泥水盾構帶壓開艙時泥漿配制及泥膜形成實驗研究

閔凡路，姜 騰，魏代偉，張亞洲

(1.河海大學力學與材料學院，江蘇 南京 210098;2.河海大學巖土工程研究所，江蘇 南京 210098)

0 引言

近年來，泥水盾構工法以其優越的壓力控制模式、適合大直徑隧道建設等優點，在水下交通隧道建設中得到了廣泛的應用［1］。然而，由于水下隧道一次掘進距離長、穿越地層顆粒較大、石英含量高等因素，盾構難免會出現刀盤刀具磨損、刀盤結泥餅及遇到障礙物等問題，不得不進行開艙檢修［2－3］。由于水下隧道一般不具備地層加固等常壓開艙的條件，故以壓氣工法為基礎的壓氣－帶壓開艙方法的使用越來越普遍［4］。當地層透氣性較大時，帶壓開艙前一般會進行降低地層透氣性的輔助施工，常用的方法是使用泥漿在開挖面上形成一層致密的泥膜以降低地層的透氣性［5］。然而盾構停機處多位于江河底部，地層滲透性高、水壓力大，如何調整泥漿在開挖面上形成致密的泥膜、保證開挖面穩定成為工程界關注的難題之一。

泥水盾構以壓力泥漿支護開挖面，泥膜的形成對開挖面穩定非常重要。已有研究表明，泥漿在不同地層中形成的泥膜大致可以分為3類:泥皮型泥膜、泥皮－滲透帶型泥膜和滲透帶型泥膜［6］。關于泥膜對開挖面穩定性影響的研究，在過去常采用“薄膜模型”，即認為泥膜完全不透水，泥漿壓力全部用來支撐地層土壓力和水壓力，不考慮泥漿的滲透作用對開挖面穩定性的影響。但在實際工程中，泥漿中的水及細粒會向地層中滲透，降低有效泥漿壓力和開挖面的穩定性。Anagnostou等［7］提出了考慮泥漿滲透的楔形體——“滲透模型”，并指出在砂性土中掘進時，開挖面的支護力可以采用“薄膜模型”計算，而停機時，泥漿滲透會降低開挖面的穩定性。而胡欣雨等［8］在研究泥漿入滲對土體剪切強度的影響時發現，泥漿的入滲增大了剪切滑移中的粒間接觸面積，同時增大了土體顆粒間的咬合作用，宏觀表現為黏聚力的增大，即對土體的穩定性是有利的。以上研究表明:泥漿向地層中滲透一方面造成了泥漿的濾失，減小了有效泥漿壓力，對開挖面的穩定不利;另一方面，泥漿中顆粒滲入地層，增大了地層的黏聚力，有利于開挖面的穩定。

本文以南京長江隧道工程在江底砂礫復合地層中帶壓開艙為背景，提出保證開挖面穩定的泥漿配制方案，并以自制的泥漿滲透裝置開展泥漿配置及泥膜實驗，以期對工程起到一定的指導作用。

1 工程概況及開艙泥漿調整方案分析

1.1 南京長江隧道工程概況及盾構停機情況

南京長江隧道(緯七路)是目前世界上最大的過江公路隧道之一，位于南京長江大橋與三橋之間，是連接南京奧體新城與浦口區的一條最直接的快速通道［9］。工程采用“左汊隧道+右汊橋梁”的方案，由北岸浦口區至江心洲段為隧道，江心洲至南岸奧體新城段為橋梁。工程全長5 853 m，隧道段設計為雙管單層隧道，采用2臺直徑14.93 m的泥水加壓盾構由北岸始發、同向施工，盾構隧道段長約3 020 m。隧道穿越江面寬度約2 600 m，高水位多年平均值8.37 m［9］。盾構穿越地層如圖1所示，主要穿越有淤泥質粉質黏土、粉細砂、礫砂及圓礫等地層，地層的基本性質如表1所示。

圖1 南京長江隧道地質斷面圖Fig.1 Geological profile of Nanjing Yangtze River Tunnel

表1 盾構機穿越主要地層的基本性質Table 1 Basic properties of different strata

當盾構推進到658環附近時(里程K4+916，盾構進入粉細砂和礫砂復合地層一段距離)，刀盤扭矩明顯偏高，最高達到 20 MN·m，推進速度降低至2 mm/min;同時，排出的渣土中出現直徑20 cm以上的卵石和金屬塊。通過對常壓可更換刀具的檢查，發現部分刀具磨損嚴重，出現了刀刃崩落的現象，刀盤也遭到損壞。為了順利完成后面近1 700 m的掘進，不得不停機進行刀具檢修或者更換。

盾構停機位置如圖1所示，位于江面下約53 m，其中覆土約25 m。其所處斷面上部約1/4為粉細砂地層，滲透系數約為5×10－3cm/s;下部約3/4為礫砂地層，滲透系數約為3×10－2cm/s。在這樣高水壓、高滲透性的地層中帶壓開艙，如何調整泥漿形成致密的泥膜、保證開挖面的穩定性成為是工程中十分關注的問題。

