ζ電位值大于30 mV，靜置24 h后未出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，泥漿體系均勻穩(wěn)定。含有海水的泥漿的ζ電位值均小于30 mV，SL5-80%泥漿ζ電位值僅為15.2 mV，無法形成穩(wěn)定的分散體系，極易出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象。

2.2 泥漿成膜試驗(yàn)分析

2.2.1 試驗(yàn)過程中濾水量與形成泥膜的形態(tài)

取5組泥漿進(jìn)行滲透試驗(yàn)，濾水量隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。濾水量隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出2種趨勢(shì)：第1種為SL1-0%和SL2-20% 2組泥漿表現(xiàn)出的，滲透初期濾水量急劇增大，后期增加速率逐漸減小直至穩(wěn)定； 第2種為SL3-50%、SL4-80%和SL5-100% 3組泥漿表現(xiàn)出的，滲透初期濾水量緩慢增加后仍有上升趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)束后，觀測(cè)到SL1-0%和SL2-20%泥漿基本上形成泥皮+滲透帶型泥膜，而SL3-50%、SL4-80%和SL5-100% 3組泥漿主要形成泥皮型泥膜，如圖6所示。

圖5 泥漿濾水量隨時(shí)間的變化曲線

(a) 泥皮+滲透帶型泥膜 (b) 泥皮型泥膜

圖6泥膜的主要類型

Fig. 6 Main types of filter cakes

濾水量隨時(shí)間的變化規(guī)律與5組泥漿的泌水率結(jié)果較為一致。SL3-50%、SL4-80%和SL5-100% 3組泥漿泌水率非常大，短時(shí)間內(nèi)即發(fā)生沉淀，導(dǎo)致滲透試驗(yàn)剛開始時(shí)靠近地層的泥漿密度增大，相當(dāng)于是更大密度的泥漿在進(jìn)行滲透，因此，這3組泥漿滲透初期濾水量增加的速率明顯較SL1-0%、SL2-20%泥漿小，而且均形成泥皮型泥膜。

2.2.2 5組泥膜基本性質(zhì)變化規(guī)律

試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量泥膜厚度l及含水率w，并推算泥膜的孔隙比及滲透系數(shù)等參數(shù)。由于泥膜在形成過程中孔隙基本上是被水充滿的，因此其飽和度Sr為100%；泥漿中黏粒體積分?jǐn)?shù)為20%左右，多數(shù)顆粒粒徑小于75 μm，則泥漿顆粒比重Gs近似取2.7。采用式(1)計(jì)算泥膜的孔隙比e。

(1)

根據(jù)泥漿滲透穩(wěn)定階段的濾水量數(shù)據(jù)，采用達(dá)西定律對(duì)泥膜的滲透系數(shù)k進(jìn)行估算[7]。由于地層滲透系數(shù)達(dá)到10-2cm/s時(shí)，估算時(shí)可忽略試驗(yàn)地層，因此滲透系數(shù)采用式(2)進(jìn)行估算。

(2)

式中：v1為濾水量；A為試驗(yàn)柱橫截面積；H為泥漿壓力提供的總水頭差；t為滲透時(shí)間；l為泥膜厚度。

5組泥漿形成的泥膜的基本物理參數(shù)見表3。由表3可以看出，隨著海水添加量的增加，泥膜厚度逐漸增大，尤其在海水添加量超過50%以后，泥膜厚度明顯增大。這一現(xiàn)象與采用豎向滲透成膜裝置以及泥漿的泌水率有很大的關(guān)系，泥漿顆粒的快速沉淀加速了泥漿顆粒成膜的速度和厚度。同時(shí)，泥膜的含水率和孔隙比隨海水添加量的增加逐漸降低，表明形成的泥膜越來越致密。然而，泥膜的滲透系數(shù)卻是逐漸變大的，這與孔隙比逐漸減小的結(jié)果似乎是矛盾的。在第3.2節(jié)會(huì)從微觀的角度來解釋這一矛盾的現(xiàn)象。

表3 泥膜的基本物理參數(shù)

3 海水添加影響泥漿和泥膜性質(zhì)的機(jī)制分析

3.1 海水添加影響泥漿泌水率的機(jī)制分析

由于本試驗(yàn)所采用的泥漿顆粒較細(xì)(d85約為28 μm)，土顆粒表面帶有負(fù)電荷，采用淡水配制泥漿時(shí)，土顆粒表面可以吸附的陽(yáng)離子較少，則泥漿的ζ電位值較高，土顆粒間斥力較大，顆?？梢暂^為均勻地分散在泥漿中(如圖7所示)，宏觀上表現(xiàn)為泥漿的均勻穩(wěn)定。而當(dāng)泥漿中混入一定量的海水時(shí)，大量的陽(yáng)離子混入泥漿中和了土顆粒表面的負(fù)電荷[20]，由于電解質(zhì)對(duì)黏土膠粒擴(kuò)散雙電層擴(kuò)散層的“壓縮”作用，使得泥漿ζ電位值降低，土顆粒間的斥力減弱，泥漿體系從細(xì)分散向粗分散轉(zhuǎn)變，黏土顆粒之間形成絮凝結(jié)構(gòu)(如圖8所示)[21]，宏觀上表現(xiàn)為快速沉淀、析水?？梢?，海水混入泥漿后引起泥漿的ζ電位值降低是導(dǎo)致泥漿泌水率增大的根本原因。

