咸水環(huán)境下泥水盾構(gòu)泥漿配比試驗(yàn)研究

劉 鵬，趙 程

(1.中鐵隧道第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 天津 300308；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071；3.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

近年來，泥水平衡盾構(gòu)由于具有廣泛的地層適應(yīng)性以及良好的壓力控制模式，被廣泛應(yīng)用于水下交通隧道施工[1-3]。水下隧道掘進(jìn)距離長，穿越地層條件復(fù)雜多變，施工風(fēng)險高、難度大，且施工過程中經(jīng)常會遇見刀盤刀具過量磨損、刀盤結(jié)餅、遭遇障礙物等問題不得不進(jìn)行開艙檢修。由于水下隧道一般不具備地層加固常壓開艙的條件，稍有不慎將會面臨巨大的工程風(fēng)險，如突水涌泥、開挖面坍塌、地表沉降和人員傷亡等[4-6]。為了能夠安全地完成開艙作業(yè)以及保持開挖面的穩(wěn)定性，需要在開挖面上形成質(zhì)量較好的泥膜，然而盾構(gòu)停機(jī)處多位于江河底部，地層滲透性高、水壓力大，如何在開挖面上形成致密的泥膜、保證開挖面穩(wěn)定成為工程界關(guān)注的難題之一。

為了探尋不同地層條件下泥漿配比成膜的影響。Fritz[7]通過添加砂、礫石、高分子聚合物等，研究了不同添加劑對泥漿成膜效果的影響，提出適合盾構(gòu)施工的添加劑合理配比。Watanabe等[8]在滲透性較大的地層中開展了泥漿滲透成膜試驗(yàn)，得出泥漿濾失量隨著泥漿密度增大而減小的結(jié)論。閔凡路等[9-11]進(jìn)行了不同壓力條件下的泥漿滲透試驗(yàn)，提出泥水盾構(gòu)開挖面泥膜致密性評價指標(biāo)。劉成等[12]通過在不同孔隙特征地層中開展?jié)B透成膜試驗(yàn)，研究了地層孔隙特征對泥漿成膜特征的影響規(guī)律。姜騰等[13]通過對南京緯三路過江通道泥水盾構(gòu)工程的研究，給出在江底高滲透地層帶壓開艙的合理泥漿密度范圍。呂乾乾等[14]研究了海水環(huán)境下的泥漿性能和配比試驗(yàn)，認(rèn)為加入HPMC可以改善海水環(huán)境下的泥漿成膜效果。

但上述研究僅考慮改變制漿材料配比因素研究不同泥漿性質(zhì)下的成膜效果，或者直接研究材料配比的單因素變化對于成膜效果的影響，對于何種因素改變泥漿性質(zhì)引起成膜效果的不同缺乏整體的聯(lián)系和把握。通過因素變化-泥漿性質(zhì)差異-成膜效果影響的研究思路，研究因素變化下泥漿相對密度和黏度的改變對于泥膜濾水量的影響，可以在探究泥漿性質(zhì)對濾水量影響的基礎(chǔ)之上，針對性改變材料配比從而改善泥漿成膜效果。此外，文獻(xiàn)多偏向于淡水環(huán)境下泥漿配比的研究，但是在實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，跨海施工段地層中的咸水易從開挖面處進(jìn)入泥水艙并與泥漿混合，導(dǎo)致泥漿性質(zhì)發(fā)生改變，從而影響開挖面處的穩(wěn)定。咸水環(huán)境下的泥漿配比以及泥漿如何滲透成膜維持開挖面的穩(wěn)定缺乏相關(guān)的研究和探討。本研究以青島地鐵跨海盾構(gòu)在咸水環(huán)境下的高滲透性砂土地層掘進(jìn)為背景，著重模擬泥水盾構(gòu)在開艙檢修的高壓環(huán)境下(約0.4 MPa)的泥漿配比和滲透成膜,自主設(shè)計泥漿滲透成膜試驗(yàn)裝置，采用控制變量和析因分析的方法，開展咸水環(huán)境下泥漿配比研究，并添加淡水泥漿作為對照組進(jìn)行分析。

