海水侵入条件下泥水盾构泥浆及泥膜性质变化试验研究

杜佳芮， 闵凡路， 姚占虎， 刘来仓， 徐静波

(1. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 江苏 南京 210098；2. 河海大学土木与交通学院， 江苏 南京 210098； 3. 中交第一公路工程局有限公司， 北京 100024)

0 引言

近年来，泥水盾构工法以其安全、高效和优越的压力控制模式在水文地质条件复杂的海底隧道建设中逐渐被应用，例如香港屯门—赤鱲角隧道、厦门市轨道交通2号线和3号线越海段等工程[1-3]。泥水盾构工法的核心是配制合适的泥浆在开挖面地层上形成一层微透水的泥膜，使泥水压力能够有效平衡地层的水土压力，保持开挖面的稳定[4]。与内陆隧道不同，海底隧道周围地下水与海水连通，施工时会出现海水随开挖面地层混入泥水舱进而改变泥浆性质的情况，例如国内首条采用盾构法施工的跨海地铁隧道——厦门市轨道交通2号线海沧大道站—东渡路站区间隧道施工时，出现了因海水侵入导致泥浆性质劣化的情况，对施工进度及安全产生了不利的影响。因此，在海底盾构隧道施工时，海水侵入对泥水盾构泥浆及泥膜性质的影响问题，成为了工程界关注的问题。

目前关于泥水盾构在复杂工况下泥浆配制及成膜的研究，多是针对内陆高渗透地层的泥水盾构工程开展的。研究显示，泥浆的密度、黏度、黏粒含量及颗粒级配等均对泥浆形成泥膜的性质具有重要的影响[5-8]；向泥浆中添加粉土、砂子、蛭石等颗粒物以及高分子聚合物等添加剂，增加泥浆中的砂含量，有利于泥浆在高渗透地层中快速形成致密的泥膜[9-10]；泥浆成膜过程中的滤失量、所能承受的极限压力，形成泥膜后地层中的孔压大小，泥膜的渗透系数、孔隙比及气压作用下的闭气时间等，可以用来评价泥膜性质的好坏[11-13]。这些研究均是在淡水条件下开展的，研究成果对海水侵入条件下泥水盾构泥浆成膜及泥膜性质变化的研究具有重要的参考价值。关于海水对泥浆工程性质影响的研究主要集中在沿海的桩基工程中。高超[14]在港珠澳大桥桩基工程中，采用失水量、黏度、胶体率和泥饼厚度等评价海水泥浆的性能；刘晶晶等[15]通过泥浆黏度、胶体率试验，发现生物黄原胶(XC)比聚阴离子纤维素(PAC)及羧甲基纤维素(CMC)对海水泥浆的增黏效果好；毛志坚等[16]认为采用海水直接配制泥浆虽需大量的CMC等添加剂，但是淡水需求量少、运费低，总体成本较低；胡建平等[17]认为海水中的强电解质氯化钠导致膨润土颗粒在海水中处于不水化状态，土颗粒的水化膜较薄，进而形成絮凝结构，降低了其护壁性能。这些研究中的泥浆均是采用海水代替全部淡水配制而成的，但缺乏对泥浆渗透形成泥饼(泥膜)性质变化的分析。泥水盾构工艺对泥浆及泥膜的性质提出了更高的要求，因此，不同海水侵入量对泥水盾构泥浆和泥膜性质的影响亟待研究。

本文通过泥浆泌水率等基本性质及成膜试验，分析海水侵入对泥浆和泥膜性质的影响，并通过泥浆ζ电位分析产生这些变化的微观机制，为海底泥水盾构工程的泥浆配制和开挖面稳定性分析提供参考。

1 试验材料与方法

试验泥浆采用泥水盾构工程中常用的膨润土泥浆为基浆，通过添加一定量的黏土来调节泥浆的密度和级配，添加少量2%的羧甲基纤维素(CMC)水溶液和Na2CO3干粉来调节泥浆的黏度。海水采用美国材料与试验协会(ASTM)D1141-98标准[18]配制，各化学成分含量如表1所示。总盐类质量分数为3.58%，NaCl占盐类总质量的68.4%。

