在均質(zhì)土和復(fù)合土中泥膜形成時間及厚度的對比分析

胡敏+張瀟+胡昱璐+梅笑冰+王翔宇+湯沁

摘要：合理的泥漿配比及泥漿參數(shù)直接關(guān)系到盾構(gòu)掘進(jìn)的效率、安全及施工成本。根據(jù)不同的條件選擇經(jīng)濟(jì)、合理的泥漿配合比，成為當(dāng)前泥水平衡盾構(gòu)施工中的一個難題。而泥水系統(tǒng)中泥膜的形成對盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定性起著極其重要的作用，文章主要在兩種均一土層和一種復(fù)合土層土質(zhì)條件下通過改變泥漿比重和黏度，以及對泥漿指標(biāo)的控制及對添加劑和用量的選擇，分別配置不同泥漿即改變泥漿比重及黏度，然后測量濾水量，并測量泥膜厚度。

關(guān)鍵詞：泥水盾構(gòu)；泥漿配比；泥漿特性；泥漿配制；濾水量

1引言

隨著我國鐵路、公路、水利、城市軌道交通等事業(yè)的發(fā)展，泥漿在盾構(gòu)施工中主要起到維持開挖面的穩(wěn)定、攜渣、潤滑掘削設(shè)備、減少管路磨損等作用。泥水盾構(gòu)就是在機(jī)械式盾構(gòu)刀盤的后方設(shè)置一道封閉隔板，通過在隔板與刀盤之間的密封空間泥水艙中注入適當(dāng)壓力的泥漿，當(dāng)加壓泥漿滲入開挖面前方土層中，在開挖面形成滲透性非常小的一層泥膜，支承正面土體，使得泥水壓力有效作用于開挖面產(chǎn)生平衡前方水土壓力的泥水平衡效果。泥水盾構(gòu)泥漿有兩大功能，一是保證開挖面穩(wěn)定，二是順利輸送出開挖碴土。同時，不透水的泥膜將部分泥漿壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力作用在開挖面上，支護(hù)開挖面土體，地下水無法涌入泥水艙，起到穩(wěn)定開挖面的作用。所以在泥水盾構(gòu)施工過程中，泥膜的形成質(zhì)量對于保證開挖面的穩(wěn)定和安全順利掘進(jìn)有著至關(guān)重要的作用.[1]正是由于泥漿對開挖面的特殊支承作用以及開挖面的泥膜穩(wěn)定機(jī)理，使得泥水盾構(gòu)工法在各種并行不悖的隧道施工法相互比較和競爭中，顯示了強(qiáng)大的優(yōu)勢。[2]

2 試驗(yàn)方法與材料

本文以實(shí)驗(yàn)的方式來探究各種均質(zhì)土層和復(fù)合土層情況下，在泥水盾構(gòu)中泥漿形成泥膜的過程中，泥漿的性質(zhì)對泥膜形成的影響，本實(shí)驗(yàn)所使用的實(shí)驗(yàn)儀器見圖1成膜裝置由①出水口 ②溢流口③活塞④筒體⑤細(xì)管等組成，該裝置呈圓柱形，由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑為200mm，高為500mm，周圍四根細(xì)管用來觀測土體是否飽和。

本試驗(yàn)所用相關(guān)材料主要是用來配制各種泥漿，包括鈉基膨潤土，黏土，酒精，堿粉，及羧甲基纖維素納（簡稱CMC），和其中CMC用于調(diào)節(jié)泥漿黏度，鈉基膨潤土以及黏土均會影響泥漿比重，堿粉用于調(diào)節(jié)泥漿化學(xué)性質(zhì)，泥水PH值為7～10表明泥水無正離子污染，超過該界限則表明泥水存在正離子污染。黏度和比重測定將會使用NB-1型泥漿比重計和1006型漏斗黏度計。根據(jù)湯沁的研究[3]：

（1）在粘土地層中，合適的泥漿密度在1.1～1.2kg/m3左右，泥漿黏度在20s左右。（2）在砂土地層中，合適的泥漿密度在1.2～1.3kg/m3左右，泥漿黏度在23s左右。以此為基準(zhǔn)我們配置質(zhì)量更好的泥膜，泥膜質(zhì)量的指標(biāo)在韓曉瑞[4]的在試驗(yàn)室我們以濾水量的大小評價泥膜質(zhì)量：泥膜形成過程中泥漿濾失量小說明泥膜容易形成，泥膜形成后濾水量小說明泥膜致密，兩者均小則說明泥膜質(zhì)量良好。

實(shí)驗(yàn)土層我們主要選用了三種土層，①粒徑<5mm的黏土地層，取自周邊較為常見的黏土地層，烘干再砸碎②粒徑<2mm的細(xì)砂土層③由黏土和砂土對半混合的復(fù)合土地層。

