加砂泥浆在砂性地层中成膜效率试验

刘成，寇伟，陆杨

(1.南京林业大学土木工程学院，南京 210037；2.莫纳什大学工程学院土木工程系，墨尔本 3800；3.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098)

加砂泥浆在砂性地层中成膜效率试验

刘成1,2,3，寇伟1，陆杨1

(1.南京林业大学土木工程学院，南京 210037；2.莫纳什大学工程学院土木工程系，墨尔本 3800；3.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098)

在泥浆中添加粗粒材料是解决高透水地层成膜困难的一个重要手段，但粗粒材料在泥浆中容易产生沉降分离，制约了粗粒材料堵塞地层机制的研究。为揭示含粗粒材料的泥浆在砂性地层中的堵塞机制，通过自制试验仪器开展添加轻质砂的泥浆在砂性地层中侵入成膜特征影响的试验研究。结果表明：选取轻质砂作为粗粒材料可以有效解决粗粒材料沉降分离对试验结果的影响；部分无法成膜的泥浆通过添加粗粒材料，可以实现成膜的目的；适量添加粗粒材料可以有效缩短成膜时间和降低成膜滤失量，改善成膜效率，但添加量达到一定值，其改善效果降低；粗粒材料在地层大孔隙中架桥堵塞形成泥膜骨架结构，泥膜质量得到提高；粒径为0.5 mm的轻质砂在试验砂性地层中成膜效果较好，选取合适粒径的粗粒材料对成膜效果尤为重要；添加量和粒径范围是两个关键的影响因素，二者范围的确定可为实际工程泥浆的制备提供指导。

泥水盾构；砂性地层；泥膜；堵塞；轻质砂

近年来，随着交通工程的快速发展，跨海穿河越江盾构隧道越来越多，泥水盾构施工技术在南京纬三路过江隧道、武汉长江隧道和上海长江隧道等超大直径盾构工程取得了良好的工程效益。泥水盾构适用地层范围较广，可以在黏土层、砂土层、砂砾层和卵石层等地层维持开挖面的稳定。

泥浆在渗透性较低的地层中容易形成泥膜，但在粗粒含量高、渗透性大的地层如砂砾、砂卵石地层中，在开挖面上无法形成泥膜，造成大量的泥浆滤失。当无法抵抗地层土水压力时，容易导致开挖面失稳、地表沉降或坍塌等事故的发生[1]。如上海市大连路隧道和复兴东路越江隧道由于开挖面失稳导致地表出现塌陷，造成严重的经济损失[2]。现在越来越多的跨江跨海隧道在大量修建，恶劣的施工环境和复杂的地质条件对泥浆成膜质量和开挖面稳定性提出了更高的要求。目前遇到的一个难点问题是如何在高渗透性地层中形成泥膜，同时提高成膜效率，满足工程实际需求。

目前国内外很多学者通过室内试验开展泥浆成膜问题的研究。Min等[3]通过试验发现，高黏粒含量的泥浆可以有效减少滤水量，提高泥膜致密程度；王胜勇等[4]提出泥膜厚度和成膜速度会随着注浆压力的增大而增大；吴迪等[5]对泥浆相对密度与滤失量关系的研究表明，提高泥浆的相对密度，可以有效地减少滤失量，但是相对密度达到一定值时，其效果将降低。

对泥膜类型和成膜机理的研究近年来也得到了发展。邵生俊等[6]通过试验发现，随着最大渗流单粒孔隙的增大，泥浆通过粗粒土孔隙通道的渗透依次出现了入渗面形成泥皮和未形成泥皮两种渗透状态；李识博等[7]以松散介质为研究对象，对5种粒径区间的样品进行了室内淤堵模拟试验，提出表层堆积淤堵、内部堵塞以及不淤堵3种模式。泥水盾构泥膜状态可以划分为泥皮型、泥皮+渗透带型和完全渗透带型3种类型[8-9]，完全渗透带型对应于地层无法成膜的情形，泥皮型泥膜对应于地层孔隙较小或泥浆浓度较好的情形，二者均不适用于高透水地层。高透水地层成膜研究需要解决将完全渗透带型向泥皮+渗透带型转换的问题。

