压力差对盾构施工形成泥膜所需泥浆量的影响

杜雪山，王 奇，朱东元

(河海大学 土木与交通学院，江苏 南京210098)

压力差对盾构施工形成泥膜所需泥浆量的影响

杜雪山，王 奇，朱东元

(河海大学 土木与交通学院，江苏 南京210098)

采用泥水盾构施工，进行带压开仓时，通常采用泥膜闭气的方法来平衡开挖面后部的土水压力。这就需要在掌子面表面形成一层泥膜，从而达到闭气的目的。本文通过采用自制的泥膜闭气装置，在实验室内开展了不同压力差下形成泥膜的试验。试验表明，当形成泥膜时，泥浆消耗量随着压力差的增大而减小。

泥水盾构；泥膜；压力差；泥浆消耗量

近年来，泥水盾构技术因其优越性，在我国跨江跨河的隧道建设中得到了越来越多的应用。盾构机在水下掘进时，会遇到遭遇孤石、更换刀具等需开仓检修的问题。因而采用带压开仓变成了可代替的方法。带压开仓的关键是形成闭气性能良好的泥膜。从而在开挖仓注入高气压，来平衡掌子面后部的土水压力，进而达到开挖面的稳定[1]。闵凡路等发现在泥膜形成的过程中，泥浆压力在地层中转化为抵抗地层静水压力的孔压、超静孔隙水应力和抵抗地层土压力的有效泥浆压力3部分[2]。韩晓瑞等研究了泥浆性质对开挖面泥膜形成质量影响[3]。姜腾等采用CMC、正电胶、Na2CO3等三种泥浆添加剂，对泥浆性质，泥膜性质进行改进[4]。白云等借助于牛顿流体力学模型，运用流体力学与极限平衡法的基本原理，推导出盾尾空隙横断面内浆液压力的分布模型[5]。张云等在分析盾构法隧道引起的地表变形的原因的基础上，将盾尾空隙的大小、注浆充填的程度等对地层位移有着重要影响，而在实际工程中又难以量化的因素，概括为一均质、等厚的等代层，并根据实测位移，运用反分析法较准确的获得等代层的参数[6]。 到目前为止，尚未有人开展形成泥膜所消耗泥浆量的研究。因此本文通过自制的泥膜闭气装置，采用5组不同的泥浆，分别在4组不同压力差条件下开展成膜试验，分析压力差对泥浆成膜所需泥浆量的影响。以期为泥浆制备及泥浆压力的设定提供依据。

1 .试验材料及方法

1.1试验材料

本文配置了5种泥浆进行试验，泥浆性质如表1所示。泥浆的颗粒筛分曲线如图1所示。

表1所配各组泥浆的性质

备注：其中基浆是膨润土与水质量比为1:8的纯膨润土泥浆；工程中泥浆进浆比重大多介于1.05～1.3之间。

试验所用地层均为天然沙土筛分获得。其粒径为0.25-0.5mm，渗透系数为2.9×10-2cm/s。

1.2 试验装置

图2为泥膜闭气装置图。装置的主要部分是两个直径15cm，高度60cm的有机玻璃筒。为了模拟地层上覆土水压力，采取在左边的有机玻璃筒里面施加压力，将两个有机玻璃筒连接起来，则地层上覆土水压力可通过左边的稳压器稳定在一个定值。通过改变右边空压机的进气压力，来进行不同压力差模式下的试验。

1.3 实验方法

在左边有机玻璃筒中分层装入滤层、地层，经饱和之后，在地层上部注入一定质量的自制泥浆，密封装置，然后，分别打开两边进气阀，调节空压机，设置压力差值。在压力差的作用下，泥浆向地层中渗透，并形成泥膜。成膜以后，打开装置，倒出多余的泥浆，并称量其质量，从而计算出形成泥膜所需要的泥浆量。

