基于透明土技術(shù)的泥水盾構(gòu)開(kāi)挖面泥膜滲透特性研究

倪小東，史志鵬，王 媛，曾乾坤

(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)

自1825年第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖水底隧道以后，盾構(gòu)法以其自身獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展[1]，然而盾構(gòu)法受制于土體自穩(wěn)性，且其施工路徑大多會(huì)穿越市區(qū)等繁華場(chǎng)所，施工過(guò)程中如果出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)現(xiàn)象，將嚴(yán)重危害施工安全，造成巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。所以在修建盾構(gòu)隧道時(shí)形成安全有效的泥膜是解決開(kāi)挖面穩(wěn)定控制的關(guān)鍵問(wèn)題。維持泥水盾構(gòu)掌子面穩(wěn)定性的根本途徑是泥漿壓力與土壓力和水壓力的平衡。泥漿壓力的施加需要依托在開(kāi)挖面上形成不透水或微透水的泥膜，將部分泥漿壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力才能實(shí)現(xiàn)泥水平衡，同時(shí)部分泥漿滲透進(jìn)入地層增加地層粘聚力[2-6]。關(guān)于泥水盾構(gòu)開(kāi)挖面泥膜形態(tài)、孔隙特征、穩(wěn)定性的研究，目前大多是通過(guò)在土體內(nèi)部埋設(shè)儀器以獲得土體內(nèi)部變形和滲流規(guī)律，而常規(guī)盾構(gòu)掌子面注漿物理模型試驗(yàn)則是利用空壓機(jī)構(gòu)造內(nèi)外壓力差促使?jié){液滲透進(jìn)入土層，完成注漿后取出土層開(kāi)展后續(xù)相關(guān)分析。顯然，傳統(tǒng)土工模型試驗(yàn)介入式測(cè)量會(huì)干擾土體變形，進(jìn)而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，且當(dāng)前試驗(yàn)無(wú)法揭示漿液在相應(yīng)條件下的時(shí)空分布特征，無(wú)法準(zhǔn)確把握泥漿滲透、擴(kuò)展機(jī)制?；谏鲜鲆蛩?，采用非介入式無(wú)損全域透明技術(shù)展現(xiàn)掌子面注漿過(guò)程[7-11]，探究其成膜機(jī)理，對(duì)于開(kāi)挖面穩(wěn)定控制具有積極的意義。

人工合成透明土的出現(xiàn)使得學(xué)者能夠更方便直觀地觀測(cè)到土體內(nèi)部變形規(guī)律，鑒于其自身優(yōu)勢(shì)，結(jié)合光學(xué)測(cè)量和數(shù)字圖像處理計(jì)術(shù)，可實(shí)現(xiàn)土體內(nèi)部滲流場(chǎng)、位移場(chǎng)、速度場(chǎng)的無(wú)損可視化觀測(cè)。已有學(xué)者應(yīng)用透明土作為模型土進(jìn)行盾構(gòu)模型試驗(yàn)，研究盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)地層變形規(guī)律、泥膜發(fā)展機(jī)理和開(kāi)挖面穩(wěn)定理論，驗(yàn)證了其優(yōu)越性和可行性。孫吉主等[12]以溴化鈣溶液和熔融石英砂合成透明土作為模擬地層，開(kāi)展了盾構(gòu)開(kāi)挖模型試驗(yàn)，為盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)的可視化觀測(cè)又提供一種方案。葉飛等[13]發(fā)明了一種泥水平衡式盾構(gòu)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，可模擬高水壓下泥水盾構(gòu)的開(kāi)挖過(guò)程。曹利強(qiáng)等[14]發(fā)明了一種用于模擬盾構(gòu)泥膜形成的試驗(yàn)裝置，若將透明土作為試驗(yàn)地層，該裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泥漿滲透過(guò)程中各參數(shù)變化規(guī)律，分析影響泥漿成膜的因素。本文就現(xiàn)有研究的不足進(jìn)行探究，利用人工合成透明土技術(shù)，結(jié)合激光散斑技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過(guò)小比例模型試驗(yàn)開(kāi)展不同變量下泥水盾構(gòu)泥漿滲透成膜的可視化過(guò)程和泥膜形成機(jī)理研究，分析各因素對(duì)泥膜形成質(zhì)量的影響，為泥水盾構(gòu)施工提供理論依據(jù)。