圖7 淡水配制的泥漿土顆粒分布示意

圖8 海水配制的泥漿土顆粒絮凝結(jié)構(gòu)示意

3.2 海水添加影響泥膜性質(zhì)的機(jī)制分析

泥膜作為一種特殊的飽和土，其孔隙全部由結(jié)合水和自由水填充，其中，結(jié)合水呈現(xiàn)半固體的凝膠狀態(tài)，是在土顆粒負(fù)電荷的吸引下聚集在顆粒表面的具有較大黏滯性的水膜。泥漿滲透時(shí)結(jié)合水膜可以穩(wěn)定地存在于土顆粒周圍，并會(huì)阻塞泥膜的一部分孔隙，減小過水通道，自由水只在結(jié)合水膜間的有效孔隙中流動(dòng)[22]。因此，泥膜的滲透系數(shù)應(yīng)該是由泥膜有效孔隙的大小和多少來決定的。而本試驗(yàn)中，泥膜的含水率是在105 ℃烘干條件下測(cè)得的，包括了部分結(jié)合水和自由水[23]，由該含水率計(jì)算出的孔隙比(見表3)并非泥膜的有效孔隙比。

由于土顆粒表面帶一定量的負(fù)電荷，除了可以吸引少量水中陽(yáng)離子，還可以吸引一定量的游離水分子，使其在土顆粒表面形成一層結(jié)合水膜。對(duì)于采用淡水配制的泥漿，ζ電位較高，由于可吸附的陽(yáng)離子較少、游離水分子較多，使得結(jié)合水膜較厚(如圖9所示)，因此，形成泥膜時(shí)土顆粒間孔總隙較大。但是，由于邊緣結(jié)合水膜距離土顆粒表面較遠(yuǎn)，受到較小的電場(chǎng)引力使得水膜在泥膜形成過程中被擠壓變形，使其有效孔隙減少，宏觀上表現(xiàn)為滲透系數(shù)減小。

圖9 淡水配制的泥漿成膜結(jié)構(gòu)示意

對(duì)于海水配制的泥漿，由于混入了大量的陽(yáng)離子，使得泥漿的ζ電位降低，泥漿顆粒表面因吸附了大量陽(yáng)離子而使吸附的游離水分子減少，導(dǎo)致結(jié)合水膜厚度變小(如圖10所示)，形成泥膜時(shí)土顆粒間總孔隙減小，這與試驗(yàn)中得到的泥膜含水率和孔隙比降低的結(jié)果是一致的。由于這部分結(jié)合水膜距離土顆粒表面較近，因受到較大的電場(chǎng)引力使得水膜難以被擠壓。對(duì)比圖9和圖10可以看出，海水配制泥漿形成的泥膜的有效孔隙大于淡水泥漿形成的泥膜的有效孔隙。因此，宏觀上表現(xiàn)為隨著海水添加量的增加，泥漿所形成泥膜的滲透系數(shù)逐漸增大。

圖10 海水配制的泥漿成膜結(jié)構(gòu)示意

4 結(jié)論與建議

1)海水的侵入會(huì)導(dǎo)致泥漿ζ電位降低，進(jìn)而影響泥漿穩(wěn)定性等性能。

2)泥漿中海水添加量達(dá)到某一值時(shí)(本文為50%)，所形成泥膜的形態(tài)從滲透帶+泥皮型泥膜轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗥ば湍嗄?。隨著海水添加量的增加，泥膜厚度逐漸增大，泥膜的含水率和孔隙比逐漸降低，泥膜的滲透系數(shù)逐漸變大。

3)泥漿的ζ電位降低是導(dǎo)致泥漿快速沉淀的根本原因。隨著海水的添加，泥漿的ζ電位逐漸降低，導(dǎo)致泥漿顆粒間斥力減弱，宏觀上表現(xiàn)為快速沉淀、析水。

4)對(duì)于不同土性及離子種類對(duì)泥漿性質(zhì)的影響，以及泥漿和泥膜性質(zhì)變化的微觀機(jī)制的解釋，還需要進(jìn)一步深入研究，后續(xù)研究中將更系統(tǒng)地進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。