泥水盾构在高透水地层中的施工效果不够理想，广泛存在成膜困难以致开挖面失稳的问题，在地层中加入粗粒材料或高聚物是目前较为常用的提高成膜效率的方法。Heinz[10]发现加入粉土、砂土等添加剂的膨润土泥浆在高渗透性地层中的渗透距离更短；Fritz[11]通过试验得出，在泥浆中加入砂子、蛭石、聚合物等添加剂可以在高渗透性地层中形成泥膜；Talmon等[12]发现在泥浆中添加石英粉或悬浮砂能够缩短滤饼形成时间；王春河等[13]发现在废浆中加入高分子材料和膨润土材料可以提高开挖面的稳定性。已有研究表明，通过添加剂增大泥浆颗粒尺寸或直接添加粗粒材料能够提高高透水地层的成膜效率，但普通粗粒材料在泥浆中容易沉降分离，制约了粗粒材料尺寸及其添加量对成膜效率影响分析的量化研究。

笔者选择可悬浮于泥浆中的不同粒径和含量的轻质砂作为泥浆粗粒添加材料，在粒径范围为2～5 mm的均匀砂性地层中开展加砂泥浆侵入砂性地层成膜效率试验研究，以期为高渗透性砂性地层泥浆成膜提供理论依据。

1 砂性地层孔隙堵塞机制

砂性地层中泥膜形成过程是泥浆颗粒不断堵塞地层孔隙并在堵塞位置形成颗粒堆积的过程，也是泥膜排水固结和结构强度逐渐形成的过程。由于地层孔隙大小分布不均匀，这个过程是从局部堵塞向周围逐步扩展的过程，泥膜结构具有一定的单向连续性[14]。低透水地层成膜容易，常用工程泥浆浓度已基本满足要求，但对于高透水地层则需要改善泥浆成膜性能。单纯地增加泥浆浓度会造成成本的大幅增加，而增加泥浆粗粒含量可以在改善成膜性能和降低工程成本上达到一种较好的平衡。下面从是否添加粗粒材料两个角度来阐述砂性地层的孔隙堵塞机制。

1.1 无粗粒材料孔隙堵塞

没有添加粗粒材料的泥浆堵塞地层示意图见图1a。泥浆颗粒在压差作用下侵入地层，当地层孔隙均匀且较小时，泥浆颗粒在地层颗粒间隙中形成筛分作用；当地层孔隙均匀且较大时，泥浆颗粒在地层颗粒间隙中形成架桥作用，使得地层颗粒构成的渗流通道减小，从而降低地层渗透性，泥浆颗粒在地层表面堆积，形成泥膜。但是当地层孔隙大到一定程度时，泥浆颗粒将直接穿越地层，无法形成有效堆积。另外如果泥浆浓度较大，泥浆颗粒与地层颗粒胶结能力较强，泥浆颗粒容易附着在地层颗粒上，从而在地层孔隙间形成筛分及架桥作用，缩短了泥浆渗透路径，泥浆颗粒更容易形成团聚体系，且随着越来越多的团聚体形成，泥膜也更容易形成。

当粗料砾体积分数达到70%～75%时，砾粒间架空，细料在砾粒孔隙内只起填料作用，且随时有被渗透水流带动的可能，这时土的渗透性就仅取决于砾料[15]。本试验采用的泥浆质量分数为12%，地层颗粒粒径2～5 mm，因为泥浆浓度较低，地层渗透性较大，所以无法在地层表面形成有效堵塞。

1.2 含粗粒材料孔隙堵塞

已添加粗粒材料的泥浆堵塞地层示意图见图1b。在泥浆中添加一定质量的粗粒材料，由于粗粒粒径相对较大，所以较泥浆颗粒更容易直接卡在相对较小的地层孔隙间，形成筛分。而当地层孔隙均匀且孔隙相对较大时，由于压力作用，粗粒材料和泥浆颗粒会渗入到地层孔隙中，在流体拖拽力作用下在地层孔隙间进行迁移，使得粗粒材料在地层颗粒孔隙中处于堆积状态，从而形成堵塞。同时，粗颗粒填充到地层孔隙中使得地层孔隙进一步缩小，在此基础上泥浆颗粒易在新近形成的孔隙间直接或通过架桥作用堵塞地层，泥浆颗粒和粗粒的筛分及架桥作用会使得地层渗透系数减小，由此聚集的颗粒将越来越多，形成的泥膜更为致密。