1 工程概況

青島地鐵8號線全長約61.4 km，共設(shè)車站18座，其中高架站1座，地下站17座，主線串聯(lián)了膠州市、紅島高新區(qū)、李滄區(qū)、市北區(qū)、市南區(qū)5個行政區(qū)，是連接青島新機(jī)場、北岸城區(qū)、東岸城區(qū)的快速骨干線路，設(shè)計最高運(yùn)行速度120 km/h，總工程投資約為321億元，預(yù)計2021年全線通車。8號線過海段(大洋站—青島北站區(qū)間)全長7.8 km，其中海域段長度5.4 km，為8號線關(guān)鍵控制性工程，其中要穿越970 m長的地質(zhì)斷裂帶，斷裂帶地下水豐富、單點(diǎn)涌水量大且夾帶泥渣。為了保證盾構(gòu)機(jī)安全掘進(jìn)施工和高壓下開艙換刀，需要泥漿滲透成膜具有較好的質(zhì)量和良好的閉氣性。

根據(jù)青島海洋地質(zhì)工程勘察院給出的《青島市地鐵8號線工程勘察第一標(biāo)段大洋站至青島北站巖土工程勘察報告》(工程編號：YK2016-009-2)，該施工段地下水主要為構(gòu)造基巖裂隙水和巖類孔隙水。地下水總礦化度 7.8～8.6 g/L，屬于咸水，與海水水質(zhì)(海水總礦化度≥19.5 g/L)對比較為明顯，說明該裂隙水非海水補(bǔ)給。查閱相關(guān)資料并綜合工程地質(zhì)條件，采用質(zhì)量比為3%的NaCl溶液模擬施工段地下水。施工段主要巖性為中粗砂和強(qiáng)風(fēng)化砂巖，滲透系數(shù)較大，主要性質(zhì)如表1所示。本工程過海段最大埋深約為55 m，其中覆土約25 m，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，部分刀具磨損嚴(yán)重，不得不停機(jī)進(jìn)行刀具檢修或者更換，在這種高滲透性砂土地層中帶壓開艙，泥膜的形成對開挖面穩(wěn)定非常重要。因此，快速在開挖面上形成質(zhì)量較好的泥膜，將泥水壓力轉(zhuǎn)化為有效支護(hù)壓力從而保持開挖面穩(wěn)定，具有很高的研究價值和意義。

表1 盾構(gòu)機(jī)穿越主要地層基本性質(zhì)

2 泥漿配比及泥漿滲透成膜試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

自主設(shè)計研發(fā)了泥漿滲透成膜試驗(yàn)裝置，模擬帶壓開艙環(huán)境下(氣壓約為0.4 MPa)的泥漿滲透成膜過程，主要包括氣壓加載系統(tǒng)、泥漿滲透系統(tǒng)、濾液收集及測量系統(tǒng)，具體布置見圖1。氣壓加載系統(tǒng)空壓機(jī)輸出口處有調(diào)壓閥，用以調(diào)節(jié)空壓機(jī)的輸出壓力，調(diào)壓精度為0.01 MPa，最高可提供0.8 MPa的穩(wěn)定工作壓力，裝置內(nèi)部的氣壓則由蓋板頂部的壓力表實(shí)時監(jiān)測。泥漿滲透試驗(yàn)裝置為高80 cm、內(nèi)徑90 mm的有機(jī)玻璃筒，壁厚20 mm，筒壁側(cè)面貼有刻度尺；頂部是一塊厚約20 mm的鋁制蓋板，上部開有進(jìn)氣插口與空壓機(jī)連接，有機(jī)玻璃筒和鋁制蓋板之間安裝了O型硅膠密封圈用以保證裝置氣密性；有機(jī)玻璃筒底部設(shè)有排水閥，泥漿滲透時排出的濾液由量杯收集并通過電子秤實(shí)時讀數(shù)。