1 泥水盾構(gòu)成膜試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，該試驗(yàn)系統(tǒng)包括模型箱、盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。模型箱作為地層環(huán)境；推進(jìn)系統(tǒng)模擬泥水盾構(gòu)機(jī)，其前方通過(guò)兩片開(kāi)孔圓盤(pán)同軸連接，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖時(shí)前方刀盤(pán)開(kāi)口率；注漿系統(tǒng)施加并控制注漿壓力；通過(guò)抽真空系統(tǒng)排除透明土骨料與孔隙液體混合后產(chǎn)生的氣泡，避免影響試驗(yàn)可視化觀測(cè)；利用激光在盾構(gòu)前方任意切面土層成像，結(jié)合CCD工業(yè)相機(jī)高頻記錄圖像，通過(guò)位移平臺(tái)移動(dòng)激光器位置，獲取多個(gè)切面圖像，最后導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，獲取透明土體中泥漿的運(yùn)動(dòng)軌跡、獲取漿液任意時(shí)刻填充形態(tài)和擴(kuò)散范圍。

1.2 試驗(yàn)材料選擇

1.2.1 模擬土層與地下水

當(dāng)使用與固體顆粒折射率相同的透明液體填充固體顆粒孔隙時(shí)，光在通過(guò)固液混合體時(shí)將不發(fā)生折射和反射，外觀上呈現(xiàn)透明。為模擬不同粒徑的地層，本試驗(yàn)選用0.25～2 mm的熔融石英砂，并采用標(biāo)準(zhǔn)土壤篩來(lái)篩分，以每一級(jí)篩余作為一組地層，配制3組均一粒徑的地層，且為保證不同地層干密度與孔隙率相同，需在試驗(yàn)時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行控制，地層基本性質(zhì)見(jiàn)表1。同時(shí)以不同質(zhì)量比的正十二烷和15#白油的混合溶液作為透明土的孔隙液體來(lái)擬合石英砂的折射率，達(dá)到透明可視的效果。

表1 試驗(yàn)地層基本物理性質(zhì)Tab.1 The basic physical properties of the formation tested

1.2.2 漿液材料

作為模擬漿液的透明材料，與傳統(tǒng)流體材料相比，其需滿足一定特征，如：粘滯系數(shù)及比重與實(shí)際漿液相近；漿液材料與孔隙中液體不混溶；漿液擴(kuò)散過(guò)程及最終形態(tài)可以完整呈現(xiàn)；注入材料能體現(xiàn)漿液硬化過(guò)程。經(jīng)過(guò)不斷探索，本文選擇透明光敏樹(shù)脂材料作為泥漿材料，并添加不同粒徑的無(wú)定形硅粉充當(dāng)漿液填充材料，調(diào)節(jié)漿液密度與顆粒級(jí)配，同時(shí)光敏樹(shù)脂中加入不同質(zhì)量的稀釋劑TPGDA來(lái)獲得不同粘度的試驗(yàn)?zāi)酀{，泥漿參數(shù)見(jiàn)表2，各編號(hào)漿液粒徑曲線如圖2所示。

表2 試驗(yàn)各材料性質(zhì)Tab.2 Test the properties of each material

圖2 各編號(hào)漿液粒徑圖Fig.2 Physical map of each numbered slurry

1.3 試驗(yàn)流程

(1)首先依據(jù)試驗(yàn)要求組裝試驗(yàn)裝置，檢查注漿裝置氣密性是否良好。

(2)分層填筑透明土樣。每次填筑完成后進(jìn)行抽真空直至透明度良好。

(3)將激光器打開(kāi)，調(diào)整激光器的面光源與盾構(gòu)中心縱斷面重合，按合適高度架設(shè)好CCD相機(jī)拍攝成像。

(4)然后將配置好的漿液攪拌均勻，取出200 mL隨后倒入漿液罐中，迅速密封好漿液罐，防止?jié){液在注漿前發(fā)生離析。

(5)打開(kāi)空壓機(jī)，逐級(jí)加壓(0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 MPa)，保持盾構(gòu)刀盤(pán)開(kāi)口率為40%推進(jìn)，并用CCD相機(jī)拍攝并讀取每級(jí)荷載下漿液的滲透距離變化情況，直至穩(wěn)定。