图1 地层孔隙堵塞示意图Fig. 1 Schematic diagram of pore clogging in strata

2 材料与方法

2.1 试验材料

高透水地层粒径范围较大，地层孔隙堵塞影响因素较多，成膜规律相对复杂。参照前人的经验[4-6]，试验地层粒径范围为2～5 mm，相对均匀，易于获取粗粒材料堵塞地层的变化规律。选择粒径范围为5～10 mm的砂土作为试验滤层，所用砂土采用河砂清洗、烘干，并筛分获得。

试验泥浆制备的主要材料有钠基膨润土、无水碳酸钠(Na2CO3)、羧甲基纤维素钠(CMC)、轻质砂。采用南京汤山镇产的钠基膨润土为主要的造浆材料。无水碳酸钠是泥浆分散剂，改善泥浆的稳定性。CMC为增稠剂，可以调节泥浆的黏度。配置质量分数为12%的泥浆，膨润土、水、CMC和Na2CO3按照48∶352∶6∶1质量比制备而成。选用密度为1.14 g/cm3可悬浮于泥浆中的轻质砂作为泥浆的粗粒材料，避免了普通砂在泥浆中沉降分离对成膜过程的影响。轻质砂为半透明乳白色结晶形热塑性聚合颗粒，经切割为圆柱体，如图2所示。本研究选用0.20，0.50和0.75 mm 3种粒径的轻质砂，改变添加质量调节泥浆中粗粒材料的质量浓度。每1 000 mL泥浆中不同粒径轻质砂的添加质量、颗粒数、颗粒数比值见表1。

图2 轻质砂实物图Fig. 2 Photographs of light sands

粒径/mm添加量/g颗粒数/个颗粒数比值020051047071(基准)10209414215314121320418828405005 670100610134020131520103019202680502607505 1985002103971004155956006207942008

2.2 试验装置

本试验采用自行设计的泥浆渗透装置，主要由空压机、调压阀、泥浆筒、试验筒、量筒、电子天平、压力传感器和数据采集仪等部分组成(图3)。其中空压机提供试验所需要的压力；调压阀可调节泥浆压力；泥浆筒提供试验用浆；试验筒为高40 cm、内径10 cm的圆柱形有机玻璃筒，装有地层和滤层；量筒用来收集渗流出来的滤液；电子天平测定滤液质量；数据采集仪通过压力传感器收集试验中泥浆压力数据。

图3 试验装置示意图Fig. 3 Schematic diagram of test equipment

2.3 试验步骤

1)首先制备滤层，滤层选用粒径为5～10 mm的砂土，在试验筒底部装入滤层，并压实，控制滤层高度为10 cm。

2)制备地层，地层粒径为2～5 mm砂土，总质量为2 000 g，分5层制备，每层400 g，分层均匀压实，控制地层高度为15 cm。

3)从试验筒底部缓慢注水，逐渐饱和地层。

4)通过调压阀设置泥浆初始压力，打开进气阀门和排水阀门，将泥浆从泥浆筒压入试验筒并侵入地层，待滤失量稳定，以50 kPa为增量逐级增加压力，测定成膜后随压力的改变滤失量的变化，判别泥膜抗渗稳定性，试验时长不超过1 h。通过试验筒壁面刻度尺观察泥浆侵入深度，以此为判别泥膜质量的好坏提供参考。

5)试验结束后，拆卸试验筒顶盖，用针筒吸出泥膜上面的泥浆，测定泥膜厚度，泥膜厚度在一定程度上能够反映泥膜质量的好坏，是初步判别泥膜质量的重要依据。

3 结果与分析

3.1 逐级加载滤失量曲线

泥浆侵入地层成膜试验采用逐级加载方法分析加砂成膜的效率。泥浆在第一级压力下成膜后，继续加载，分析各级压力下滤失增量和成膜时间的变化规律，此处取滤失量曲线急剧上升之后趋于平稳的拐点为第一级压力下泥膜形成的时间点。