表1 试验海水的各化学成分含量

注： 占比为各化学成分质量占盐类总质量的百分比。

试验泥浆按照膨润土∶黏土∶水(淡水及海水总量) = 1∶1.2∶8的质量比来配制。试验中配制5组不同海水含量的泥浆： 0%、20%、50%、80%、100%。分别采用1002型泥浆比重秤、马氏漏斗黏度计(25 ℃时测试清水25 s)、1 000 mL量筒、NXS-11A型旋转黏度计、MS2000型激光粒度仪、ζ电位仪等测5组泥浆的密度、漏斗黏度、2 h和24 h泌水率、黏滞系数、颗粒级配、泥浆ζ电位等基本性质。泥浆颗粒级配曲线如图1所示，黏粒(<5 μm)的质量分数约为20%，d85约为28 μm。泥浆的基本性质见表2。

图1 泥浆颗粒级配曲线

泥浆编号含盐量/%密度/(g/cm3)漏斗黏度/s黏滞系数/(×10-3 Pa·s)2 h泌水率/%24 h泌水率/%SL1-0%01.135386.100SL2-20%1.31.13833.95.62745.5SL3-50%2.11.150314.844.557.8SL4-80%2.91.15229.54.45361.5SL5-100%3.51.15229.24.35563.5

注： 泥浆SL1-0%为淡水配制的泥浆； SL1-20%指海水质量占水质量的20%。下同。

简易的泥水盾构泥浆成膜试验装置如图2所示。该装置由有机玻璃柱、烧杯、数据采集装置和气压装置组成。其中，有机玻璃柱模拟工作舱-开挖面-地层系统，烧杯通过数据采集装置自动测量滤水量。在有机玻璃柱下部装入粒径为2～5 mm的砾砂作为滤层，然后装填粒径为0.25～0.5 mm的砂地层作为试验地层(渗透系数为6.5×10-2cm/s，代表典型的高渗透地层)，采用先注水再装入滤层和地层的正向饱和法饱和。注入一定高度的泥浆，密封法兰盘，向有机玻璃柱施加0.2 MPa气压后，开始试验，具体操作参考文献[19]。试验中记录泥浆渗透过程中滤水量的变化，测量泥膜厚度、渗透带厚度。最后，取出泥膜并将泥膜放入烘箱测量含水率。

图2 泥浆成膜试验装置 (单位： mm)

2 试验结果与分析

2.1 海水侵入条件下泥浆性质变化

由表2可以看出，随着海水添加量的增加，泥浆密度有所增加，漏斗黏度由38 s降低到29.2 s，黏滞系数由6.1×10-3Pa·s降低至4.3×10-3Pa·s。试验中采用淡水配制的SL1-0%泥浆，2 h和24 h泌水率均为0，该泥浆体系均匀稳定；SL2-20%泥浆(含盐量1.3%)的2 h和24 h泌水率分别为27%和45.5%，泥浆已开始出现离析现象；当海水添加量达到50%(含盐量2.1%)以后，泥浆离析现象更加明显；以SL4-80%泥浆(含盐量2.9%)为例，静置2 h后泌水率达到53%，24 h后则达到了61.5%，离析现象非常严重，如图3所示； SL5-100%泥浆(含盐量3.5%)泌水率情况与SL4-80%泥浆类似。对于一般的泥水盾构工程，这样的泥浆无法满足施工中成膜和携渣的要求，会大大增加工程施工的风险。