1.2 帶壓開艙用泥漿材料及泥漿調整方案分析

由于本工程盾構停機處不具備地層加固等常壓開艙的條件，因此采用壓氣－帶壓開艙的方法進行開艙檢修。由于停機處地層滲透性較大，帶壓開艙前，需要先進行泥漿成膜、降低地層的滲透性的輔助施工。

盾構穿越淤泥質粉質黏土和粉細砂地層時，地層滲透系數較小，僅采用地層自造漿或添加少量膨潤土調整，即可滿足盾構掘進的施工要求。然而進入粉細砂和礫砂的混合地層后，由于地層滲透性變大且水壓力大，主要采用密度、黏度都較大的高分子聚合物泥漿。該種泥漿濾失量較小，可以在地層中形成泥皮型泥膜，但是在長時間停機和高溫時(停機時南京正處在7—8月，室外溫度高達35～39℃)，高分子聚合物泥漿不穩定，容易出現變質、黏度降低、老化等現象。因此，在帶壓開艙時需要采用物理穩定性好的膨潤土泥漿或者膨潤土與黏土的混合泥漿。

本工程根據已有研究中關于泥漿滲透對開挖面穩定2方面的影響，并結合現場泥漿特性，對開艙泥漿的調整分2步:1)在保證泥漿形成泥膜的前提下，先在壓力艙中以密度小、黏度較低的純膨潤土泥漿在開挖面地層中滲透一定距離，形成含有滲透帶的泥膜。這樣可以使部分泥漿顆粒滲入地層孔隙一段距離，提高地層的黏聚力，有利于提高開挖面的穩定性。2)形成滲透帶型泥膜之后，再以較大黏度和密度的膨潤土－黏土混合泥漿置換壓力艙中低密度的泥漿，使其在開挖面上形成致密的泥皮型泥膜，然后再進行帶壓開艙操作。這樣調整后，可以有效的減少泥漿的濾失，降低地層的透氣性。在進艙之前，需要先在實驗室內進泥漿成膜實驗，以驗證上述方案的可行性。

2 帶壓開艙用泥漿的配制及泥膜形成實驗

2.1 純膨潤土泥漿配制與成膜實驗

第1步調整的泥漿，采用的是Na級膨潤土，分別按濃度3%，5%，8%，12%進行膨化，膨化24 h，4組泥漿基本性質見表2。其中，泥漿的黏度采用工程現場常用的蘇式漏斗黏度儀測試，該儀器測試清水的黏度為15 s。以礫砂層作為實驗地層，該地層大于2 mm的粗顆粒占整個地層含量的40%左右，滲透系數約為3 ×10－2cm/s，孔隙率為0.54。

實驗儀器如圖2所示，共進行4組泥漿滲透成膜實驗。首先在實驗柱中裝入5 cm厚的顆粒粒徑2～5 mm的濾水層(滲透系數約為2 cm/s)，并在表面鋪一層濾膜，以保證地層下部集水面均勻;然后裝入21 cm厚的礫砂地層(控制地層的孔隙率為0.54，保證每次實驗的地層的充填狀態盡量一致，以減少實驗誤差)。實驗開始前，先采用由下向上的方式用清水對地層進行飽和，地層飽和之后，實驗中測到的濾出水量就等于泥漿的滲透量［10］。之后充入21 cm泥漿開展泥漿滲透實驗。實驗采用荷載加壓，通過活塞傳遞到泥漿液面上，一次性加壓0.3 MPa(考慮泥水加壓盾構實際施工時壓力艙泥漿壓力與地下水壓力差的最大值)。最后打開最下部的排水閥門，同時記錄下泥漿滲透穩定、泥膜形成時的濾水量和成膜時間，作為泥膜質量好壞的評價指標，并觀察形成泥膜的形態。濾水量越小，成膜時間越短，形成泥膜越致密，泥膜質量也越好［10］。4組泥漿在礫砂地層中成膜實驗結果見表2。

圖2 泥漿滲透成膜裝置Fig.2 Test apparatus for slurry infiltration and filter membrane formation

表2 膨潤土泥漿基本性質及成膜實驗結果Table 2 Basic properties of different bentonite slurries and results of filter membrane formation tests

由表2可知:濃度3%～5%的膨潤土泥漿黏度較低，密度低于1.05 g/cm3，在礫砂地層中形成滲透帶型泥膜，但是泥漿損失量比較大，成膜時間較長;濃度8%～12%的膨潤土泥漿黏度在20 s以上，泥漿向地層中滲透一定距離后，迅速穩定下來，泥漿損失也比較少，形成泥皮－滲透帶型泥膜(如圖3所示)，且成膜時間很短。