實(shí)驗(yàn)步驟：（1）在出水口處放一張濾紙；準(zhǔn)備濾水砂層：鋪一層4cm厚的粒徑為2～6mm的卵石層在儀器底部，并在上部鋪一層土工布；

（2）關(guān)閉出水口和溢流口閥門，為防止堵塞，各個細(xì)管接口上放一張濾紙；

（3）將試驗(yàn)地層放入裝置中，振搗壓實(shí)；

（4）用工具引流，慢慢往裝置中注水飽和地層；

（5）配制泥漿，攪拌均勻后靜置水化；

（6）待細(xì)管的水位上升到與灌入的水位齊平后，再等待兩小時飽和（不同土層有不同的飽和時間），打開裝置溢流口和出水口，將裝置中水分排出。

（7）排干凈后，關(guān)閉溢流口和出水口。細(xì)管中水位與地層高度齊平。給活塞包上濕潤的土工布。

（8）將準(zhǔn)備好的泥漿攪拌均勻后，使用引流工具慢慢倒入試驗(yàn)地層上，直到指定刻度，厚5cm。

（9）打開出水口，下方放玻璃試管。并進(jìn)行計時，每1分鐘或倍數(shù)換一只試管，讀數(shù)后將濾水倒入量杯中。在之后的實(shí)驗(yàn)中改進(jìn)了這一方法，將電子稱直接放置在出水口下方。

（10）待每組試管讀數(shù)一致時，泥膜已經(jīng)形成。

（11）關(guān)閉所有閥門，小心將上部泥漿清除后，將泥膜切塊取出，觀察泥膜形成狀態(tài)，測量泥膜厚度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）砂土我們做了兩組，我們改變了泥漿的性質(zhì)作為對比，具體配比見表1，數(shù)據(jù)見表2

泥膜形態(tài)如下圖2

由實(shí)驗(yàn)一二的對比可知，黏土量的提高有利于比重和黏度的增加，從而更快形成泥膜。且由圖中泥膜形態(tài)可知，第二組泥膜均為均勻，砂土泥漿要求為比重處于1.2～1.3g/cm3，黏度要求為23s左右。

（2）黏土較為復(fù)雜，相比砂土，土層的飽和是關(guān)鍵，可根據(jù)本儀器的四根細(xì)管中的水位判斷，若在同一水平面，則飽和了，若在實(shí)驗(yàn)中易出現(xiàn)未飽和，而導(dǎo)致濾水量過大的問題，我們做了三組實(shí)驗(yàn)，在不同的泥漿條件下，配比及結(jié)果如下表3，表4所示

泥膜的形態(tài)如下圖：

通過對比這三組實(shí)驗(yàn)：

①由實(shí)驗(yàn)一、二對比知，黏土的增加有利于比重、黏度小范圍的增加，對泥膜的形成有利。②由實(shí)驗(yàn)一、三對比知，膨潤土的增加對黏度的增加顯著，對于加快泥膜形成有利。③由實(shí)驗(yàn)二、三對比知，黏土與膨潤土對泥漿比重影響接近，膨潤土對黏度影響更大，更利于泥膜形成。

小結(jié)：粘土的泥漿要求比重處于1.1～1.2g/cm3，黏度在20s左右。

（3）本組實(shí)驗(yàn)為探索性實(shí)驗(yàn)，我們用隔板將兩種土層均勻依次的填充到實(shí)驗(yàn)儀器中，然后加水飽和8小時以上，我們做了四組實(shí)驗(yàn)，泥漿配比及結(jié)果如下表5，表6

四組實(shí)驗(yàn)互相對比可得以下結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)一、二對比得，比重不變，黏度提升有利于泥膜形成。

由實(shí)驗(yàn)一、三以及實(shí)驗(yàn)二、四對比得，黏度不變，比重的提升有利于泥膜形成。

由實(shí)驗(yàn)一、四對比得，比重和黏度的同時提升有利于泥膜形成。

由實(shí)驗(yàn)三、四對比得，比重不變，適應(yīng)黏土的泥漿黏度有利于泥膜形成。

小結(jié)：復(fù)合土泥漿要求為比重處于1.2～1.3g/cm3，黏度要求為21s左右。

4 結(jié)論

通過以上若干實(shí)驗(yàn)，我們對泥漿泥膜成形實(shí)驗(yàn)，我們出于對土層孔隙大小以及透水性的考慮，可以得到以下結(jié)論：

（1）砂土泥漿要求為比重處于1.2～1.3g/cm3，黏度要求為23s左右。小比重或小黏度會導(dǎo)致泥膜厚度過低。

（2）黏土的泥漿要求比重處于1.1～1.2g/cm3，黏度在20s左右。大比重或大黏度會導(dǎo)致泥膜形成時間過久。

（3）復(fù)合土層出于對兩種土層的綜合考慮，泥漿要求為比重處于1.2～1.3g/cm3，黏度要求為21s左右。小比重或大黏度不利于泥膜形成質(zhì)量和時間。

在實(shí)驗(yàn)中，我們也遇到了一些問題，比如在濾水量會出現(xiàn)三四組保持一致而后繼續(xù)下降的情況，我們做了一些探索，但還是沒有得到答案。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳芝春，張振坤，徐志強(qiáng).泥水盾構(gòu)施工泥膜成膜質(zhì)量控制試驗(yàn)研究———以穿黃隧洞工程為例[J].北京：水電與新能源，2015，（130）.

[2]胡欣雨，張子新，徐營.黏性土層中泥水盾構(gòu)泥漿作用對開挖面土體強(qiáng)度和側(cè)向變形特性影響研究[J].南京：巖土工程學(xué)報，2009，31（11）.

[3]湯沁.泥水平衡盾構(gòu)泥膜的形成與土層關(guān)系分析[D]，上海工程技術(shù)大學(xué)，2016.

[4]韓曉瑞，朱偉，劉泉維.泥漿性質(zhì)對泥水盾構(gòu)開挖面泥膜形成質(zhì)量影響[J].中國中國科學(xué)院，2008，29.