圖1 泥漿滲透成膜試驗(yàn)裝置

泥水盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，泥漿在泥水艙中泥漿壓力作用下滲入地層中，滲透過程中泥漿顆粒逐漸沉積淤堵在地層孔隙或者開挖面表面，形成一層微透水或者不透水的泥膜，泥膜起到了充當(dāng)泥水艙中泥漿壓力和開挖面水土壓力的介質(zhì)作用，當(dāng)泥漿壓力最終與開挖面的水土壓力平衡時，開挖面保持穩(wěn)定。泥漿滲透成膜裝置由空壓機(jī)提供泥漿壓力，泥漿自重相對于高壓環(huán)境可忽略不計，故可以較好地模擬泥水盾構(gòu)泥漿滲入地層成膜的情況。試驗(yàn)時泥漿在外部施加壓力的作用下向地層滲透，隨著泥漿的滲透填充以及泥膜的不斷形成，地層中的孔隙水會不斷排出，測量泥漿滲透成膜過程中的濾水量，滲透穩(wěn)定時濾水量越少則表明泥膜越容易形成，穩(wěn)定時的濾水量變化越慢則說明泥膜越致密，分別記錄每一組試驗(yàn)濾水量的變化情況。

2.2 試驗(yàn)材料和方案

該工程地層主要為中粗砂和強(qiáng)風(fēng)化巖層，滲透系數(shù)較大。試驗(yàn)地層選用福建標(biāo)準(zhǔn)砂、粗砂、碎石子等材料模擬，經(jīng)篩分獲得與工程地層顆粒級配相近的試驗(yàn)材料(如表1)，滲透系數(shù)約為3.8×10-2cm/s,干密度為1.8 g/cm3,孔隙率為0.53。試驗(yàn)?zāi)酀{由膨潤土、羧甲基纖維(carboxymethyl cellulose,CMC)、無水碳酸鈉(Na2CO3)、3%的NaCl溶液以及少許輕質(zhì)砂按照不同配比制備而成。蒙脫石是膨潤土的主要礦物成分，膨潤土溶于水中成懸浮狀或膠凝狀，具有較好的吸濕性和膨脹性；CMC溶于水時具有極高的黏性，因此多用作增黏劑使用；純堿可以有效增加膨潤土溶液懸浮顆粒之間的靜電排斥力，從而降低基漿的密度和黏性；每組試驗(yàn)均添加少許輕質(zhì)砂以增加泥漿中的粗粒含量，輕質(zhì)砂對泥漿的黏度和相對密度改變不大，因此不作為控制變量。本試驗(yàn)采用NB-1型泥漿比重計、1006型泥漿黏度計和100 mL量筒分別測量泥漿的相對密度、黏度和膠體率。根據(jù)工程地質(zhì)地層相關(guān)參數(shù)，為了較好與地層匹配從而使泥漿更易滲透成膜，預(yù)先進(jìn)行了大量試驗(yàn)，確定該地層條件下泥漿可以滲透成膜的大致比例范圍,以m(膨潤土)∶m(CMC)∶m(Na2CO3)∶m(水)=250∶10∶8∶1 500配制基準(zhǔn)漿液，控制單一變量，試驗(yàn)不同制漿材料下的泥漿性質(zhì)，泥漿性質(zhì)參數(shù)如表2。

表2 試驗(yàn)?zāi)酀{性質(zhì)參數(shù)

2.3 試驗(yàn)步驟

1)制備濾水層：在有機(jī)玻璃筒中裝入10 cm厚的粒徑5～10 mm的碎石子作為濾水層(滲透系數(shù)約為1.5 cm/s)，壓平擊實(shí)，用以保證制備地層底部集水面均勻；

2)制備試驗(yàn)地層：試驗(yàn)地層總高度約25 cm，分5層制備，每層5 cm，分層裝入并擊實(shí)(注意控制每次試驗(yàn)地層的物理參數(shù)保持一致)；

3)試樣飽和：試驗(yàn)開始前采用由下向上的方式從底部導(dǎo)水管緩慢注入淡水對地層進(jìn)行飽和，直至水位剛剛沒過地層表面，靜置一段時間使試樣充分飽和(注意注水速度防止擾動地層，試樣飽和采用毛細(xì)管飽和法，當(dāng)靜置時間在10 h以上時，滿足飽和度大于95%的要求)；

4)注漿：關(guān)閉排漿閥，將預(yù)先制備好的泥漿漿液注入有機(jī)玻璃筒內(nèi)約20 cm，蓋上鋁制蓋板并用螺紋擰緊，保證氣密性完好；

5)打開空壓機(jī)開關(guān)，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥將壓力緩慢傳遞到泥漿液面上,加載速率為0.05 MPa/min，達(dá)到0.4 MPa后提供穩(wěn)定恒壓，以模擬帶壓開艙環(huán)境；