本试验主要以滤失量曲线的变化来衡量成膜质量的优劣，若滤失量较少且变化平缓则说明成膜质量较好，反之则较差。逐级加载成膜滤失量典型变化曲线见图4，所用粗粒材料为粒径0.5 mm的轻质砂，添加质量以每1 000 mL泥浆中0.5 g增量逐渐增加，第一级压力为50 kPa。由各曲线的变化关系可以发现，未添加轻质砂地层未能成膜，滤失量近似成线性增长，在较短的时间(26 s)已达到4 kg；而添加轻质砂后地层可以成膜，随着添加量增加成膜时间变短，滤失量逐渐降低；后续加载各级压力增量对应的滤失量增量较小，在550 kPa压力下泥膜仍未破坏，说明泥膜结构稳定，保证了泥膜的抗渗稳定性。试验压力加载过程中，可能伴随泥膜局部位置的冲破导致产生渗流通道，试验发现这一阶段滤失量经过短暂上升后又趋于稳定，这是由于轻质砂架桥作用，破损泥膜得以快速修复。

图4 逐级加载成膜滤失量变化曲线Fig. 4 The change curves of filter loss for filmformation during step loading

由于在第一级压力作用下加砂泥浆成膜结构较好，后期加载滤失量增量较小，因此加砂泥浆在第一级压力下是否能够成膜尤为重要。下面分析重点考虑第一级压力下的泥浆成膜效率，着重探讨轻质砂粒径和添加量两个因素的影响，并且对第一级压力的影响作简要分析。

3.2 粗粒材料粒径的影响

根据前人关于外泥膜和内泥膜的筛滤准则[12,16]，泥浆中粗粒材料的粒径和地层孔隙直径的比值关系是决定泥膜类型的最关键因素[14]。本研究通过成膜滤失量和成膜时间与粗粒材料粒径的关系以确定粗粒材料粒径对成膜效果的影响。

成膜滤失量与轻质砂粒径的关系曲线见图5。由图可知，0.75 mm的滤失量较大，0.20 mm次之，0.50 mm的滤失量较小，虽然最后都形成了泥膜，但从堵塞效果来看，0.50 mm相对于0.20和0.75 mm堵塞效果更好，滤失量较小，形成泥膜较为致密。

图5 成膜滤失量与轻质砂粒径的关系曲线Fig. 5 The relationship curves between filter loss andparticle size of light sands

3种粒径的成膜稳定时间在不同第一级压力下的变化关系见图6。由图6可知，0.20 mm的轻质砂成膜稳定时间相对较长，0.50 mm的轻质砂成膜稳定时间相对较短，且3种粒径成膜稳定时间随着压力的增大而减小。泥浆压力对成膜时间也有影响，压力提高，泥膜形成时间变短。

图6 成膜时间与轻质砂粒径的关系曲线Fig. 6 The relationship curves between filter-cake formation and particle size of light sands

因此，粗粒材料粒径对成膜效果影响较大，粒径较小的粗粒材料易产生流失，架桥堵塞困难，而颗粒较大，其形成的结构较为疏松，也难以成膜。另外，添加量相同时，粒径较大的颗粒，其颗粒数量快速降低，也制约了粗粒材料对成膜效果的提升作用。

3.3 轻质砂的添加量对成膜特征的影响

添加不同质量轻质砂的泥浆在3种压力下的滤失量和成膜时间的变化曲线分别见图7和图8。可以看到，图7a、b中添加0.20和0.50 mm粒径轻质砂的变化情况较为相似，随着轻质砂添加量的增加，滤失量总体呈现下降趋势，这说明增加粗粒的添加量可以提高成膜质量。而当添加质量达到一定值时，滤失量的变化幅度减弱，直至滤失量趋于接近。这是因为泥浆中已经能够提供填充地层孔隙所需的颗粒数，在保证填充效果的前提下，继续提高添加量其效果降低，所以适量添加粗粒材料可以改善成膜效率，但轻质砂的添加量需要控制在一定的合理范围之内。添加0.75 mm粒径轻质砂的泥浆滤失量曲线波动性较大。这是因为在相同添加量的条件下，0.75 mm的轻质砂颗粒数相对较少，堵塞存在不均匀性，又由于地层颗粒也存在一定不均匀性，所以可能出现局部堵塞或者全面堵塞的情况，导致成膜效果的不稳定性。

图7 成膜滤失量与轻质砂添加量的关系曲线Fig. 7 The relationship curves between filter loss and additive amount of light sand

