粗粒材料粒徑及含量對高滲透性地層泥漿成膜效果的影響

張育杰，王 媛，*，王志奎，馮 迪，劉四進(jìn)，徐樹軍

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，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.中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211800)

0 引言

泥水盾構(gòu)在掘進(jìn)時，維持開挖面穩(wěn)定的核心就是在開挖面上形成微透水或者不透水的泥膜，讓泥漿壓力有效地發(fā)揮作用，平衡地層水壓力和土壓力[1-3]，以保證工程安全。當(dāng)?shù)貙訚B透性較低，如盾構(gòu)在黏土、粉土等軟土地層中施工時，單純依靠膨潤土泥漿的膨化聚團作用，可以形成致密的泥膜平衡開挖面的水土壓力；但當(dāng)?shù)貙訚B透性較高，如遇到砂礫石層、卵礫石層時，膨潤土泥漿會在壓力下迅速濾失，無法在開挖面上平衡地層水土壓力，進(jìn)而造成開挖面失穩(wěn)的嚴(yán)重事故。比如2002年瑞士蘇黎世采用泥水盾構(gòu)開挖排污管道時，由于地層滲透性較大而出現(xiàn)開挖面失穩(wěn)，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失[4]。因此，如何在高滲透性地層形成泥膜并保證其質(zhì)量，一直是工程界高度關(guān)注的問題。

針對高滲透性地層泥膜形成困難的工程問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的室內(nèi)試驗研究，常用的方法是加入粗顆粒材料、高聚物以及對傳統(tǒng)泥漿進(jìn)行改良。程展林等[5]以南水北調(diào)中線穿黃隧道穿越中粗砂地層為背景，通過室內(nèi)模型試驗研究了聚合物-膨潤土泥漿在中粗砂地層中的成膜情況,結(jié)果表明該泥漿在地層表面形成了薄且致密的泥膜；Heinz[6]的研究表明，粉土、砂土等的添加可以有效減少泥漿在地層中的滲透距離；Fritz[7]通過泥漿的支護(hù)壓力試驗，向泥漿中添加砂子、蛭石、聚合物等添加劑，發(fā)現(xiàn)其泥漿壓力可比使用普通膨潤土懸浮液的壓力高10～20倍；王振飛等[8]針對北京砂卵石地層，使用凝膠強度較大的改性鈉膨潤土配制泥漿，發(fā)現(xiàn)泥膜形成時間短，孔隙水壓穩(wěn)定快；Talmon等[9]發(fā)現(xiàn)在泥漿中添加石英砂可以縮短泥膜形成的時間。在加入粗粒材料改善泥膜形成困難的情況時，粗粒材料粒徑與含量是主要考慮的因素，前人對此也做了一些研究。Van等[10]提出了一種預(yù)測注水過程中內(nèi)泥膜地層損害的新模型，并開展了徑向巖芯流動試驗，研究表明粗粒直徑與地層孔隙直徑的比值大于1/14時，泥膜為泥皮型泥膜；Filz等[11]在巖土工程中采用了可比過濾器規(guī)則，即粗粒平均粒徑為地層平均孔徑1/3的懸浮固體在砂性地層上形成泥皮型泥膜；Talmon等[12]在孔隙度為0.35的砂層中開展泥膜形成試驗，研究得出當(dāng)粗粒直徑與地層孔隙直徑的比值大于1/3時，泥膜為泥皮型泥膜，當(dāng)粗粒直徑與地層孔隙直徑的比值大于1/7且小于1/3時，泥膜為滲透帶型泥膜；葉偉濤等[13]在純膨潤土泥漿中加入細(xì)砂，在中粗砂地層開展?jié)B透試驗，發(fā)現(xiàn)隨著泥漿中細(xì)砂含量的增加，試驗最終濾水量先減小后增大；劉成等[14]在砂性地層開展?jié)B透試驗，通過在泥漿中分別添加單一粒徑砂，發(fā)現(xiàn)添加粗粒材料可改善成膜抗沖破能力，縮短泥膜恢復(fù)時間，但增加到一定量時其提升效果不再明顯。以上研究表明，向膨潤土泥漿中加入砂子、聚合物或者使用改性膨潤土，能夠改善高滲透性地層成膜不易的現(xiàn)狀，但是由于砂子的沉降分離和聚合物的環(huán)境污染以及改性膨潤土的費用昂貴問題，無法大量推廣使用；同時，形成質(zhì)量良好的泥皮型泥膜，需控制粗粒粒徑在地層孔隙直徑的1/3以上，但是粗顆粒材料的粒徑并不能無限增大，而是否存在一個合適的粒徑范圍有待研究。

