粗粒材料粒径及含量对高渗透性地层泥浆成膜效果的影响

张育杰，王 媛，*，王志奎，冯 迪，刘四进，徐树军

(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.中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏 南京 211800)

0 引言

泥水盾构在掘进时，维持开挖面稳定的核心就是在开挖面上形成微透水或者不透水的泥膜，让泥浆压力有效地发挥作用，平衡地层水压力和土压力[1-3]，以保证工程安全。当地层渗透性较低，如盾构在黏土、粉土等软土地层中施工时，单纯依靠膨润土泥浆的膨化聚团作用，可以形成致密的泥膜平衡开挖面的水土压力；但当地层渗透性较高，如遇到砂砾石层、卵砾石层时，膨润土泥浆会在压力下迅速滤失，无法在开挖面上平衡地层水土压力，进而造成开挖面失稳的严重事故。比如2002年瑞士苏黎世采用泥水盾构开挖排污管道时，由于地层渗透性较大而出现开挖面失稳，造成了严重的经济损失[4]。因此，如何在高渗透性地层形成泥膜并保证其质量，一直是工程界高度关注的问题。

针对高渗透性地层泥膜形成困难的工程问题，国内外学者开展了大量的室内试验研究，常用的方法是加入粗颗粒材料、高聚物以及对传统泥浆进行改良。程展林等[5]以南水北调中线穿黄隧道穿越中粗砂地层为背景，通过室内模型试验研究了聚合物-膨润土泥浆在中粗砂地层中的成膜情况,结果表明该泥浆在地层表面形成了薄且致密的泥膜；Heinz[6]的研究表明，粉土、砂土等的添加可以有效减少泥浆在地层中的渗透距离；Fritz[7]通过泥浆的支护压力试验，向泥浆中添加砂子、蛭石、聚合物等添加剂，发现其泥浆压力可比使用普通膨润土悬浮液的压力高10～20倍；王振飞等[8]针对北京砂卵石地层，使用凝胶强度较大的改性钠膨润土配制泥浆，发现泥膜形成时间短，孔隙水压稳定快；Talmon等[9]发现在泥浆中添加石英砂可以缩短泥膜形成的时间。在加入粗粒材料改善泥膜形成困难的情况时，粗粒材料粒径与含量是主要考虑的因素，前人对此也做了一些研究。Van等[10]提出了一种预测注水过程中内泥膜地层损害的新模型，并开展了径向岩芯流动试验，研究表明粗粒直径与地层孔隙直径的比值大于1/14时，泥膜为泥皮型泥膜；Filz等[11]在岩土工程中采用了可比过滤器规则，即粗粒平均粒径为地层平均孔径1/3的悬浮固体在砂性地层上形成泥皮型泥膜；Talmon等[12]在孔隙度为0.35的砂层中开展泥膜形成试验，研究得出当粗粒直径与地层孔隙直径的比值大于1/3时，泥膜为泥皮型泥膜，当粗粒直径与地层孔隙直径的比值大于1/7且小于1/3时，泥膜为渗透带型泥膜；叶伟涛等[13]在纯膨润土泥浆中加入细砂，在中粗砂地层开展渗透试验，发现随着泥浆中细砂含量的增加，试验最终滤水量先减小后增大；刘成等[14]在砂性地层开展渗透试验，通过在泥浆中分别添加单一粒径砂，发现添加粗粒材料可改善成膜抗冲破能力，缩短泥膜恢复时间，但增加到一定量时其提升效果不再明显。以上研究表明，向膨润土泥浆中加入砂子、聚合物或者使用改性膨润土，能够改善高渗透性地层成膜不易的现状，但是由于砂子的沉降分离和聚合物的环境污染以及改性膨润土的费用昂贵问题，无法大量推广使用；同时，形成质量良好的泥皮型泥膜，需控制粗粒粒径在地层孔隙直径的1/3以上，但是粗颗粒材料的粒径并不能无限增大，而是否存在一个合适的粒径范围有待研究。

为了研究粗粒材料粒径及含量对高渗透性地层泥浆成膜效果的影响，本文选用密度小的蛭石作为粗粒材料，以地层平均孔径作为参考标准来划分其粒径，同时采用体积比来控制添加含量，采用自制的泥浆成膜装置，在粒径为7～8 mm的纯白色砾石地层中开展泥浆成膜试验，并对滤失量和成膜时间进行分析，得到粗粒材料粒径及含量对泥膜形成的影响规律，以期为泥水盾构在高渗透性地层中的施工提供借鉴。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

