泥水盾構(gòu)泥漿性質(zhì)與泥膜形成試驗(yàn)研究

趙程

摘 要：泥膜是維持泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定的主要原因，為了解決泥水盾構(gòu)在高滲透性砂土地層掘進(jìn)過程中的泥漿配比和滲透成膜問題，自主研發(fā)試驗(yàn)裝置開展室內(nèi)試驗(yàn)，采用正交設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法研究不同變量因素對(duì)泥漿粘度和濾水量的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明，羧甲基纖維素（CMC）是影響泥漿粘度的首要因素，膨水比對(duì)泥漿粘度影響有限;濾水量受泥漿比重影響最為顯著，隨著泥漿比重的提高，泥漿濾水量降低，適當(dāng)增加粘土粒徑可以有易于泥漿滲透成膜.試驗(yàn)結(jié)果對(duì)泥水盾構(gòu)施工有指導(dǎo)和借鑒意義.

關(guān)鍵詞：泥水盾構(gòu);砂性地層;泥漿;泥膜：正交設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU411? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2020）01-0074-04

1 引言

近年來，隨著施工技術(shù)與機(jī)械設(shè)備制造水平的發(fā)展，泥水平衡盾構(gòu)以其優(yōu)良的壓力控制模式和土層適應(yīng)廣泛的特點(diǎn)在水下交通隧道建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3].泥水平衡盾構(gòu)通過調(diào)節(jié)壓力艙的泥漿壓力來平衡開挖地層中的土壓力和水壓力，由于泥漿壓力大于開挖地層的孔隙水壓力，泥漿中的細(xì)小土顆粒在壓力差的作用下向地層中滲透，在開挖面上形成不透水的泥膜，通過形成的泥膜，泥漿壓力可以有效地平衡開挖地層中的土壓力和水壓力.如果在開挖面上無法形成泥膜，將導(dǎo)致泥漿大量濾失，泥漿壓力無法有效地作用在開挖面上，從而導(dǎo)致開挖面變形、坍塌或過大的地表沉降.因此，研究影響泥水盾構(gòu)泥膜形成的因素具有重要的工程價(jià)值和理論意義.

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)影響泥水盾構(gòu)泥膜形成的因素做了大量研究.韓曉瑞[4]等通過室內(nèi)試驗(yàn)裝置研究了不同泥漿性質(zhì)對(duì)泥膜形成質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)泥漿的粘性越大，越容易形成致密性較好的泥膜.閔凡路[5]研究了高滲透性地層中泥漿的顆粒級(jí)配與地層孔隙間的關(guān)系，并且認(rèn)為泥漿在地層中的滲透曲線類型與泥漿顆粒在地層表面的堆積形態(tài)類型有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系.Watanabe[6]等研究了泥漿含砂量對(duì)泥漿成膜質(zhì)量的影響，提出了適當(dāng)增加輕質(zhì)砂等細(xì)顆粒可以有效降低泥漿濾失量的結(jié)論;Min[7]等基于室內(nèi)試驗(yàn)中泥漿顆粒在地層表面的堆積形態(tài)將泥膜分為“泥皮型”、“泥皮+滲透帶型”和“滲透帶型”3種類型，各種類型泥膜的形成主要取決于泥漿顆粒級(jí)配和地層孔徑.吳迪[8]等針對(duì)高滲透應(yīng)砂性土層的泥漿成膜問題，發(fā)現(xiàn)泥漿的相對(duì)密度對(duì)泥膜的濾水量有較大的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明相對(duì)密度為1.20～1.25g/cm3時(shí)填充效果最好.張寧[9]等研究發(fā)現(xiàn)孔隙比是影響泥膜形成厚度的主要因素，孔隙比越小，泥膜厚度越大，閉氣性能越好.加瑞[10]等通過三維顆粒流程序，模擬了不同顆粒級(jí)配和密度的泥漿在泥漿壓力作用下移動(dòng)和泥膜形成的情況，研究表明泥漿密度，顆粒級(jí)配和地層孔徑都是影響泥膜形成質(zhì)量的主要因素.