6)最后打開有機(jī)玻璃筒底部的排水閥門，待20 min后記錄泥漿的濾水量。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 制漿材料對泥漿性質(zhì)的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，膨潤土的含量對于泥漿的相對密度和黏度都有較大影響(圖2(a)),隨著膨潤土含量的增加，泥漿的相對密度幾乎呈線性增加，泥漿的漏斗黏度先緩慢增加,當(dāng)膨潤土含量超過15%后迅速增大，這是因?yàn)榕驖櫷烈兹苡谒谐蓱腋罨蚰z凝狀；當(dāng)膨潤土含量較高時，就會引起泥漿黏度迅速增加，泥漿的膠體率變化較為平穩(wěn)，隨著膨潤土含量增加，膠體率從95%緩慢增至100%。

圖2 制漿材料與泥漿性質(zhì)的關(guān)系

CMC 能夠提高泥漿的黏度，由圖2(b)可以看出，當(dāng)CMC含量超過0.5%時，泥漿黏度快速增加，試驗(yàn)過程表明，當(dāng)CMC含量超過1%時，泥漿由于呈膠凝狀無法使用。由于CMC含量在整個泥漿漿液中占比較低，因此CMC含量對于泥漿密度影響較小，在0～1%的含量占比范圍內(nèi)，泥漿密度隨著CMC含量的緩慢增加，增加幅度約為1.8%；CMC含量對于泥漿膠體率影響較大，隨著CMC含量逐漸增加，膠體率近似線性增加。

Na2CO3作為一種分散劑，對泥漿的漏斗黏度影響最為顯著。隨著Na2CO3含量的增加，泥漿黏度迅速下降(圖2(c))，當(dāng)Na2CO3含量超過1.6%時，泥漿黏度變化趨于平緩。Na2CO3作為電解質(zhì)能夠與膨潤土相互作用，膨潤土表面帶負(fù)電荷，與陽離子相吸附，陰離子被排斥。當(dāng)Na2CO3含量進(jìn)一步增加時，溶液中的陽離子含量增大，由于靜電斥力的作用，擴(kuò)散層中的自由陽離子進(jìn)入束縛反離子層，雙電層被壓縮，Zeta 電位下降，電荷排斥力減小[18]，膠體率降低。

綜上，幾種制漿材料中，膨潤土對泥漿的相對密度影響最大，基本呈線性變化，當(dāng)膨潤土含量超過15%時，其對泥漿的漏斗黏度也有較大影響。CMC和Na2CO3的含量對于泥漿黏度的影響顯著而對泥漿的相對密度影響較小，但過多的碳酸鈉含量可以迅速降低泥漿膠體率。

3.2 泥漿滲透成膜效果的分析與評價

濾水量是泥漿在地層滲透成膜過程中的濾液質(zhì)量，試驗(yàn)時由燒杯收集并稱量得到(圖1)。濾水量是評價泥膜成膜效果的重要指標(biāo)，濾水量越小，表明成膜時間越短、效果越好。圖3是加壓后泥漿滲透成膜600 s時的濾水量曲線圖，試驗(yàn)分為兩組，淡水配制的泥漿漿液作為對照組，這樣可以更加清楚地探究咸水環(huán)境下影響泥漿滲透成膜效果的因素。在泥漿壓力作用下，泥漿慢慢地向地層滲透,隨著滲透過程的不斷進(jìn)行，泥漿顆粒在地層微小孔隙處沉積，在地層表面形成一層微透水或不透水的泥膜(圖4)。當(dāng)泥膜形成后，泥漿中的細(xì)顆粒由于“架橋”效應(yīng)無法再穿透泥膜，從而保持泥艙壓力，同時能夠?qū)⒉糠帜酀{壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力作用在開挖面上，支護(hù)開挖面土體，為帶壓開艙刀具檢修、泥水盾構(gòu)的安全掘進(jìn)提供必要保證。