高渗透性地层颗粒粒径往往较大，闵凡路等[15]的室内试验结果表明当地层渗透系数大于1 cm/s时，泥浆会沿着地层流失，基本上不会形成泥膜，并将这一难以形成泥膜的地层定义为高渗透性地层，而这一地层的颗粒粒径在1～2 mm。为满足室内试验的高渗透要求，选用7～8 mm的均匀砾石作为模拟高渗透地层的试验材料。为了使试验结果更有利于观察，本文选用的砾石为纯白色砾石。需要测量的地层参数主要为渗透系数和孔隙度，渗透系数采用常水头试验测定，测试结果如表1所示。为了量化地层特征，采用地层平均孔径的概念，地层平均孔径的计算方法有多种，但因为Min等[16]将使用的地层平均孔径计算方法得到的数据与PoreMaster 60GT型压汞仪数据做了对比，两者基本一致，验证了计算方法的准确性。于是选取该计算方法作为计算地层平均孔径的标准，其公式为

表1 地层参数取值Table 1 Formation parameters

(1)

表2 蛭石添加参数Table 2 Vermiculite parameters

1.2 试验装置

采用自行研制的泥浆渗透成膜试验装置开展研究，试验装置包括加压系统、泥浆渗透柱及滤液收集系统，试验装置组成结构和实物如图1所示。加压系统由空压机和调压阀组成，空压机进行加压，调压阀调节压力(最高可调节压力为1 MPa)；渗透柱为内径8 cm、高40 cm的透明有机玻璃筒，是进行泥浆成膜的主要场所；滤液收集系统主要由电子天平和搜集器皿组成。

图1 试验装置Fig.1 Experiment device

1.3 试验步骤

1)地层制备。选用7～8 mm的细砾石(地层平均孔径的平均值为0.9 mm)作为地层材料。地层均分为4份，依次装入渗透柱内均匀击实，控制地层高度为20 cm。

2)由于砾石颗粒大，在水流下比较稳定，所以缓慢从上部注水饱和地层。

3)配制好泥浆，并向上部加入6 cm高的泥浆，密封装置，静置5 min，通过空气压力机施加压力，在压力作用下泥浆受压并侵入地层。装置底部开设排水管，用来收集试验过程中渗出的水或泥浆，测量试验过程中泥浆的滤失量。

4)用调压阀设置初始压力为50 kPa，测定每隔20 s的泥浆在地层中的渗透量，并观察渗水体清浊，每级压力维持2 min；待每级压力下滤失量稳定后继续加载，采用分级加载的方式，压力增量为50 kPa，各级压力分别为50、100、150、200、250、300 kPa，最大加载至300 kPa，试验过程中记录总滤失量变化及泥浆入渗地层深度。

5)试验结束后，刮除表面泥浆，取出泥膜进行观测。

当泥浆在第1级压力下大量滤失，且渗出液基本为泥浆时，则停止试验；在300 kPa压力下，依然发生稳定渗透，但滤失量很小时，同样停止试验。本试验测得渗透量用滤失液体的质量表征，单位为g。

2 试验结果分析

由于是在高渗透性地层，泥浆发生渗透过程中其状态无法实时获取，所以选取易于获取的滤失量和成膜时间作为主要分析依据[17]。

2.1 粗粒材料粒径对成膜效果的影响

采用12种泥浆进行试验，粗粒材料的粒径分为4种。其中，当加入粒径为0.5 mm的粗粒材料时，粗粒含量为20%、40%、60%的3种泥浆均无法形成泥膜，在第1级压力下，泥浆液面加速下降，水分迅速滤失，泥浆喷失；短时间后，不再有滤液渗出，局部地层被击穿，其渗透情况如图2所示，滤失量如表3所示。

图2 加0.5mm粗粒材料基础泥浆地层渗透情况Fig.2 Formation permeability of basic slurry with 0.5 mm coarse-particle materials

表3 加0.5mm粗粒材料基础泥浆滤失量统计Table 3 Statistics of basic slurry filtration with 0.5 mm coarse-particle materials

加入0.75、1、2 mm粒径粗粒的泥浆均可以形成泥膜，为了仅对粒径影响进行分析，控制粗粒添加量为60%左右。图3示出了逐级加载滤失量与加压时间的关系曲线。

由表3和图3可以看出：当加入0.75～2 mm的粗粒材料时，随着粗粒材料粒径的增大，滤失量逐渐增大，分别为53.9、120.2、240.3 g；而加入60%的0.5 mm粗粒材料时，泥浆滤失量为168 g。综合来看，在加入0.5～2 mm粗粒材料时，滤失量随着粗粒材料粒径的增大有先减小后增大的趋势，且在基础泥浆中加入2 mm的粗粒材料时，第2级压力下泥浆大量滤失，随后趋于稳定，粗粒材料粒径过大在一定程度上会带来成膜的不稳定性。

图3 逐级加载滤失量与加压时间的关系曲线Fig.3 Relationship curves between filtration and pressurization time

2.1.1 粗粒材料粒径对成膜时间的影响

在工程上泥膜形成越快越好，而泥膜形成时间是需要关注的问题。根据韩晓瑞[18]和闵凡路[19]的研究成果，泥膜一般在第1级压力下形成，而在泥膜形成时间的研究上，前人给出了各自的标准：魏代伟等[20]将孔隙水压力转化率达到不变的时间定义为成膜时间；吴迪等[21]以孔隙填充率达到 80%作为泥浆成膜时间。本文以第1级压力下泥浆滤失量变化率小于0.10 g/s的时间点作为泥膜形成时间。为了方便获取泥膜形成时间，对第1级泥浆压力下的滤水量进行拟合。根据其曲线变化，采用以下双曲线公式进行拟合：