(a) 2 h (b) 24 h

图3 SL4-80%泥浆泌水情况

Fig. 3 Bleeding rate of slurry SL4-80%

ζ电位是反映胶体颗粒间相互排斥或吸引的能力，是衡量胶体稳定性的重要指标。5组泥浆的ζ电位变化曲线如图4所示。

图4 泥浆ζ 电位随海水添加量的变化曲线

由图4可以看出，随着海水添加量的增加泥浆的ζ电位值(一般取绝对值)逐渐降低。当泥浆ζ电位值大于30 mV时可以形成稳定的胶体结构，也就是均匀的分散体系泥浆，试验中只有淡水配制的SL1-0%泥浆的ζ电位值大于30 mV，静置24 h后未出现泌水现象，泥浆体系均匀稳定。含有海水的泥浆的ζ电位值均小于30 mV，SL5-80%泥浆ζ电位值仅为15.2 mV，无法形成稳定的分散体系，极易出现沉淀现象。

2.2 泥浆成膜试验分析

2.2.1 试验过程中滤水量与形成泥膜的形态

取5组泥浆进行渗透试验，滤水量随时间的变化曲线如图5所示。滤水量随时间变化呈现出2种趋势：第1种为SL1-0%和SL2-20% 2组泥浆表现出的，渗透初期滤水量急剧增大，后期增加速率逐渐减小直至稳定； 第2种为SL3-50%、SL4-80%和SL5-100% 3组泥浆表现出的，渗透初期滤水量缓慢增加后仍有上升趋势。试验结束后，观测到SL1-0%和SL2-20%泥浆基本上形成泥皮+渗透带型泥膜，而SL3-50%、SL4-80%和SL5-100% 3组泥浆主要形成泥皮型泥膜，如图6所示。

图5 泥浆滤水量随时间的变化曲线

(a) 泥皮+渗透带型泥膜 (b) 泥皮型泥膜

图6泥膜的主要类型

Fig. 6 Main types of filter cakes

滤水量随时间的变化规律与5组泥浆的泌水率结果较为一致。SL3-50%、SL4-80%和SL5-100% 3组泥浆泌水率非常大，短时间内即发生沉淀，导致渗透试验刚开始时靠近地层的泥浆密度增大，相当于是更大密度的泥浆在进行渗透，因此，这3组泥浆渗透初期滤水量增加的速率明显较SL1-0%、SL2-20%泥浆小，而且均形成泥皮型泥膜。

2.2.2 5组泥膜基本性质变化规律

试验结束后测量泥膜厚度l及含水率w，并推算泥膜的孔隙比及渗透系数等参数。由于泥膜在形成过程中孔隙基本上是被水充满的，因此其饱和度Sr为100%；泥浆中黏粒体积分数为20%左右，多数颗粒粒径小于75 μm，则泥浆颗粒比重Gs近似取2.7。采用式(1)计算泥膜的孔隙比e。

(1)

根据泥浆渗透稳定阶段的滤水量数据，采用达西定律对泥膜的渗透系数k进行估算[7]。由于地层渗透系数达到10-2cm/s时，估算时可忽略试验地层，因此渗透系数采用式(2)进行估算。

(2)

式中：v1为滤水量；A为试验柱横截面积；H为泥浆压力提供的总水头差；t为渗透时间；l为泥膜厚度。

5组泥浆形成的泥膜的基本物理参数见表3。由表3可以看出，随着海水添加量的增加，泥膜厚度逐渐增大，尤其在海水添加量超过50%以后，泥膜厚度明显增大。这一现象与采用竖向渗透成膜装置以及泥浆的泌水率有很大的关系，泥浆颗粒的快速沉淀加速了泥浆颗粒成膜的速度和厚度。同时，泥膜的含水率和孔隙比随海水添加量的增加逐渐降低，表明形成的泥膜越来越致密。然而，泥膜的渗透系数却是逐渐变大的，这与孔隙比逐渐减小的结果似乎是矛盾的。在第3.2节会从微观的角度来解释这一矛盾的现象。

