壓力差對盾構施工形成泥膜所需泥漿量的影響

杜雪山，王 奇，朱東元

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京210098)

壓力差對盾構施工形成泥膜所需泥漿量的影響

杜雪山，王 奇，朱東元

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京210098)

采用泥水盾構施工，進行帶壓開倉時，通常采用泥膜閉氣的方法來平衡開挖面后部的土水壓力。這就需要在掌子面表面形成一層泥膜，從而達到閉氣的目的。本文通過采用自制的泥膜閉氣裝置，在實驗室內開展了不同壓力差下形成泥膜的試驗。試驗表明，當形成泥膜時，泥漿消耗量隨著壓力差的增大而減小。

泥水盾構；泥膜；壓力差；泥漿消耗量

近年來，泥水盾構技術因其優越性，在我國跨江跨河的隧道建設中得到了越來越多的應用。盾構機在水下掘進時，會遇到遭遇孤石、更換刀具等需開倉檢修的問題。因而采用帶壓開倉變成了可代替的方法。帶壓開倉的關鍵是形成閉氣性能良好的泥膜。從而在開挖倉注入高氣壓，來平衡掌子面后部的土水壓力，進而達到開挖面的穩定[1]。閔凡路等發現在泥膜形成的過程中，泥漿壓力在地層中轉化為抵抗地層靜水壓力的孔壓、超靜孔隙水應力和抵抗地層土壓力的有效泥漿壓力3部分[2]。韓曉瑞等研究了泥漿性質對開挖面泥膜形成質量影響[3]。姜騰等采用CMC、正電膠、Na2CO3等三種泥漿添加劑，對泥漿性質，泥膜性質進行改進[4]。白云等借助于牛頓流體力學模型，運用流體力學與極限平衡法的基本原理，推導出盾尾空隙橫斷面內漿液壓力的分布模型[5]。張云等在分析盾構法隧道引起的地表變形的原因的基礎上，將盾尾空隙的大小、注漿充填的程度等對地層位移有著重要影響，而在實際工程中又難以量化的因素，概括為一均質、等厚的等代層，并根據實測位移，運用反分析法較準確的獲得等代層的參數[6]。 到目前為止，尚未有人開展形成泥膜所消耗泥漿量的研究。因此本文通過自制的泥膜閉氣裝置，采用5組不同的泥漿，分別在4組不同壓力差條件下開展成膜試驗，分析壓力差對泥漿成膜所需泥漿量的影響。以期為泥漿制備及泥漿壓力的設定提供依據。

1 .試驗材料及方法

1.1試驗材料

本文配置了5種泥漿進行試驗，泥漿性質如表1所示。泥漿的顆粒篩分曲線如圖1所示。

表1所配各組泥漿的性質

備注：其中基漿是膨潤土與水質量比為1:8的純膨潤土泥漿；工程中泥漿進漿比重大多介于1.05～1.3之間。

試驗所用地層均為天然沙土篩分獲得。其粒徑為0.25-0.5mm，滲透系數為2.9×10-2cm/s。

1.2 試驗裝置

圖2為泥膜閉氣裝置圖。裝置的主要部分是兩個直徑15cm，高度60cm的有機玻璃筒。為了模擬地層上覆土水壓力，采取在左邊的有機玻璃筒里面施加壓力，將兩個有機玻璃筒連接起來，則地層上覆土水壓力可通過左邊的穩壓器穩定在一個定值。通過改變右邊空壓機的進氣壓力，來進行不同壓力差模式下的試驗。

1.3 實驗方法

在左邊有機玻璃筒中分層裝入濾層、地層，經飽和之后，在地層上部注入一定質量的自制泥漿，密封裝置，然后，分別打開兩邊進氣閥，調節空壓機，設置壓力差值。在壓力差的作用下，泥漿向地層中滲透，并形成泥膜。成膜以后，打開裝置，倒出多余的泥漿，并稱量其質量，從而計算出形成泥膜所需要的泥漿量。

2 實驗結果分析

2.1 ①號泥漿實驗結果

圖3為①號泥漿在不同壓力差作用下，進行成膜試驗所消耗泥漿量的變化曲線。由圖可以看出，泥漿消耗量與壓力差，并不是嚴格線性變化；在壓力差較小時，泥漿消耗量大，當壓力差為60kPa時，泥漿消耗量最小，隨著壓力差的逐步增加，泥漿消耗量又緩慢增加，但增加幅度很小。