(2)

式中：a、b为系数；t为时间。

拟合情况如表4所示。

表4 滤水量拟合曲线参数及成膜时间Table 4 Parameters of filtration curves and filter-cake forming time

2.1.2 综合分析

2.2 粗粒材料含量对成膜效果的影响

粗粒材料含量对成膜效果也有很大的影响。图4示出了加入0.75 mm和1 mm粒径粗粒材料的泥浆在不同含量下滤失量的变化曲线。通过图4可以发现，随着粗粒材料含量的增加，滤失量逐渐减小。从成膜时间上看，20%的粗粒材料含量无法形成泥膜，对于40%与60%的粗粒材料含量，采用前述拟合公式可以得到泥膜形成时间分别为102 s和71 s。综合来看，粗粒材料含量的增加会带来滤失量和成膜时间的减小，但是随着含量继续增大，这种效应会逐渐减小，如图4(b)所示(40%与60%的粗粒材料含量对应的滤失量曲线基本一致)，原因是初始粗粒材料含量的增加会与泥浆颗粒一起协同堵塞地层颗粒，但是随着地层孔隙被堵塞完全，后续加入的粗粒无法发挥作用，造成含量对成膜效果的提升降低。同时，综合分析粒径与含量的关系可以发现，随着粗粒材料粒径的增大，其含量带来的增益效果在明显减弱，粗粒粒径是主要影响因素，相比之下，粗粒材料含量的作用并不明显。

2.3 粗粒添加物泥浆在地层中的渗透模式

粗粒添加物泥浆在地层中的渗透情况比较复杂，本文将地层平均孔径作为划分标准，将泥浆在地层中的运动分为2种形式，如图5所示((a)和(b)属于形式1，(c)和(d)属于形式2)。

形式1：当粗粒材料粒径小于地层平均孔径时，会发生图5(a)与图5(b)2种情况。粗粒材料粒径过小时，粗粒材料在压力下会迅速进入地层随水分一起流失，无法和泥浆一起共同堵塞地层孔隙形成泥膜，如图5(a)所示；随着粗粒材料粒径的增大，粗粒与粗粒之间可以良好配合封堵孔隙，或者粗粒与泥浆之间相互配合封堵孔隙，往往能形成致密且结构好的泥膜，如0.75 mm粗粒材料泥浆形成的泥膜，其泥膜形态如图6(a)所示。

(a) 0.75 mm

图5 粗粒添加物泥浆在地层中渗透情况Fig.5 Permeability of slurry with coarse-particle additive in formation

形式2：当粗粒材料粒径大于地层平均孔径时，会发生图5(c)和图5(d)2种情况。粗粒材料无法随泥浆一起进入地层堵塞孔隙，只能堆积在地表，形成“粗粒堆积孔隙”。当形成的“粗粒堆积孔隙”比较小时，若保证膨润土含量充足，泥膜是可以形成的，但是形成的泥膜往往结构比较松散，如2 mm粗粒材料泥浆形成的泥膜，其泥膜形态如图6(b)所示。当粗粒材料粒径继续加大时，泥浆会穿透“粗粒堆积孔隙”，进入地层大量滤失，从而无法形成泥膜。同时，粗粒含量不够时，会造成地表覆盖不均匀的情况，导致泥浆沿局部区域发生大量滤失。

(a) 0.75 mm粒径粗粒材料

(b) 2 mm粒径粗粒材料图6 添加不同粒径粗粒材料形成的泥膜形态Fig.6 Morphology of filter-cake formed by adding different coarse-particle materials

3 结论与建议

通过在普通膨润土基浆中添加不同粒径和不同含量的粗粒材料，开展室内泥膜形成试验，并对滤水量、成膜时间进行分析，得出以下结论。

2)粗粒材料含量对成膜具有一定影响，但影响范围有限，当粗粒材料含量在20%～40%时，含量越大，成膜效果越好，但随着含量继续增大，这种效应会减弱，原因是随着地层孔隙被堵塞完全，后续加入的粗粒材料无法发挥作用，造成含量对成膜效果的提升降低。

3)粗粒含量在20%～60%时，粗粒材料粒径对成膜效果的影响程度大于含量，粒径的增大会削弱含量带来的增益效果，实际工程中建议主要考虑粒径的选择。

4)对泥膜要求较高的区域，除进一步提高泥膜质量外，还需要考虑泥浆密度、初始泥浆压力、粗颗粒材料级配的影响，这是后续要重点研究完善的方面；同时，气压损失量是工程中需重点关注的指标，而本文并没有进行这一指标的检测，后续会开展相关试验进行检测。