图8 成膜时间与轻质砂添加量的关系曲线Fig. 8 The relationship between filter-cake formation time and additive amount of light sands

对于孔隙较大的地层，若轻质砂添加量较少，则可供填充地层孔隙的颗粒数量较少，堵塞不完全，导致形成的泥膜不均匀甚至无法形成泥膜，也容易产生局部破坏。但随着轻质砂添加量的增加，这种不完全堵塞逐渐降低直至基本消失。此时，如果继续增加添加量，粗粒材料的堵塞效果并未有较大提高，其成膜效率的提升效果也将降低。考虑到泥浆携砂能力和粗粒材料添加成本的增加，实际工程粗粒材料添加量需要控制在一定的合理范围内。

从图8可以看出，随着轻质砂添加量的增加，泥膜形成时间逐渐缩短，这说明增大轻质砂添加量可以提高成膜效率。其原因为轻质砂颗粒数的增加导致能够提供填充地层孔隙的颗粒数量增多，有利于提高泥膜质量及成膜效率。从图中可知，随着初始压力增大，成膜时间逐渐减小，即成膜效率提高；因为初始压力越大，泥浆侵入地层的速度越快，填充地层孔隙中的轻质砂颗粒也就越多，填充越致密。说明提高初始压力，可以有效地缩短成膜时间，改善成膜效率。

4 结 论

通过在泥浆中添加粗粒材料，开展加砂泥浆在砂性地层中渗透试验研究，分析了粗粒材料粒径和添加量对滤失量的影响，得到以下结论：

1)在渗透性较高的地层中，于泥浆中加入粗粒材料可以有效提高成膜效率和成膜质量。

2)粗粒材料尺寸对泥浆成膜效果影响较大，合理选择粗粒材料尺寸，不仅可以提高成膜效率，而且由于粗粒材料的骨架作用，泥膜质量也易于控制。

3)增加泥浆中粗粒材料添加量可以有效缩短成膜时间，改善成膜效率，但增加到一定量时其提升效果不再明显。考虑到泥浆携砂能力和粗粒材料添加成本的增加，实际工程粗粒材料添加量需要确定在一定的合理范围之内。

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Experimentalstudyonefficiencyoffiltercakeformationinsandystrataforslurrywithcoarseparticles

LIU Cheng1, 2, 3, KOU Wei1, LU Yang1

(1. School of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2. Department ofCivil Engineering, Monash University, Melbourne 3800, Australia; 3. Key Laboratory of Ministry of Education forGeomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

It is an important method to solve the problem of film forming difficulty in high permeability strata by adding coarse-grained material to slurry. However, the coarse-grained material is easy to settle and separate in the slurry, which restricts the clogging mechanism study of coarse-grained material. The experiment on the influence of the invading and film formation characteristics of slurry adding light-weight sands in sandy strata was carried out by self-made experimental instruments, and the clogging mechanism of slurry containing coarse-grained materials in sandy strata was revealed. The results show that choosing light sands as coarse-grained materials can effectively solve the influence of the settlement and separation of coarse-grained materials on the tested results. The purpose of film forming can be achieved by adding coarse-grained materials into slurry which was unable to form film. With proper addition of coarse-grained materials, the film formation time can be effectively reduced and the filter loss can also be decreased, improving film formation efficiency. However, as the addition amount reaches a certain value, the improvement effect is weakened. The slurry skeleton structure is formed due to the clogging and bridging action of coarse-grained materials in large strata pores, and the quality of slurry film is improved. The light sand with a particle size of 0.5 mm has good film forming effect in the tested sandy strata. So it is especially important to choose the appropriate size of the coarse-grained material for the film forming effect. The additive content and size range are the two key factors, and the range determination of the two factors can guide the slurry preparation for practical engineering.

slurry shield; sandy strata; filter cake; clogging; light sands

2017-01-14

2017-04-25

国家自然科学基金(51508278)；江苏省自然科学基金(BK20140979)；江苏省高校自然科学研究项目(14KJB560011)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20133204120014)；河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室开放基金(GH201402)。

刘成，男，副教授，研究方向为盾构隧道开挖面稳定。E-mail:lcheng83@163.com

TU94+2

A

2096-1359(2017)06-0121-06