在已有的泥漿性質(zhì)對(duì)泥膜形成質(zhì)量試驗(yàn)研究中，通常采用控制變量法，考慮改變制漿材料配比，或者不同地層的孔隙研究不同泥漿性質(zhì)下的成膜效果，對(duì)于各個(gè)因素如何影響泥漿性質(zhì)從而導(dǎo)致成膜效果的不同缺乏系統(tǒng)性的整體聯(lián)系和把握，本文設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)[12-14]調(diào)配泥漿，通過正交實(shí)驗(yàn)表來對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、綜合比較、統(tǒng)計(jì)分析，這是以少數(shù)試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到較好的試驗(yàn)效果，有利于整體把握影響泥漿滲透成膜效果的主要因素.

2 泥漿配比及成膜性能研究

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)?zāi)酀{由膨潤(rùn)土、羧甲基纖維素（CMC）、水，碳酸鈉和不同粒徑固體顆粒（粘土、輕質(zhì)砂等）按照不同配比制備而成.膨潤(rùn)土的主要礦物成分是層片狀結(jié)構(gòu)的蒙脫石，一般帶有負(fù)電荷，溶于水中成懸浮狀或膠凝狀，具有較好的吸濕性和膨脹性，本試驗(yàn)選取鈉基膨潤(rùn)土作為基漿材料;羧甲基纖維素是一種高分子化合物，帶有很多羥基，親水性很強(qiáng)，其溶于水時(shí)具有極高的粘性，因此多用作增粘劑使用;碳酸鈉是泥漿分散劑，可以有效增加膨潤(rùn)土溶液懸浮顆粒之間的靜電排斥力從而改善泥漿的穩(wěn)定性.本試驗(yàn)選用三種不同粒徑范圍的粘土、粉土和輕質(zhì)砂作為泥漿的填充材料，粒徑范圍分別為：<=0.075mm、0.075～0.25mm、0.25～0.5mm顆粒，通過添加不同粒徑范圍的填充物來改變泥漿級(jí)配和泥漿比重.本試驗(yàn)地層材料選用福建標(biāo)準(zhǔn)砂、粗砂、碎石子等經(jīng)篩分獲得中粗砂和礫砂作為泥漿滲透的地層材料，地層材料的物理參數(shù)如表1.

2.2 試驗(yàn)方案

在泥水盾構(gòu)工程中，膨水比，粘土含量，顆粒級(jí)配，地層孔隙大小以及泥漿比重，粘度都對(duì)泥膜的形成有較大的影響.本試驗(yàn)以膨水比、羧甲基纖維素（CMC）含量、泥漿比重和粘土顆粒粒徑為4個(gè)變量因素，各選擇三個(gè)水平，以泥漿濾水量和泥漿粘度為研究對(duì)象，作L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，如表2-3.

2.3 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)過程

為了更好地探究泥漿性質(zhì)對(duì)泥漿成膜效果的影響，自主設(shè)計(jì)研發(fā)了一套泥漿滲透成膜裝置（如圖1）.試驗(yàn)裝置主要包括四個(gè)部分：動(dòng)力裝置、調(diào)壓裝置、泥漿滲透裝置，濾液收集和測(cè)量裝置，具體布置見圖1.動(dòng)力裝置為型號(hào)1800W-40L的空壓機(jī)，流速為0.12m3/min，工作壓力可達(dá)0.8MPa;調(diào)壓裝置可以調(diào)節(jié)和監(jiān)測(cè)空壓機(jī)內(nèi)部壓力，調(diào)壓精度為0.01MPa;泥漿滲透試驗(yàn)裝置為高75cm，內(nèi)徑80mm的有機(jī)玻璃筒，筒壁側(cè)面貼有刻度尺;頂部是一塊厚約20mm的鋁制蓋板，有機(jī)玻璃筒和鋁制蓋板之間安裝了O型硅膠密封圈以確保氣密性;上蓋板蓋板中部連接有一個(gè)量程為1MPa壓力表，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有機(jī)玻璃筒的內(nèi)部壓力，試驗(yàn)過程的排水量通過量杯收集，并由電子秤實(shí)時(shí)讀數(shù)，電子天平精度為0.1g.此外，本試驗(yàn)采用1006型泥漿粘度計(jì)、NB-1型泥漿比重計(jì)分別測(cè)量泥漿的粘度和相對(duì)密度.