(6)對(duì)每組試驗(yàn)最后形成的泥膜進(jìn)行濾失量分析。

2 泥水盾構(gòu)注漿結(jié)果分析

2.1 漿液滲透類(lèi)型分析

采用3組泥漿(表2)在3組不同地層(表1)進(jìn)行9組滲透試驗(yàn)，并繪制出每組試驗(yàn)中漿液在各級(jí)荷載下的滲透距離變化曲線。漿液的滲透距離變化曲線大致可以分為三種類(lèi)型，如圖3所示，類(lèi)別A：在各級(jí)荷載作用下，泥漿的滲透距離均很小，且隨著荷載的增長(zhǎng)，滲透距離大小變化緩慢，呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)；類(lèi)別B：泥漿的滲透距離隨著荷載的增長(zhǎng)呈階梯式增長(zhǎng)，并在每個(gè)荷載作用下緩慢增長(zhǎng)；類(lèi)別C：在第一級(jí)荷載作用下，漿液便快速擴(kuò)散，并隨著荷載的增長(zhǎng)，擴(kuò)散速度逐漸減緩。

圖3 漿液在地層中三種典型滲透曲線Fig.3 Three typical permeability curves of slurry in formation

2.2 漿液滲透形態(tài)分析

試驗(yàn)同時(shí)用CCD相機(jī)記錄下了各組漿液在地層中橫斷面與縱斷面的最終填充形態(tài)，漿液在地層中的填充形態(tài)大致分為三種，如圖4—圖8所示。從縱斷面方向來(lái)看，類(lèi)型Ⅰ：泥漿中的粗顆粒隨著注漿進(jìn)行逐漸在與其接觸的土層表面聚集，最終形成了致密顆粒薄層，形成的泥膜稱(chēng)之為泥皮型泥膜；類(lèi)型Ⅱ：泥漿中的細(xì)顆粒在壓力作用下滲入地層，一部分填充在盾構(gòu)前方表層，形成一層薄薄的固體顆粒層，另一部分由于地層的過(guò)濾作用而停留在地層孔隙中，形成一段滲透帶，我們稱(chēng)之為泥漿+滲透帶型泥膜；類(lèi)型Ⅲ：地層中存在明顯的泥漿細(xì)顆粒，無(wú)明顯的泥皮形成，形成的泥膜稱(chēng)之為滲透帶型泥膜[15-16]。

圖4 漿液在地層中縱斷面方向形態(tài)Fig.4 The shape of the grout in the longitudinal section in the formation

從橫斷面方向來(lái)看,類(lèi)型Ⅰ：漿液開(kāi)始從中心向四周擴(kuò)散，最終在橫斷面形成一“梨狀”的泥膜，其底部擴(kuò)散區(qū)域近似等于刀盤(pán)面積，這說(shuō)明漿液在第一階段填充盾構(gòu)前方區(qū)域時(shí)幾乎未向四周擴(kuò)散，盾構(gòu)上方擴(kuò)散區(qū)域呈現(xiàn)下小上大的特征，這說(shuō)明越靠近地表漿液的擴(kuò)散區(qū)域越大，這是因?yàn)樵娇拷乇碜{需克服的阻力越小，相同注漿壓力下擴(kuò)散的距離就越遠(yuǎn)，這也驗(yàn)證了縱斷面的漿液擴(kuò)散規(guī)律的正確性。類(lèi)型Ⅱ：漿液開(kāi)始呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)，隨后從中心向四周擴(kuò)散，最終在橫斷面形成一不規(guī)則形狀的泥膜，該泥膜形狀呈現(xiàn)下窄上寬的形態(tài)。類(lèi)型Ⅲ：漿液從開(kāi)始就呈現(xiàn)“長(zhǎng)柱狀”，隨后向四周擴(kuò)散，開(kāi)始與結(jié)束時(shí)擴(kuò)散形態(tài)大致相同。從橫斷面滲透形態(tài)上來(lái)看，泥皮型泥膜的滲透范圍最小，漿液中的顆粒都聚集在一小區(qū)域內(nèi)；相比之下，泥皮+滲透帶型泥膜與滲透帶型泥膜的滲透范圍更大，同時(shí)當(dāng)同體積漿液形成泥皮+滲透帶型泥膜時(shí)，其在掌子面形成的一段泥膜將阻礙漿液進(jìn)一步在縱斷面方向滲透，所以漿液在橫斷面方向的滲透范圍比滲透帶型泥膜更大。

圖5 類(lèi)型Ⅰ漿液橫斷面擴(kuò)散形態(tài)比較(盾構(gòu)前方0 cm處)Fig.5 Comparison of cross-sectional diffusion patterns of type Ⅰ slurry (0 cm in front of shield)