圖3 8%膨潤土泥漿形成的泥膜Fig.3 Filter membrane formed by slurry with 8%bentonite content

2.2 提高密度和黏度的泥漿成膜實驗

在開挖面上形成泥皮－滲透帶型泥膜后，將泥漿密度提高至1.15～1.2 g/cm3、黏度25 s以上，開展泥漿成膜實驗。由于純膨潤土泥漿的密度一般不大，若用純膨潤土將泥漿密度調到1.15～1.2 g/cm3，則其黏度會很大，難以滿足泵送要求。因此，考慮以較高黏度的低密度膨潤土泥漿和天然黏土泥漿(盾構穿越淤泥質粉質黏土地層時儲存的多余的泥漿)混合，配置密度在1.15～1.20 g/cm3、黏度25 s以上的物理穩定性高的泥漿，進行泥漿性質和成膜實驗。

1)泥漿物理穩定性。以24 h泥漿的析水率表示。泥漿析水率越小，其物理穩定性越好。將泥漿裝入容量為1 000 mL的量筒，24 h后的析水體積10 mL，即24 h析水率為1%，泥漿物理穩定性很好。

2)泥漿成膜實驗。本次實驗在礫砂地層中進行的，實驗方法和步驟與上述泥膜實驗相同，只是本次實驗是分級加壓，每級施加0.05 MPa，同時測量泥漿濾失量隨時間的變化，待泥漿滲透穩定(泥漿的濾水量相鄰兩次讀數間差值相同或相近)時，施加下一級壓力，直至0.3 MPa(考慮泥水加壓盾構實際施工時壓力艙泥漿壓力與地下水壓力差的最大值)，同時繪制泥漿濾水量隨時間的變化曲線，如圖4所示。實驗采取分級加壓的形式是為了便于觀察泥漿在地層中滲透的過程，同時也可測得某一泥漿在某地層中可承受的最大壓力。實驗結束后，觀察地層表面形成的泥膜的形態，厚度約5 mm，屬于泥皮型泥膜(如圖5所示)。

由圖4可以看出:在每級壓力作用下，泥漿在很短時間內即達到滲透穩定的狀態，且泥漿的濾失量很小，每min的濾水量約為0.6 mL，換算到真實的開挖面(南京長江隧道開挖面面積約175 m2)上，濾失水量約3 m3/2 h(滿足濾失水量經驗值:10～20 m3/2 h)。

圖4 泥漿濾水量變化曲線Fig.4 Curves of the discharged water as slurry filtrates into soils

圖5 形成的泥皮型泥膜Fig.5 Filter cake of mud membrane formed

以上實驗的結果顯示:濃度8%～12%的膨潤土泥漿可以在礫砂地層開挖面上快速形成含有滲透帶的泥膜;密度1.15～1.2 g/cm3、黏度25 s以上的膨潤土與天然黏土的混合泥漿性質良好，物理穩定性較高，可以在開挖面上快速形成微透水的泥皮型泥膜。

3 開艙后的泥膜情況

開艙準備工作完成后，分2步置換原泥漿艙的泥漿:1)以濃度8%～12%的純膨潤土泥漿置換壓力艙內的舊泥漿，使其在開挖面上形成含有滲透帶的泥膜;2)再以密度1.15～1.2 g/cm3的膨潤土與黏土的混合泥漿置換壓力艙內的純膨潤土泥漿，使其在開挖面上進一步滲透形成致密的具有一定厚度的泥皮型泥膜。開艙時，將泥漿艙的泥漿液位降低3～5 m，只以氣壓來支護開挖面，以便于進艙人員觀察和維修。現場氣壓的變化情況(見圖6)顯示，開挖面上形成了質量良好的泥膜，而且泥膜密閉性較好，氣艙壓力能較好地保持穩定，沒有出現大量漏氣的現象，氣壓有效地作用在開挖面上，維持了開挖面的穩定。

圖6 開挖面上形成的泥膜Fig.6 Filter membrane formed on the excavation face

4 結論與建議

1)泥水盾構停機檢修一般位于江河底部，水壓力很大，帶壓進艙檢修時有必要根據地層特點進行泥漿調整來增強開挖面的穩定性，以確保為帶壓開艙提供一個穩定的開艙環境，保證進艙人員的安全。

2)在滲透性較大的礫砂地層進行帶壓開艙時，可以采用先以低密度、低黏度的泥漿向開挖面滲透一段距離，形成滲透帶型泥膜，以提高地層的黏聚力;再以高密度、高黏度泥漿，在開挖面上形成致密的泥皮型泥膜的泥漿調整方案，進行泥漿置換和調整。

3)南京長江隧道在礫砂地層進行帶壓開艙時，先以濃度8%～12%的膨潤土泥漿作為滲透泥漿，使開挖面地層中形成一定距離的滲透帶，增加地層的黏聚力;再以密度1.15～1.2 g/cm3、黏度25 s以上的泥漿，在開挖面上形成致密的泥皮型泥膜，使氣壓和泥漿壓力有效地作用于開挖面上，增強開挖面的穩定性。

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