試驗(yàn)過程：首先在試驗(yàn)筒中裝入粒徑為5～10mm的碎石子作為濾水層并壓平擊實(shí)，控制高度約5cm（滲透系數(shù)約為1.5cm/s）;然后裝入不同顆粒級(jí)配的砂土，分層裝入并擊實(shí)，分5層制備控制地層總高度約15cm;試驗(yàn)開始前，從有機(jī)玻璃筒底部排水管緩慢注水，從下向上對(duì)地層進(jìn)行飽和，地層飽和后關(guān)閉排水閥，將預(yù)先制備好的泥漿漿液緩慢注入有機(jī)玻璃筒，注意要避免擾動(dòng)地層顆粒，注入漿液約30cm后蓋上鋁制蓋板，擰緊蓋板保證氣密性良好;通過調(diào)壓閥設(shè)置泥漿初始?jí)毫?，打開排水閥門，待壓力傳遞到泥漿液面上，測(cè)定兩小時(shí)泥漿的濾水量.試驗(yàn)時(shí)采用分級(jí)加載，速率為0.05 MPa/5min，當(dāng)試驗(yàn)壓力達(dá)到0.4MPa（即泥水盾構(gòu)帶壓開艙的工作壓力值），保持壓力恒定，觀察并記錄泥漿的濾水量.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析表

泥漿在泥漿壓力和地下水壓差的作用下向地層中滲透，由于地層具有孔隙特性，隨著泥漿的不斷滲入，地層中的孔隙通道會(huì)逐漸被泥漿顆粒淤堵沉積，而如此又會(huì)阻滯泥漿的進(jìn)一步滲透，隨著滲透過程的不斷反復(fù)進(jìn)行，最終在地層表面形成微透水或不透水的泥膜.表5以泥漿粘度為研究對(duì)象，通過表中極差分析可知，RCMC含量>R膨水比>R比重>R粘土粒徑，這表明CMC含量對(duì)泥漿粘度有顯著影響，是影響泥漿粘度的首要因素，泥漿比重和膨水比是影響粘度的次要因素，粘度粒徑對(duì)泥漿粘度的影響最小;表6以泥漿濾水量為研究對(duì)象，由極差分析表可知，R比重>RCMC含量>R粘度粒徑>R膨水比，這說明濾水量受泥漿比重影響最大，泥漿比重是影響濾水量的首要因素，CMC含量和粘度粒徑是影響泥漿濾水量的次要因素.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)得出的初步結(jié)論，分析泥漿組成各因素對(duì)泥漿粘度和濾水量的影響變化規(guī)律圖.CMC是一種很好的增粘劑，少許CMC就可以增加泥漿的粘度，當(dāng)CMC含量超過0.5%時(shí)，泥漿粘度迅速增加，隨著CMC用量的繼續(xù)增加，泥漿粘度顯著增大，這是因?yàn)镃MC是一種親水高分子化合物，通過氫鍵與水分子結(jié)合，減少泥漿顆粒自由活動(dòng)，從而使泥漿顆粒容易在地層孔隙處逐漸淤堵沉積形成泥膜，泥漿的濾水量明顯降低.泥漿比重是影響泥漿濾水量的首要因素，隨著泥漿比重的增加，濾水量逐漸近似呈線性下降，當(dāng)比重較低時(shí)（低于1.2g/cm3），其對(duì)泥漿粘度的影響較小，當(dāng)泥漿比重較高時(shí)，隨著比重逐漸增加，泥漿粘度有增加的趨勢(shì)，但沒有CMC含量對(duì)泥漿粘度的影響明顯.膨水比對(duì)泥漿的粘度有較大影響，這是因?yàn)榕驖?rùn)土溶于水成懸浮狀或膠凝狀，提高單位質(zhì)量的膨潤(rùn)土摻入量可以提高泥漿的粘度，降低泥漿的濾水量，但是其對(duì)泥漿的粘度影響有限.粘土粒徑可以起到改善泥漿顆粒級(jí)配，有利于泥漿在滲透地層過程中淤積堵塞地層孔隙，從而快速成膜，降低泥漿濾水量.