圖6 類(lèi)型Ⅱ漿液橫斷面擴(kuò)散形態(tài)比較(盾構(gòu)前方0 cm處)Fig.6 Comparison of cross-sectional diffusion patterns of type Ⅱ slurry (0 cm in front of shield)

圖7 類(lèi)型Ⅲ漿液橫斷面擴(kuò)散形態(tài)比較(盾構(gòu)前方0 cm處)Fig.7 Comparison of cross-sectional diffusion patterns of type Ⅲ slurry (0 cm in front of shield)

試驗(yàn)完成后，將9組不同類(lèi)型的滲透試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果記錄下來(lái)，包括各組漿液的滲透類(lèi)型曲線，各組漿液的地層填充形態(tài)以及漿液的最大滲透距離，見(jiàn)表3。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，在滲透系數(shù)最小的地層S1中，漿液均發(fā)生類(lèi)型A的滲透，同時(shí)填充形態(tài)也均為類(lèi)型Ⅰ，泥膜類(lèi)型均為泥皮型；而隨著地層滲透系數(shù)的增長(zhǎng)，漿液的滲透類(lèi)型也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)锽甚至C，漿液的填充類(lèi)型出現(xiàn)滲透帶，在滲透系數(shù)最大的地層S3中，泥漿將不會(huì)發(fā)生類(lèi)型A的滲透，且無(wú)法形成泥皮型泥膜。從漿液的最大滲透距離上來(lái)看，當(dāng)最大滲透距離Dmax<10 mm時(shí)，漿液都發(fā)生類(lèi)型A的滲透，且填充形態(tài)也都對(duì)應(yīng)類(lèi)型Ⅰ，當(dāng)10 mm≤Dmax<20 mm時(shí)，漿液的滲透類(lèi)型均為B，填充類(lèi)型也基本為類(lèi)型Ⅱ，當(dāng)?shù)貙訛镾3，漿液為③號(hào)時(shí)除外，這也不難理解，當(dāng)粘度系數(shù)小的漿液在滲透系數(shù)大的地層滲透時(shí)，漿液的滲透不僅發(fā)生在水平方向，也發(fā)生在豎直方向，豎直方向上的滲透一定程度上影響了水平方向的滲透；而當(dāng)漿液發(fā)生類(lèi)型C的滲透時(shí)，Dmax均大于20 mm，填充類(lèi)型均為泥皮+滲透帶型，甚至無(wú)法形成泥皮。這表明滲透距離大小側(cè)面反應(yīng)了泥膜形成的類(lèi)型，滲透距離小表明漿液在地層中形成了致密的泥膜，滲透距離大表明漿液在地層中形成了厚且疏松的滲透帶。

而從試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果來(lái)看，地層是影響泥膜形成類(lèi)型的第一因素，在孔徑最大的S3地層中，即使是粘度系數(shù)最大的漿液也無(wú)法形成泥皮型泥膜；另外在相同地層中，漿液的粘度系數(shù)越高，密度越大，越容易形成薄且致密的泥膜，究其原因是因?yàn)樵谙嗤讖降牡貙又?，漿液的密度越大，能夠堵塞地層孔徑的顆粒數(shù)量會(huì)越多，且漿液的粘度系數(shù)越高，漿液中顆粒與地層中水的結(jié)合能力也會(huì)越高，顆粒易在地層表面形成致密的泥膜，而當(dāng)漿液的粘度變小后，漿液顆粒與水結(jié)合力變差，在壓力作用下，顆粒容易被擠出形成一段滲透帶，使得形成的泥膜厚且疏松。

