圓礫地層原狀土泥膜形成效果試驗(yàn)研究*

封 坤，王運(yùn)超，李德斌，路開道，邵振興，劉四進(jìn)

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211899)

0 引言

盾構(gòu)法具有對(duì)周邊環(huán)境影響小、地質(zhì)條件適應(yīng)能力強(qiáng)、施工相對(duì)安全且迅速等特點(diǎn)，已成為修建水下隧道的首選[1]。但盾構(gòu)隧道工程施工過程中常遇地層復(fù)雜、滲透系數(shù)大、孔隙率較高、顆粒易受擾動(dòng)等問題。對(duì)于泥水平衡盾構(gòu)，開挖面密封艙所需泥漿密度、黏度等技術(shù)指標(biāo)須滿足泥膜形成要求[2]，且泥膜形成效果決定了施工安全與效率。在黏性土地層中，通常能夠快速形成密實(shí)的泥膜。在滲透系數(shù)和孔隙率均較大的圓礫地層中，需對(duì)泥膜形成效果進(jìn)行研究。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要采用模型試驗(yàn)的方法研究泥膜形成問題，如吳迪等[3]采用均勻設(shè)計(jì)法，選用中粗砂和礫砂作為試驗(yàn)地層，配制不同相對(duì)密度泥漿進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相對(duì)密度是影響濾水量的首要因素；劉成等[4]采用輕質(zhì)砂作為泥漿添加材料，發(fā)現(xiàn)泥膜形成效果隨著輕質(zhì)砂添加量的增大明顯提高，但添加量超過一定值后，效果降低；林鈺豐等[5]配制了不同滲透系數(shù)的地層，并進(jìn)行了泥膜試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，泥皮厚度隨著地層滲透系數(shù)的增加先增大后減小，且增大泥漿顆粒粒徑可提高泥膜形成能力；加瑞等[6]開展不同顆粒級(jí)配、相對(duì)密度泥漿在不同孔徑地層中的成膜試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，泥漿顆粒級(jí)配是影響泥膜形成質(zhì)量的主要原因。

綜上所述，已有研究多采用自行配制地層及泥漿的方式進(jìn)行試驗(yàn)，雖能較好地反映泥膜形成過程，給出泥膜形成條件及泥膜形成效果影響因素，但泥膜形成效果因地層不同存在較大差異，已有研究采用機(jī)制砂或石英砂作為試驗(yàn)地層，無法真實(shí)全面地反映實(shí)際地層中泥膜形成情況，且試驗(yàn)所用泥漿與現(xiàn)場施工所用泥漿存在一定差異[7]。鑒于此，本文依托常德沅江隧道工程，開展圓礫地層原狀土泥漿滲透成膜試驗(yàn)研究，分析泥膜形成效果，得到最佳泥漿配合比。

1 工程概況

常德沅江隧道采用雙洞雙向4車道設(shè)計(jì)，全長2 240m，盾構(gòu)區(qū)間長1 960m。刀盤直徑11.75m，隧道盾構(gòu)區(qū)間穿越地層主要為圓礫地層，占比>70%。圓礫地層粒徑跨度大、滲透系數(shù)大、不均勻系數(shù)極大，主要為大粒徑圓礫和小粒徑粉土，中間粒徑地層含量較少。圓礫地層顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，抽水試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

表1 圓礫地層顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

表2 圓礫地層抽水試驗(yàn)結(jié)果

圖1 圓礫地層顆粒級(jí)配曲線

2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)?zāi)酀{由施工現(xiàn)場膨潤土、黏土、制漿劑配制而成，通過對(duì)材料含量進(jìn)行調(diào)整，保證新配泥漿相對(duì)密度為1.06～1.07，漏斗黏度控制為25s左右。

采用原狀土作為試驗(yàn)地層，由于原狀土最大顆粒粒徑為60mm，為盡量減小尺寸效應(yīng)的影響，采用自行研發(fā)的直徑30cm滲流筒進(jìn)行試驗(yàn)，如圖2所示。為削弱邊界效應(yīng)，在滲流筒下方設(shè)置環(huán)形凹槽，以增大地層與滲流筒邊壁的摩擦力。采用氮?dú)馄孔鳛榧訅簹庠矗獨(dú)饨?jīng)加壓臺(tái)加壓后接入滲流筒，加壓臺(tái)可將氮?dú)膺M(jìn)一步加壓，且可使氣壓更易控制。加壓裝置最大加壓值為1MPa，最小加壓梯度為0.01MPa。