為了研究粗粒材料粒徑及含量對高滲透性地層泥漿成膜效果的影響，本文選用密度小的蛭石作為粗粒材料，以地層平均孔徑作為參考標(biāo)準(zhǔn)來劃分其粒徑，同時采用體積比來控制添加含量，采用自制的泥漿成膜裝置，在粒徑為7～8 mm的純白色礫石地層中開展泥漿成膜試驗，并對濾失量和成膜時間進(jìn)行分析，得到粗粒材料粒徑及含量對泥膜形成的影響規(guī)律，以期為泥水盾構(gòu)在高滲透性地層中的施工提供借鑒。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

高滲透性地層顆粒粒徑往往較大，閔凡路等[15]的室內(nèi)試驗結(jié)果表明當(dāng)?shù)貙訚B透系數(shù)大于1 cm/s時，泥漿會沿著地層流失，基本上不會形成泥膜，并將這一難以形成泥膜的地層定義為高滲透性地層，而這一地層的顆粒粒徑在1～2 mm。為滿足室內(nèi)試驗的高滲透要求，選用7～8 mm的均勻礫石作為模擬高滲透地層的試驗材料。為了使試驗結(jié)果更有利于觀察，本文選用的礫石為純白色礫石。需要測量的地層參數(shù)主要為滲透系數(shù)和孔隙度，滲透系數(shù)采用常水頭試驗測定，測試結(jié)果如表1所示。為了量化地層特征，采用地層平均孔徑的概念，地層平均孔徑的計算方法有多種，但因為Min等[16]將使用的地層平均孔徑計算方法得到的數(shù)據(jù)與PoreMaster 60GT型壓汞儀數(shù)據(jù)做了對比，兩者基本一致，驗證了計算方法的準(zhǔn)確性。于是選取該計算方法作為計算地層平均孔徑的標(biāo)準(zhǔn)，其公式為

表1 地層參數(shù)取值Table 1 Formation parameters

(1)

表2 蛭石添加參數(shù)Table 2 Vermiculite parameters

1.2 試驗裝置

采用自行研制的泥漿滲透成膜試驗裝置開展研究，試驗裝置包括加壓系統(tǒng)、泥漿滲透柱及濾液收集系統(tǒng)，試驗裝置組成結(jié)構(gòu)和實物如圖1所示。加壓系統(tǒng)由空壓機和調(diào)壓閥組成，空壓機進(jìn)行加壓，調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓力(最高可調(diào)節(jié)壓力為1 MPa)；滲透柱為內(nèi)徑8 cm、高40 cm的透明有機玻璃筒，是進(jìn)行泥漿成膜的主要場所；濾液收集系統(tǒng)主要由電子天平和搜集器皿組成。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experiment device

1.3 試驗步驟

1)地層制備。選用7～8 mm的細(xì)礫石(地層平均孔徑的平均值為0.9 mm)作為地層材料。地層均分為4份，依次裝入滲透柱內(nèi)均勻擊實，控制地層高度為20 cm。

2)由于礫石顆粒大，在水流下比較穩(wěn)定，所以緩慢從上部注水飽和地層。

3)配制好泥漿，并向上部加入6 cm高的泥漿，密封裝置，靜置5 min，通過空氣壓力機施加壓力，在壓力作用下泥漿受壓并侵入地層。裝置底部開設(shè)排水管，用來收集試驗過程中滲出的水或泥漿，測量試驗過程中泥漿的濾失量。

4)用調(diào)壓閥設(shè)置初始壓力為50 kPa，測定每隔20 s的泥漿在地層中的滲透量，并觀察滲水體清濁，每級壓力維持2 min；待每級壓力下濾失量穩(wěn)定后繼續(xù)加載，采用分級加載的方式，壓力增量為50 kPa，各級壓力分別為50、100、150、200、250、300 kPa，最大加載至300 kPa，試驗過程中記錄總濾失量變化及泥漿入滲地層深度。