表3 各組試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of each group

2.3 泥膜滲透性分析

同時(shí)，本文對(duì)組號(hào)4、5、6所代表的泥皮型、泥皮+滲透帶型泥膜和滲透帶型泥膜進(jìn)行了滲透性分析，用相同體積正十二烷和15#白油的混合溶液在逐級(jí)注漿壓力下進(jìn)行濾失試驗(yàn)，用量筒統(tǒng)計(jì)通過(guò)三種不同類(lèi)型泥膜的滲濾液體積。如圖8，可以發(fā)現(xiàn)在相同注漿壓力下，泥皮型泥膜的滲濾液體積最少，泥皮+滲透帶型次之，而滲透帶型的滲濾液體積則為最多，在滲透速率方面，泥皮型泥膜每分鐘濾液量在注漿壓力達(dá)到0.1 MPa后速率逐漸穩(wěn)定，達(dá)到3.5 mL/min,泥皮+滲透帶型泥膜每分鐘濾液量在注漿壓力達(dá)到0.15 MPa后逐漸穩(wěn)定，達(dá)到5.1 mL/min,而滲透帶型泥膜在全壓力狀態(tài)下，其每分鐘濾液量保持穩(wěn)定，為6.1 mL/min。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同注漿壓力作用下，泥皮型泥膜的滲透系數(shù)最小，泥皮+滲透帶型次之，滲透帶型泥膜的滲透系數(shù)最大，而泥膜的滲透系數(shù)越小，其對(duì)泥漿入滲的阻力就越大，從而泥漿壓力可以更好地轉(zhuǎn)換為有效應(yīng)力，來(lái)平衡地層土壓力，達(dá)到開(kāi)挖面的“泥水平衡”。

圖8 不同注漿壓力下濾滲液體積Fig.8 Percolate volume under different grouting pressure

2.4 高滲透性地層施工工況改良

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越高滲透性土層例如砂礫土和碎石土?xí)r，漿液顆粒易在較大的地層孔徑中擴(kuò)散，形成疏松的滲透帶以致無(wú)法形成泥膜，如本試驗(yàn)的S3地層。而如何在此類(lèi)地層中通過(guò)改良施工工況來(lái)形成微透水的泥膜，從而維持開(kāi)挖面的穩(wěn)定十分關(guān)鍵。本文提供了兩種可行方法：(1)適當(dāng)縮小刀盤(pán)開(kāi)口率(從40%刀盤(pán)開(kāi)口率縮小為30%刀盤(pán)開(kāi)口率);(2)適當(dāng)減小注漿壓力(逐級(jí)壓力減半)，并就改良后的兩種工況進(jìn)行了試驗(yàn)分析，滲透距離對(duì)比圖如圖9所示。從對(duì)比結(jié)果來(lái)看，無(wú)論是縮小刀盤(pán)開(kāi)口率還是減小注漿壓力，漿液的滲透曲線類(lèi)型發(fā)生了改變(從類(lèi)型C轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)型B)，且漿液的滲透距離均減小，但減小刀盤(pán)開(kāi)口率后漿液滲透距離減小的幅度更大；而從滲透形態(tài)上來(lái)看(圖10)，兩種工況改良后滲透形態(tài)也均發(fā)生了改變，形成的泥膜形態(tài)均往泥皮型泥膜靠攏，這說(shuō)明在高滲透性土層條件下，減小盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)開(kāi)口率和減小注漿壓力有助于形成泥皮型泥膜，從而降低地層的滲透系數(shù)，增大對(duì)泥漿入滲的阻力，從而更好的維持開(kāi)挖面穩(wěn)定。

圖9 工況改良后滲透距離對(duì)比圖Fig.9 Comparison chart of penetration distance after working condition improvement

圖10 工況改良后滲透距離對(duì)比圖Fig.10 Comparison chart of penetration distance after working condition improvement

3 結(jié)論

1) 漿液的滲透距離大小決定了泥膜形成的類(lèi)型，滲透距離越小表明漿液在地層中形成了泥膜越致密，滲透距離越大表明漿液在地層中形成的泥膜越疏松甚至沒(méi)有形成泥膜。

2) 地層性質(zhì)是影響泥膜形成類(lèi)型的第一因素，相同性質(zhì)漿液在孔徑越小的地層越容易形成良好致密的泥膜；在相同地層下，漿液的粘度越高，其與水的結(jié)合力越大，形成的泥膜越致密，性質(zhì)越穩(wěn)定。

3) 3種泥漿堆積形態(tài)中，泥皮型泥膜的滲透系數(shù)最小，泥皮+滲透帶型次之，滲透帶型泥膜的滲透系數(shù)最大；并且泥膜兩側(cè)的水壓力差泥皮型泥膜最小，泥皮+滲透帶型次之，滲透帶型泥膜最大。即泥膜越致密，其對(duì)泥漿入滲的阻力就越大，更多的泥漿壓力可以轉(zhuǎn)換為有效應(yīng)力來(lái)平衡地層土壓力，達(dá)到開(kāi)挖面的“泥水平衡”。

4) 在高滲透性土層條件下，減小盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)開(kāi)口率和減小注漿壓力有助于形成泥皮型泥膜，為開(kāi)挖地層的穩(wěn)定提供幫助。