泥水盾构泥浆性质与泥膜形成试验研究

赵程

摘 要：泥膜是维持泥水盾构开挖面稳定的主要原因，为了解决泥水盾构在高渗透性砂土地层掘进过程中的泥浆配比和渗透成膜问题，自主研发试验装置开展室内试验，采用正交设计的试验方法研究不同变量因素对泥浆粘度和滤水量的影响.试验结果表明，羧甲基纤维素（CMC）是影响泥浆粘度的首要因素，膨水比对泥浆粘度影响有限;滤水量受泥浆比重影响最为显著，随着泥浆比重的提高，泥浆滤水量降低，适当增加粘土粒径可以有易于泥浆渗透成膜.试验结果对泥水盾构施工有指导和借鉴意义.

关键词：泥水盾构;砂性地层;泥浆;泥膜：正交设计

中图分类号：TU411  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2020）01-0074-04

1 引言

近年來，随着施工技术与机械设备制造水平的发展，泥水平衡盾构以其优良的压力控制模式和土层适应广泛的特点在水下交通隧道建设中得到了广泛的应用[1-3].泥水平衡盾构通过调节压力舱的泥浆压力来平衡开挖地层中的土压力和水压力，由于泥浆压力大于开挖地层的孔隙水压力，泥浆中的细小土颗粒在压力差的作用下向地层中渗透，在开挖面上形成不透水的泥膜，通过形成的泥膜，泥浆压力可以有效地平衡开挖地层中的土压力和水压力.如果在开挖面上无法形成泥膜，将导致泥浆大量滤失，泥浆压力无法有效地作用在开挖面上，从而导致开挖面变形、坍塌或过大的地表沉降.因此，研究影响泥水盾构泥膜形成的因素具有重要的工程价值和理论意义.

国内外许多学者对影响泥水盾构泥膜形成的因素做了大量研究.韩晓瑞[4]等通过室内试验装置研究了不同泥浆性质对泥膜形成质量的影响，发现泥浆的粘性越大，越容易形成致密性较好的泥膜.闵凡路[5]研究了高渗透性地层中泥浆的颗粒级配与地层孔隙间的关系，并且认为泥浆在地层中的渗透曲线类型与泥浆颗粒在地层表面的堆积形态类型有一定的对应关系.Watanabe[6]等研究了泥浆含砂量对泥浆成膜质量的影响，提出了适当增加轻质砂等细颗粒可以有效降低泥浆滤失量的结论;Min[7]等基于室内试验中泥浆颗粒在地层表面的堆积形态将泥膜分为“泥皮型”、“泥皮+渗透带型”和“渗透带型”3种类型，各种类型泥膜的形成主要取决于泥浆颗粒级配和地层孔径.吴迪[8]等针对高渗透应砂性土层的泥浆成膜问题，发现泥浆的相对密度对泥膜的滤水量有较大的影响，试验结果表明相对密度为1.20～1.25g/cm3时填充效果最好.张宁[9]等研究发现孔隙比是影响泥膜形成厚度的主要因素，孔隙比越小，泥膜厚度越大，闭气性能越好.加瑞[10]等通过三维颗粒流程序，模拟了不同颗粒级配和密度的泥浆在泥浆压力作用下移动和泥膜形成的情况，研究表明泥浆密度，颗粒级配和地层孔径都是影响泥膜形成质量的主要因素.

在已有的泥浆性质对泥膜形成质量试验研究中，通常采用控制变量法，考虑改变制浆材料配比，或者不同地层的孔隙研究不同泥浆性质下的成膜效果，对于各个因素如何影响泥浆性质从而导致成膜效果的不同缺乏系统性的整体联系和把握，本文设计正交试验[12-14]调配泥浆，通过正交实验表来对试验进行整体设计、综合比较、统计分析，这是以少数试验次数达到较好的试验效果，有利于整体把握影响泥浆渗透成膜效果的主要因素.

2 泥浆配比及成膜性能研究

2.1 试验材料

本试验泥浆由膨润土、羧甲基纤维素（CMC）、水，碳酸钠和不同粒径固体颗粒（粘土、轻质砂等）按照不同配比制备而成.膨润土的主要矿物成分是层片状结构的蒙脱石，一般带有负电荷，溶于水中成悬浮状或胶凝状，具有较好的吸湿性和膨胀性，本试验选取钠基膨润土作为基浆材料;羧甲基纤维素是一种高分子化合物，带有很多羟基，亲水性很强，其溶于水时具有极高的粘性，因此多用作增粘剂使用;碳酸钠是泥浆分散剂，可以有效增加膨润土溶液悬浮颗粒之间的静电排斥力从而改善泥浆的稳定性.本试验选用三种不同粒径范围的粘土、粉土和轻质砂作为泥浆的填充材料，粒径范围分别为：<=0.075mm、0.075～0.25mm、0.25～0.5mm颗粒，通过添加不同粒径范围的填充物来改变泥浆级配和泥浆比重.本试验地层材料选用福建标准砂、粗砂、碎石子等经筛分获得中粗砂和砾砂作为泥浆渗透的地层材料，地层材料的物理参数如表1.

2.2 试验方案

在泥水盾构工程中，膨水比，粘土含量，颗粒级配，地层孔隙大小以及泥浆比重，粘度都对泥膜的形成有较大的影响.本试验以膨水比、羧甲基纤维素（CMC）含量、泥浆比重和粘土颗粒粒径为4个变量因素，各选择三个水平，以泥浆滤水量和泥浆粘度为研究对象，作L9（34）正交试验设计，如表2-3.