2 实验结果分析

2.1 ①号泥浆实验结果

图3为①号泥浆在不同压力差作用下，进行成膜试验所消耗泥浆量的变化曲线。由图可以看出，泥浆消耗量与压力差，并不是严格线性变化；在压力差较小时，泥浆消耗量大，当压力差为60kPa时，泥浆消耗量最小，随着压力差的逐步增加，泥浆消耗量又缓慢增加，但增加幅度很小。

2.2 ②号泥浆实验结果

图4为②号泥浆在不同压力差作用下，进行成膜试验所消耗泥浆量的变化曲线。由图可以明显看出，泥浆消耗量随着压力差的增加而减小，在压力差为30kPa时，泥浆消耗量为641.7g,当压力差增加到120kPa时，泥浆消耗量降到456.3g。

2.3 ③号泥浆实验结果

图5为③号泥浆在不同压力差作用下，进行成膜试验所消耗泥浆量的变化曲线。由表4可以明显看出，当压差由30kPa增加到60kPa的时候，泥浆消耗量只减小了13.5g，随着压力差的继续增加，泥浆消耗量减小幅度大幅增加。

2.4 ④号泥浆实验结果

图6为④号泥浆在不同压力差作用下，进行成膜试验所消耗泥浆量的变化曲线。与③号泥浆相比，可明显看出，压力差的增加将会减小泥浆的消耗量。

2.5 ⑤号泥浆实验结果

图7为⑤号泥浆在不同压力差作用下，进行成膜试验所消耗泥浆量的变化曲线。由图7可看出来。随着压力差的增加，在同一增量下，泥浆消耗量的减小量逐渐减小。

2.6试验结果分析

由图3-图7可以看出，当泥浆密度和颗粒级配保持不变时，随着压力差的增大，喷洒成膜所消耗的泥浆量在减少。泥膜的形成机理是泥浆颗粒在泥浆压力的作用下向土层中渗透，其中较大的泥浆颗粒会在渗透过程中淤堵在地层孔隙，随着时间推移逐渐形成不透水泥膜。但喷洒泥浆成膜与普通成膜方式又有所不同，泥浆被喷洒在地层表面，一部分在压力差和喷洒冲力的作用下渗入地层孔隙，但绝大部分会因为重力作用落到仪器内，顺着排浆孔被排出。当仪器内压力增大时，泥浆颗粒向地层渗透的速度加快，成膜所花的时间变短，消耗的泥浆量减少。

3 结论

1)泥浆在压力的作用下，向地层中进行渗透，逐渐形成泥膜，泥膜的形成，使得泥浆所承受的压力能够转化为有效应力，作用在开挖面上，平衡掌子面后方的土水压力，从而保证掌子面的稳定。

2)泥浆能否成膜与泥浆性质、地层条件、泥浆压力有关，在保证泥浆能够成膜的前提下，通过增大压力差，可有效减少泥浆用量。

3)在今后采用泥水盾构施工中，进行带压开仓作业时，为减少泥膜形成时间，可采取增大泥浆压力的办法，来快速形成泥膜。

[1]张凤祥,朱合华,傅明德.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]闵凡路,朱 伟,魏代伟,等.泥水盾构泥膜形成时开挖面地层孔压变化规律研究[J].岩土工程学报，2013,35 (4):722-727.

[3]韩晓瑞,朱 伟，刘泉维,等.泥浆性质对泥水盾构开挖面泥膜形成质量影响[J].岩土力学,2008,29(Z):288-292.

[4]姜 腾,朱 伟,闵凡路,等.泥水盾构开仓时的泥膜闭气性能及改进方法[J].地下空间与工程学报,2014,10(3):504-509.

[5]白 云,戴志仁,张莎莎,等.盾构隧道同步注浆浆液压力扩散模式研究[J].中国铁道科学,2011,32(4):38-45.

[6]张 云,殷宗泽,徐永福.盾构法隧道引起的地表变形分析[J].岩石力学与工程学报,2002,21(3):388-392.

(责任编辑 李军)

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

国家自然科学基金资助项目(51378176)

杜雪山(1993-)，男，湖北荆州人，硕士，从事盾构隧道研究。

TU

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