4 結(jié)論

（1）自主設(shè)計(jì)研發(fā)了泥漿滲透成膜試驗(yàn)裝置，研究了高滲透性砂土地層泥水盾構(gòu)泥漿組成成分對(duì)泥膜形成的影響，試驗(yàn)結(jié)果可以為類似理論研究提供借鑒和參考.

（2）通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究了不同制漿因素對(duì)泥漿滲透成膜的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：CMC含量是影響泥漿粘度的首要因素，增加膨潤(rùn)土的摻入量也可以提高泥漿粘度，但效果遠(yuǎn)沒有增加CMC含量明顯;泥漿比重是影響濾水量的最大因素，當(dāng)泥漿比重大于1.2g/cm3，其對(duì)泥漿粘度影響有限.

（3）適當(dāng)增加粘土粒徑（0.075～0.25mm），可以有效改善泥漿的顆粒級(jí)配，從而易于快速成膜降低濾水量.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕王夢(mèng)恕.中國(guó)盾構(gòu)和掘進(jìn)機(jī)隧道技術(shù)現(xiàn)狀、存在的問題及發(fā)展思路[J].隧道建設(shè)，2014，34（3）：179–187.

〔2〕李元海，靖洪文，王文龍.隧道工程施工監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)科技論文在線，2011，6（11）：863-870.

〔3〕孫鈞.論跨江越海建設(shè)隧道的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與問題[J].隧道建設(shè)，2013，33（5）：337-342.

〔4〕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.

〔5〕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.

〔6〕WATANABE T，YAMAZAKI H.Giant size slurry shield is a success in Tokyo [J].Tunnels and Tunnelling，1981，13（1）：13-17.

〔7〕MIN Fan-lu， ZHU Wei， LIN Cheng， 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.

〔8〕吳迪，周順華，溫馨.砂性土層泥水盾構(gòu)泥漿成膜性能試驗(yàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34（5）.

〔9〕張寧，朱偉，姚占虎，等.泥水盾構(gòu)帶壓開艙時(shí)泥膜性質(zhì)對(duì)其閉氣性的影響研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015（4）：62–67.

〔10〕加瑞，朱偉，閔凡路.泥漿顆粒級(jí)配和地層孔徑對(duì)泥水盾構(gòu)泥膜形成的影響[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2017（8）.

〔11〕魏代偉，朱偉，閔凡路.砂土地層泥水盾構(gòu)泥膜形成時(shí)間及泥漿壓力轉(zhuǎn)化率的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2014（2）：423.

〔12〕劉鴻燕，裴靈.正交試驗(yàn)對(duì)抗鹽泥漿配方的優(yōu)選與優(yōu)化[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（8）：6-8.

〔13〕王承源.正交試驗(yàn)在配制鉆井泥漿中的應(yīng)用[J].建井技術(shù)（3）：37-39+49.

〔14〕王廷.強(qiáng)滲透地層泥水盾構(gòu)綠色泥漿配制及其適應(yīng)性研究[D].北京交通大學(xué)，2015.

〔15〕劉成，湯昕怡，高玉峰.砂性地層孔隙特征對(duì)泥水盾構(gòu)泥漿成膜的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，39（11）.