圖2 滲流筒

3 泥漿性能指標(biāo)分析

已有研究表明，泥漿最主要的性能指標(biāo)為黏度和相對(duì)密度，其直接決定了泥膜形成速率及質(zhì)量[8]。泥漿配制初期，黏度隨著時(shí)間增加而增大，因此實(shí)際施工過程中通常提前配制泥漿，以滿足施工要求。共配制8種不同配合比泥漿(見表3)，研究膨潤土、黏土、制漿劑對(duì)泥漿性能指標(biāo)的影響。測得1～8號(hào)配合比下泥漿相對(duì)密度分別為1.07，1.07，1.06，1.07，1.07，1.07，1.06，1.05，可知黏土含量對(duì)相對(duì)密度的影響較大[9]。

表3 泥漿配合比

為研究泥漿黏度隨時(shí)間增長情況，定期對(duì)泥漿黏度進(jìn)行測試，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，不同配合比下，泥漿配制完成24h內(nèi)，黏度隨時(shí)間增長較明顯；泥漿配制完成24h后，黏度隨時(shí)間增長較緩慢。1，3號(hào)配合比下，泥漿黏度較大，24h黏度均>45s。僅制漿劑摻量不同時(shí)，隨著制漿劑摻量的增加，泥漿黏度逐漸增大，表明制漿劑可提高泥漿黏度。由7，8號(hào)配合比泥漿黏度變化曲線可知，膨潤土對(duì)泥漿黏度的提升作用較小。由6，7號(hào)配合比泥漿黏度變化曲線可知，黏土摻量對(duì)泥漿黏度的影響最小。

圖3 不同配合比下泥漿黏度隨時(shí)間增長曲線

為進(jìn)一步研究制漿劑對(duì)泥漿黏度的影響機(jī)理，對(duì)泥漿含砂率進(jìn)行測量，測得1，2，4，5，6號(hào)配合比泥漿24h黏度下含砂率分別為17%，8%，5.5%，7.5%，2%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，1，2，4，5號(hào)配合比泥漿除含有一定顆粒物外，還含有較多的絮狀物質(zhì)，這是由于制漿劑所含礦物質(zhì)具有極強(qiáng)親水性，結(jié)合膨潤土顆粒后形成較多的絮狀物質(zhì)，這是泥漿黏度的主要來源[10]。絮狀物質(zhì)含量隨著制漿劑含量的增大明顯增多，即1號(hào)配合比泥漿絮狀物質(zhì)含量最多，體積含量約為17%；6號(hào)配合比泥漿絮狀物質(zhì)含量最少，基本不含絮狀物質(zhì)。

4 泥漿形成效果分析

已有研究表明，在細(xì)顆粒含量較大的地層中，泥漿黏度相比含砂率對(duì)泥膜形成效果的影響更大[11]。為進(jìn)一步研究泥漿黏度對(duì)泥膜形成效果的影響，在1，2，5，7號(hào)配合比泥漿24h黏度下，開展原狀土加壓試驗(yàn)。

為防止細(xì)顆粒土體在滲流過程中流失，在地層下鋪設(shè)15cm厚機(jī)制石英砂(粒徑1～2mm)墊層，并在墊層上鋪設(shè)20cm厚原狀土(見圖4)。滲流筒底部設(shè)有出(進(jìn))水口，筒蓋設(shè)有進(jìn)氣口。原狀土鋪設(shè)完成后，首先通過下方進(jìn)水口輸水，使地層達(dá)到飽水狀態(tài)，關(guān)閉閥門并裝填8cm高泥漿；然后放置滲流筒筒蓋，并用螺栓擰緊；最后連接加壓裝置，開始試驗(yàn)。

圖4 泥漿加壓示意

加壓裝置連至進(jìn)氣口后，打開出水口閥門，開始加壓。本試驗(yàn)采用氮?dú)庾鳛榧訅簹怏w，開始加壓后，以20s為時(shí)間梯度，以0.1MPa為氣壓梯度，以120s為靜置時(shí)間梯度，以5s為讀數(shù)梯度，最大加壓值為0.6MPa，間隔5s讀取出水口濾水量。