5)試驗結(jié)束后，刮除表面泥漿，取出泥膜進(jìn)行觀測。

當(dāng)泥漿在第1級壓力下大量濾失，且滲出液基本為泥漿時，則停止試驗；在300 kPa壓力下，依然發(fā)生穩(wěn)定滲透，但濾失量很小時，同樣停止試驗。本試驗測得滲透量用濾失液體的質(zhì)量表征，單位為g。

2 試驗結(jié)果分析

由于是在高滲透性地層，泥漿發(fā)生滲透過程中其狀態(tài)無法實時獲取，所以選取易于獲取的濾失量和成膜時間作為主要分析依據(jù)[17]。

2.1 粗粒材料粒徑對成膜效果的影響

采用12種泥漿進(jìn)行試驗，粗粒材料的粒徑分為4種。其中，當(dāng)加入粒徑為0.5 mm的粗粒材料時，粗粒含量為20%、40%、60%的3種泥漿均無法形成泥膜，在第1級壓力下，泥漿液面加速下降，水分迅速濾失，泥漿噴失；短時間后，不再有濾液滲出，局部地層被擊穿，其滲透情況如圖2所示，濾失量如表3所示。

圖2 加0.5mm粗粒材料基礎(chǔ)泥漿地層滲透情況Fig.2 Formation permeability of basic slurry with 0.5 mm coarse-particle materials

表3 加0.5mm粗粒材料基礎(chǔ)泥漿濾失量統(tǒng)計Table 3 Statistics of basic slurry filtration with 0.5 mm coarse-particle materials

加入0.75、1、2 mm粒徑粗粒的泥漿均可以形成泥膜，為了僅對粒徑影響進(jìn)行分析，控制粗粒添加量為60%左右。圖3示出了逐級加載濾失量與加壓時間的關(guān)系曲線。

由表3和圖3可以看出：當(dāng)加入0.75～2 mm的粗粒材料時，隨著粗粒材料粒徑的增大，濾失量逐漸增大，分別為53.9、120.2、240.3 g；而加入60%的0.5 mm粗粒材料時，泥漿濾失量為168 g。綜合來看，在加入0.5～2 mm粗粒材料時，濾失量隨著粗粒材料粒徑的增大有先減小后增大的趨勢，且在基礎(chǔ)泥漿中加入2 mm的粗粒材料時，第2級壓力下泥漿大量濾失，隨后趨于穩(wěn)定，粗粒材料粒徑過大在一定程度上會帶來成膜的不穩(wěn)定性。

圖3 逐級加載濾失量與加壓時間的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curves between filtration and pressurization time

2.1.1 粗粒材料粒徑對成膜時間的影響

在工程上泥膜形成越快越好，而泥膜形成時間是需要關(guān)注的問題。根據(jù)韓曉瑞[18]和閔凡路[19]的研究成果，泥膜一般在第1級壓力下形成，而在泥膜形成時間的研究上，前人給出了各自的標(biāo)準(zhǔn)：魏代偉等[20]將孔隙水壓力轉(zhuǎn)化率達(dá)到不變的時間定義為成膜時間；吳迪等[21]以孔隙填充率達(dá)到 80%作為泥漿成膜時間。本文以第1級壓力下泥漿濾失量變化率小于0.10 g/s的時間點作為泥膜形成時間。為了方便獲取泥膜形成時間，對第1級泥漿壓力下的濾水量進(jìn)行擬合。根據(jù)其曲線變化，采用以下雙曲線公式進(jìn)行擬合：

(2)

式中：a、b為系數(shù)；t為時間。

擬合情況如表4所示。

表4 濾水量擬合曲線參數(shù)及成膜時間Table 4 Parameters of filtration curves and filter-cake forming time

2.1.2 綜合分析

2.2 粗粒材料含量對成膜效果的影響

粗粒材料含量對成膜效果也有很大的影響。圖4示出了加入0.75 mm和1 mm粒徑粗粒材料的泥漿在不同含量下濾失量的變化曲線。通過圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著粗粒材料含量的增加，濾失量逐漸減小。從成膜時間上看，20%的粗粒材料含量無法形成泥膜，對于40%與60%的粗粒材料含量，采用前述擬合公式可以得到泥膜形成時間分別為102 s和71 s。綜合來看，粗粒材料含量的增加會帶來濾失量和成膜時間的減小，但是隨著含量繼續(xù)增大，這種效應(yīng)會逐漸減小，如圖4(b)所示(40%與60%的粗粒材料含量對應(yīng)的濾失量曲線基本一致)，原因是初始粗粒材料含量的增加會與泥漿顆粒一起協(xié)同堵塞地層顆粒，但是隨著地層孔隙被堵塞完全，后續(xù)加入的粗粒無法發(fā)揮作用，造成含量對成膜效果的提升降低。同時，綜合分析粒徑與含量的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，隨著粗粒材料粒徑的增大，其含量帶來的增益效果在明顯減弱，粗粒粒徑是主要影響因素，相比之下，粗粒材料含量的作用并不明顯。