2.3 试验装置和试验过程

为了更好地探究泥浆性质对泥浆成膜效果的影响，自主设计研发了一套泥浆渗透成膜装置（如图1）.试验装置主要包括四个部分：动力装置、调压装置、泥浆渗透装置，滤液收集和测量装置，具体布置见图1.动力装置为型号1800W-40L的空压机，流速为0.12m3/min，工作压力可达0.8MPa;调压装置可以调节和监测空压机内部压力，调压精度为0.01MPa;泥浆渗透试验装置为高75cm，内径80mm的有机玻璃筒，筒壁侧面贴有刻度尺;顶部是一块厚约20mm的铝制盖板，有机玻璃筒和铝制盖板之间安装了O型硅胶密封圈以确保气密性;上盖板盖板中部连接有一个量程为1MPa压力表，用以实时监测有机玻璃筒的内部压力，试验过程的排水量通过量杯收集，并由电子秤实时读数，电子天平精度为0.1g.此外，本试验采用1006型泥浆粘度计、NB-1型泥浆比重计分别测量泥浆的粘度和相对密度.

试验过程：首先在试验筒中装入粒径为5～10mm的碎石子作为滤水层并压平击实，控制高度约5cm（渗透系数约为1.5cm/s）;然后装入不同颗粒级配的砂土，分层装入并击实，分5层制备控制地层总高度约15cm;试验开始前，从有机玻璃筒底部排水管缓慢注水，从下向上对地层进行饱和，地层饱和后关闭排水阀，将预先制备好的泥浆浆液缓慢注入有机玻璃筒，注意要避免扰动地层颗粒，注入浆液约30cm后盖上铝制盖板，拧紧盖板保证气密性良好;通过调压阀设置泥浆初始压力，打开排水阀门，待压力传递到泥浆液面上，测定两小时泥浆的滤水量.试验时采用分级加载，速率为0.05 MPa/5min，当试验压力达到0.4MPa（即泥水盾构带压开舱的工作压力值），保持压力恒定，观察并记录泥浆的滤水量.

3 试验结果分析

3.1 正交试验设计分析表

泥浆在泥浆压力和地下水压差的作用下向地层中渗透，由于地层具有孔隙特性，随着泥浆的不断渗入，地层中的孔隙通道会逐渐被泥浆颗粒淤堵沉积，而如此又会阻滞泥浆的进一步渗透，随着渗透过程的不断反复进行，最终在地层表面形成微透水或不透水的泥膜.表5以泥浆粘度为研究对象，通过表中极差分析可知，RCMC含量>R膨水比>R比重>R粘土粒径，这表明CMC含量对泥浆粘度有显著影响，是影响泥浆粘度的首要因素，泥浆比重和膨水比是影响粘度的次要因素，粘度粒径对泥浆粘度的影响最小;表6以泥浆滤水量为研究对象，由极差分析表可知，R比重>RCMC含量>R粘度粒径>R膨水比，这说明滤水量受泥浆比重影响最大，泥浆比重是影响滤水量的首要因素，CMC含量和粘度粒径是影响泥浆滤水量的次要因素.

3.2 试验结果分析

根据正交试验得出的初步结论，分析泥浆组成各因素对泥浆粘度和滤水量的影响变化规律图.CMC是一种很好的增粘剂，少许CMC就可以增加泥浆的粘度，当CMC含量超过0.5%时，泥浆粘度迅速增加，随着CMC用量的继续增加，泥浆粘度显著增大，这是因为CMC是一种亲水高分子化合物，通过氢键与水分子结合，减少泥浆颗粒自由活动，从而使泥浆颗粒容易在地层孔隙处逐渐淤堵沉积形成泥膜，泥浆的滤水量明显降低.泥浆比重是影响泥浆滤水量的首要因素，随着泥浆比重的增加，滤水量逐渐近似呈线性下降，当比重较低时（低于1.2g/cm3），其对泥浆粘度的影响較小，当泥浆比重较高时，随着比重逐渐增加，泥浆粘度有增加的趋势，但没有CMC含量对泥浆粘度的影响明显.膨水比对泥浆的粘度有较大影响，这是因为膨润土溶于水成悬浮状或胶凝状，提高单位质量的膨润土掺入量可以提高泥浆的粘度，降低泥浆的滤水量，但是其对泥浆的粘度影响有限.粘土粒径可以起到改善泥浆颗粒级配，有利于泥浆在渗透地层过程中淤积堵塞地层孔隙，从而快速成膜，降低泥浆滤水量.

4 结论

（1）自主设计研发了泥浆渗透成膜试验装置，研究了高渗透性砂土地层泥水盾构泥浆组成成分对泥膜形成的影响，试验结果可以为类似理论研究提供借鉴和参考.

（2）通过正交试验设计，研究了不同制浆因素对泥浆渗透成膜的影响，试验结果表明：CMC含量是影响泥浆粘度的首要因素，增加膨润土的掺入量也可以提高泥浆粘度，但效果远没有增加CMC含量明显;泥浆比重是影响滤水量的最大因素，当泥浆比重大于1.2g/cm3，其对泥浆粘度影响有限.

（3）适当增加粘土粒径（0.075～0.25mm），可以有效改善泥浆的颗粒级配，从而易于快速成膜降低滤水量.

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