表3 泥膜的基本物理参数

3 海水添加影响泥浆和泥膜性质的机制分析

3.1 海水添加影响泥浆泌水率的机制分析

由于本试验所采用的泥浆颗粒较细(d85约为28 μm)，土颗粒表面带有负电荷，采用淡水配制泥浆时，土颗粒表面可以吸附的阳离子较少，则泥浆的ζ电位值较高，土颗粒间斥力较大，颗粒可以较为均匀地分散在泥浆中(如图7所示)，宏观上表现为泥浆的均匀稳定。而当泥浆中混入一定量的海水时，大量的阳离子混入泥浆中和了土颗粒表面的负电荷[20]，由于电解质对黏土胶粒扩散双电层扩散层的“压缩”作用，使得泥浆ζ电位值降低，土颗粒间的斥力减弱，泥浆体系从细分散向粗分散转变，黏土颗粒之间形成絮凝结构(如图8所示)[21]，宏观上表现为快速沉淀、析水。可见，海水混入泥浆后引起泥浆的ζ电位值降低是导致泥浆泌水率增大的根本原因。

图7 淡水配制的泥浆土颗粒分布示意

图8 海水配制的泥浆土颗粒絮凝结构示意

3.2 海水添加影响泥膜性质的机制分析

泥膜作为一种特殊的饱和土，其孔隙全部由结合水和自由水填充，其中，结合水呈现半固体的凝胶状态，是在土颗粒负电荷的吸引下聚集在颗粒表面的具有较大黏滞性的水膜。泥浆渗透时结合水膜可以稳定地存在于土颗粒周围，并会阻塞泥膜的一部分孔隙，减小过水通道，自由水只在结合水膜间的有效孔隙中流动[22]。因此，泥膜的渗透系数应该是由泥膜有效孔隙的大小和多少来决定的。而本试验中，泥膜的含水率是在105 ℃烘干条件下测得的，包括了部分结合水和自由水[23]，由该含水率计算出的孔隙比(见表3)并非泥膜的有效孔隙比。

由于土颗粒表面带一定量的负电荷，除了可以吸引少量水中阳离子，还可以吸引一定量的游离水分子，使其在土颗粒表面形成一层结合水膜。对于采用淡水配制的泥浆，ζ电位较高，由于可吸附的阳离子较少、游离水分子较多，使得结合水膜较厚(如图9所示)，因此，形成泥膜时土颗粒间孔总隙较大。但是，由于边缘结合水膜距离土颗粒表面较远，受到较小的电场引力使得水膜在泥膜形成过程中被挤压变形，使其有效孔隙减少，宏观上表现为渗透系数减小。

图9 淡水配制的泥浆成膜结构示意

对于海水配制的泥浆，由于混入了大量的阳离子，使得泥浆的ζ电位降低，泥浆颗粒表面因吸附了大量阳离子而使吸附的游离水分子减少，导致结合水膜厚度变小(如图10所示)，形成泥膜时土颗粒间总孔隙减小，这与试验中得到的泥膜含水率和孔隙比降低的结果是一致的。由于这部分结合水膜距离土颗粒表面较近，因受到较大的电场引力使得水膜难以被挤压。对比图9和图10可以看出，海水配制泥浆形成的泥膜的有效孔隙大于淡水泥浆形成的泥膜的有效孔隙。因此，宏观上表现为随着海水添加量的增加，泥浆所形成泥膜的渗透系数逐渐增大。

图10 海水配制的泥浆成膜结构示意

4 结论与建议

1)海水的侵入会导致泥浆ζ电位降低，进而影响泥浆稳定性等性能。

2)泥浆中海水添加量达到某一值时(本文为50%)，所形成泥膜的形态从渗透带+泥皮型泥膜转变为泥皮型泥膜。随着海水添加量的增加，泥膜厚度逐渐增大，泥膜的含水率和孔隙比逐渐降低，泥膜的渗透系数逐渐变大。

3)泥浆的ζ电位降低是导致泥浆快速沉淀的根本原因。随着海水的添加，泥浆的ζ电位逐渐降低，导致泥浆颗粒间斥力减弱，宏观上表现为快速沉淀、析水。

4)对于不同土性及离子种类对泥浆性质的影响，以及泥浆和泥膜性质变化的微观机制的解释，还需要进一步深入研究，后续研究中将更系统地进行试验验证。