2.3 粗粒添加物泥漿在地層中的滲透模式

粗粒添加物泥漿在地層中的滲透情況比較復(fù)雜，本文將地層平均孔徑作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，將泥漿在地層中的運動分為2種形式，如圖5所示((a)和(b)屬于形式1，(c)和(d)屬于形式2)。

形式1：當(dāng)粗粒材料粒徑小于地層平均孔徑時，會發(fā)生圖5(a)與圖5(b)2種情況。粗粒材料粒徑過小時，粗粒材料在壓力下會迅速進(jìn)入地層隨水分一起流失，無法和泥漿一起共同堵塞地層孔隙形成泥膜，如圖5(a)所示；隨著粗粒材料粒徑的增大，粗粒與粗粒之間可以良好配合封堵孔隙，或者粗粒與泥漿之間相互配合封堵孔隙，往往能形成致密且結(jié)構(gòu)好的泥膜，如0.75 mm粗粒材料泥漿形成的泥膜，其泥膜形態(tài)如圖6(a)所示。

(a) 0.75 mm

圖5 粗粒添加物泥漿在地層中滲透情況Fig.5 Permeability of slurry with coarse-particle additive in formation

形式2：當(dāng)粗粒材料粒徑大于地層平均孔徑時，會發(fā)生圖5(c)和圖5(d)2種情況。粗粒材料無法隨泥漿一起進(jìn)入地層堵塞孔隙，只能堆積在地表，形成“粗粒堆積孔隙”。當(dāng)形成的“粗粒堆積孔隙”比較小時，若保證膨潤土含量充足，泥膜是可以形成的，但是形成的泥膜往往結(jié)構(gòu)比較松散，如2 mm粗粒材料泥漿形成的泥膜，其泥膜形態(tài)如圖6(b)所示。當(dāng)粗粒材料粒徑繼續(xù)加大時，泥漿會穿透“粗粒堆積孔隙”，進(jìn)入地層大量濾失，從而無法形成泥膜。同時，粗粒含量不夠時，會造成地表覆蓋不均勻的情況，導(dǎo)致泥漿沿局部區(qū)域發(fā)生大量濾失。

(a) 0.75 mm粒徑粗粒材料

(b) 2 mm粒徑粗粒材料圖6 添加不同粒徑粗粒材料形成的泥膜形態(tài)Fig.6 Morphology of filter-cake formed by adding different coarse-particle materials

3 結(jié)論與建議

通過在普通膨潤土基漿中添加不同粒徑和不同含量的粗粒材料，開展室內(nèi)泥膜形成試驗，并對濾水量、成膜時間進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

2)粗粒材料含量對成膜具有一定影響，但影響范圍有限，當(dāng)粗粒材料含量在20%～40%時，含量越大，成膜效果越好，但隨著含量繼續(xù)增大，這種效應(yīng)會減弱，原因是隨著地層孔隙被堵塞完全，后續(xù)加入的粗粒材料無法發(fā)揮作用，造成含量對成膜效果的提升降低。

3)粗粒含量在20%～60%時，粗粒材料粒徑對成膜效果的影響程度大于含量，粒徑的增大會削弱含量帶來的增益效果，實際工程中建議主要考慮粒徑的選擇。

4)對泥膜要求較高的區(qū)域，除進(jìn)一步提高泥膜質(zhì)量外，還需要考慮泥漿密度、初始泥漿壓力、粗顆粒材料級配的影響，這是后續(xù)要重點研究完善的方面；同時，氣壓損失量是工程中需重點關(guān)注的指標(biāo)，而本文并沒有進(jìn)行這一指標(biāo)的檢測，后續(xù)會開展相關(guān)試驗進(jìn)行檢測。