圖3 泥漿相對密度對濾水量的影響

圖4 泥漿滲透成膜機(jī)理示意圖

3.3 泥漿相對密度對濾水量的影響

采用析因分析的方法，控制單一變量，分別觀察膨潤土、CMC含量單獨(dú)變化時(Na2CO3對泥漿密度影響很小，故不討論)泥漿相對密度對泥膜濾水量的影響。通過圖3可知，隨著泥漿相對密度的增加，咸水和淡水的濾水量都逐漸減小，表明成膜質(zhì)量在逐步提高，在泥漿相對密度較小時，淡水泥漿比咸水泥漿濾水量更小，泥漿相對密度較大時，濾水量隨之減小并有穩(wěn)定趨勢，這是因?yàn)橄趟械年栯x子較多，有效增加了泥漿顆粒之間的排斥力從而使泥漿顆粒無法在地層孔隙處凝聚沉淀形成泥膜?？梢钥闯觯?dāng)泥漿相對密度在1.13～1.18 g/cm3時，咸水泥漿膨潤土含量對于密度的改變對濾水量有較大影響，而CMC含量對于密度的改變使濾水量呈近似線性變化趨勢。泥漿密度大于1.18 g/cm3時，隨著膨潤土含量和CMC含量的增加，咸水和淡水泥漿的濾水量減少都趨于平緩，表明較高密度下的泥漿易于快速形成泥膜，咸水中陽離子的影響大大降低。

3.4 泥漿黏度對濾水量的影響

泥漿的黏度是泥漿性質(zhì)的重要指標(biāo)，從總體上來看不論是咸水泥漿還是淡水泥漿，隨著泥漿黏度的增大，濾水量都逐漸減小，當(dāng)黏度大于28 s時，咸水泥漿和淡水泥漿都具有較小的濾水量和較好的成膜效果。膨潤土帶負(fù)電荷，在水中分散成懸浮狀或膠凝狀，與咸水中的陽離子有較強(qiáng)的交換能力，這就導(dǎo)致了當(dāng)膨潤土含量較少(黏度<26 s)條件下，淡水泥漿比咸水泥漿能更快形成泥膜從而有較小的濾水量(圖5(a))。CMC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的空間，從而提高體系的黏度，因此CMC含量的改變引起泥漿黏度的變化對于咸水和淡水具有相似的影響(圖5(b)),當(dāng)黏度小于22 s時，隨著CMC含量的增加，濾水量緩慢減少，當(dāng)黏度大于25 s時，濾水量迅速減少。Na2CO3作為分散劑，可以顯著降低泥漿漿液的黏度，不利于泥漿顆粒的淤積和沉淀，泥漿不易成膜，其對于咸水與淡水泥漿的濾水量有著相似的影響(圖5c)，當(dāng)黏度大于23 s,隨著碳酸鈉含量的減少，咸水和淡水泥漿的濾水量緩慢降低并趨于穩(wěn)定。

圖5 泥漿黏度對濾水量影響

4 結(jié)論

針對泥水平衡盾構(gòu)在高滲透性砂土地層掘進(jìn)過程中泥漿滲透成膜問題，設(shè)計室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同制漿材料下泥漿相對密度和黏度的變化對泥膜濾水量的影響，采用單因素變化-泥漿性質(zhì)差異-成膜效果影響的技術(shù)路線，分析了咸水環(huán)境下影響泥漿成膜質(zhì)量的因素，得出以下結(jié)論：

1)泥漿的相對密度反映了單位體積內(nèi)泥漿的顆粒數(shù)量，是影響濾水量的主要因素。咸水泥漿膨潤土含量變化導(dǎo)致泥漿密度的不同對濾水量影響顯著，在高滲透性砂土地層中，泥漿相對密度1.18～1.23 g/cm3時成膜效果較好；

2)泥漿黏度反映了泥漿顆粒與水的結(jié)合程度。CMC可以提高泥漿體系的黏度，泥漿黏度大，泥漿顆粒與水的結(jié)合力強(qiáng)，成膜時一旦淤堵地層孔隙可以很好地阻止水的進(jìn)一步滲透，泥膜容易形成且濾水量較小，控制泥漿黏度在25～30 s左右可以獲得良好的成膜效果；

3)在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以根據(jù)出漿相對密度的反饋調(diào)節(jié)膨潤土加入量，并通過CMC和Na2CO3的用量調(diào)節(jié)泥漿的黏度，從而在開挖面上形成質(zhì)量較好的泥膜，增加開挖面的穩(wěn)定性，以確保帶壓開艙有一個穩(wěn)定的開艙環(huán)境，保證作業(yè)人員安全。