2.2 ②號泥漿實驗結果

圖4為②號泥漿在不同壓力差作用下，進行成膜試驗所消耗泥漿量的變化曲線。由圖可以明顯看出，泥漿消耗量隨著壓力差的增加而減小，在壓力差為30kPa時，泥漿消耗量為641.7g,當壓力差增加到120kPa時，泥漿消耗量降到456.3g。

2.3 ③號泥漿實驗結果

圖5為③號泥漿在不同壓力差作用下，進行成膜試驗所消耗泥漿量的變化曲線。由表4可以明顯看出，當壓差由30kPa增加到60kPa的時候，泥漿消耗量只減小了13.5g，隨著壓力差的繼續增加，泥漿消耗量減小幅度大幅增加。

2.4 ④號泥漿實驗結果

圖6為④號泥漿在不同壓力差作用下，進行成膜試驗所消耗泥漿量的變化曲線。與③號泥漿相比，可明顯看出，壓力差的增加將會減小泥漿的消耗量。

2.5 ⑤號泥漿實驗結果

圖7為⑤號泥漿在不同壓力差作用下，進行成膜試驗所消耗泥漿量的變化曲線。由圖7可看出來。隨著壓力差的增加，在同一增量下，泥漿消耗量的減小量逐漸減小。

2.6試驗結果分析

由圖3-圖7可以看出，當泥漿密度和顆粒級配保持不變時，隨著壓力差的增大，噴灑成膜所消耗的泥漿量在減少。泥膜的形成機理是泥漿顆粒在泥漿壓力的作用下向土層中滲透，其中較大的泥漿顆粒會在滲透過程中淤堵在地層孔隙，隨著時間推移逐漸形成不透水泥膜。但噴灑泥漿成膜與普通成膜方式又有所不同，泥漿被噴灑在地層表面，一部分在壓力差和噴灑沖力的作用下滲入地層孔隙，但絕大部分會因為重力作用落到儀器內，順著排漿孔被排出。當儀器內壓力增大時，泥漿顆粒向地層滲透的速度加快，成膜所花的時間變短，消耗的泥漿量減少。

3 結論

1)泥漿在壓力的作用下，向地層中進行滲透，逐漸形成泥膜，泥膜的形成，使得泥漿所承受的壓力能夠轉化為有效應力，作用在開挖面上，平衡掌子面后方的土水壓力，從而保證掌子面的穩定。

2)泥漿能否成膜與泥漿性質、地層條件、泥漿壓力有關，在保證泥漿能夠成膜的前提下，通過增大壓力差，可有效減少泥漿用量。

3)在今后采用泥水盾構施工中，進行帶壓開倉作業時，為減少泥膜形成時間，可采取增大泥漿壓力的辦法，來快速形成泥膜。

[1]張鳳祥,朱合華,傅明德.盾構隧道[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]閔凡路,朱 偉,魏代偉,等.泥水盾構泥膜形成時開挖面地層孔壓變化規律研究[J].巖土工程學報，2013,35 (4):722-727.

[3]韓曉瑞,朱 偉，劉泉維,等.泥漿性質對泥水盾構開挖面泥膜形成質量影響[J].巖土力學,2008,29(Z):288-292.

[4]姜 騰,朱 偉,閔凡路,等.泥水盾構開倉時的泥膜閉氣性能及改進方法[J].地下空間與工程學報,2014,10(3):504-509.

[5]白 云,戴志仁,張莎莎,等.盾構隧道同步注漿漿液壓力擴散模式研究[J].中國鐵道科學,2011,32(4):38-45.

[6]張 云,殷宗澤,徐永福.盾構法隧道引起的地表變形分析[J].巖石力學與工程學報,2002,21(3):388-392.

(責任編輯 李軍)

Pressure gap’s affect to slurry consumption in slurry shield construction

DUXueshan,WANGQi,ZHUDongyuan

(CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,JiangsuNanjing210098,China)

Inslurryshieldconstruction,openingachamberundercompressedairisusuallyneeded.Toensurethestabilityofexcavationfaceinslurryshield,apressedfiltercakemustbeformedontheworkingface.Inthispaper,anewtestapparatuswasdevelopedtostudytheairproofcapabilityofafiltercakeundervariedpressuredifference.Testresultsindicatethatwhentheargitanwasformed,theslurryconsumptionreducesalongwiththepressuredifferencegrowth.

slurryshield;filtercake;pressuregap;slurryconsumption

1673-9469(2016)04-0039-03doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.009

2016-07-11

國家自然科學基金資助項目(51378176)

杜雪山(1993-)，男，湖北荊州人，碩士，從事盾構隧道研究。

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