泥漿濾水量隨加壓時(shí)間變化曲線如圖5所示。由圖5可知，4種配合比下，泥漿均能形成有效泥膜，最終氣壓達(dá)0.6MPa時(shí)，濾水量已基本穩(wěn)定；加壓階段濾水量增長較明顯，靜置階段濾水量增長較緩慢[12]；1，2，5，7號(hào)配合比下泥漿濾水量分別為1 078，1 168，1 245，1 335mL，表明泥漿黏度對(duì)濾水量起較明顯的控制作用，泥漿黏度越大，濾水量越小；氣壓為0.1MPa時(shí)，不同泥漿黏度下，泥漿濾水量差距較大，表明泥漿總濾水量差距主要存在于氣壓為0.1MPa區(qū)間內(nèi)；泥漿在0.1MPa氣壓作用后形成較致密的泥膜，隨后泥膜與地層形成整體，在氣壓作用下將機(jī)制砂墊層中的水?dāng)D出。綜上所述，1，2，5，7號(hào)配合比下泥漿均能在圓礫原狀土地層中形成質(zhì)量較好的泥膜，但泥膜形成速率與濾水量存在一定差別。

圖5 不同配合比下泥漿濾水量隨加壓時(shí)間變化曲線

將每級(jí)氣壓作用下泥漿濾水量Vi和最終濾水量V的比值定義為濾水比(以n表示，n=Vi/V)，計(jì)算得到氣壓-濾水比關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 不同配合比下加載氣壓-濾水比關(guān)系曲線

由圖6可知，1號(hào)配合比泥漿每級(jí)氣壓作用下濾水量基本相同，可知在加載初期便形成了泥膜，隨后泥膜與地層形成整體；泥漿黏度越大越易形成泥膜，當(dāng)黏度達(dá)一定程度時(shí)，無須加壓也可形成泥膜[13]。

5 泥皮厚度分析

已有研究表明，除濾水量外，泥皮厚度也是衡量泥膜質(zhì)量的參數(shù)[14]，因此，對(duì)1，2，5，7號(hào)配合比泥漿泥皮厚度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 泥皮厚度

由圖7可知，1，2，5，7號(hào)配合比泥漿泥皮厚度分別為6，4，2，3mm，可知5號(hào)配合比泥漿泥皮厚度最小。7號(hào)配合比泥漿黏度雖小于5號(hào)配合比泥漿，但其泥皮厚度稍厚。 2號(hào)配合比泥漿雖形成了致密的泥膜，但由于絮狀物質(zhì)含量較多，并在泥皮上堆積，造成泥皮厚度較大，說明絮狀物質(zhì)含量過多，經(jīng)濟(jì)性較差。

為得到泥膜形成質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性均較好的泥漿，對(duì)濾水量與泥皮厚度進(jìn)行綜合考慮，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同配合比下泥漿濾水量-泥皮厚度關(guān)系曲線

由圖8可知，1，2號(hào)配合比泥漿濾水量雖較小，但泥皮厚度較大，造成了絮狀物質(zhì)的浪費(fèi)，所以經(jīng)濟(jì)性較差；7號(hào)配合比泥漿濾水量最大，且泥皮厚度較大，雖可形成泥膜，但形成速率與泥膜質(zhì)量存在一定風(fēng)險(xiǎn)[15]；5號(hào)配合比泥漿泥皮厚度約為2mm，且濾水量處于中間段，考慮泥膜形成速率、質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)性，該配合比泥漿最適用于圓礫地層。

6 結(jié)語

1)不同配合比下，泥漿配制完成24h內(nèi)，黏度隨時(shí)間增長較明顯；泥漿配制完成24h后，黏度隨時(shí)間增長較緩慢。

2)膨潤土和黏土含量對(duì)泥漿黏度的影響較有限，對(duì)泥漿相對(duì)密度的影響較大。

3)制漿劑含量對(duì)泥漿黏度的影響較大，主要通過制漿劑中所含的親水性材料生成絮狀物質(zhì)實(shí)現(xiàn)；隨著制漿劑摻量的增加，泥漿黏度逐漸增大。

4)1，2，5，7號(hào)配合比泥漿均可在圓礫原狀土地層中形成泥膜，隨著泥漿黏度的增加，最終濾水量減小。

5)5號(hào)配合比泥漿(黏度25s)形成的泥皮厚度最小，考慮泥膜形成速率、質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)性，將其確定為最適合于圓礫地層的泥漿配合比。