泥浆含砂量对泥水盾构泥浆成膜性能影响的试验研究*

汝俊起

(北京市南水北调工程建设管理中心，北京 100195)

0 引言

泥水平衡盾构常应用于穿越高渗透地层的隧道工程，例如广州地铁1号线主要穿越地层为富水砂层和淤泥层[1]，武汉长江隧道主要穿越砂卵石和粉细砂地层等[2]。泥水平衡盾构在穿越透水性较大的地层(如砂土、砾石和砂卵石等)时，极易发生泥膜难以形成、掘进面失稳、地层坍塌等一系列安全生产问题[3-5]，泥浆材料与配比是影响泥膜状态的关键因素，泥浆参数的合理选择是安全高效施工的重要保障[6]。

目前，诸多学者对泥浆材料及泥浆配比进行了大量的研究。Fritz[7]针对苏黎世附近隧道穿越地层渗透性较高的工程问题，通过改变泥浆中添加剂的配比来改善泥浆特性，为工程提供了优化后的泥浆配比方案；闵凡路等[8]针对南京长江隧道盾构机在砾砂地层中开挖掘进开展泥浆配置及成膜试验，结果发现泥浆中黏粒含量的增加可以改善泥浆的物理稳定性和成膜质量；张宁等[9]针对穿越渗透系数高于10-2m/s地层的南京纬三路过江通道，通过泥浆成膜试验，改变泥浆中膨润土浆和增黏剂含量，确定了泥浆成膜的适宜配比方案；吴迪等[10]采用均匀试验对泥浆相对密度对泥膜成膜性能的影响进行研究，发现泥浆的相对密度是影响泥膜致密程度的首要因素；王振飞等[11]通过室内试验发现，华北油田Ⅲ型泥浆为北京砂卵石泥水盾构最理想的泥浆类型；崔溦等[12]针对陆丰核电海底排水隧道泥水盾构工程，研发得到了新型泥浆，该泥浆具有受海水污染影响小和性能优良的特点，对同类工程具备参考意义。

虽然，现有研究在泥水平衡盾构泥浆成膜方面取得了许多有意义的成果[13-14]，但是针对高渗透性砂卵石地层泥浆成膜研究较少，特别是针对北京地区砂卵石地层的泥浆配比，尚缺乏可参考的研究资料。本文依托京张高铁清华园隧道工程，采用自行设计的泥浆渗透试验装置，配置不同含砂量的试验泥浆，在与实际地层相似的试验地层中开展泥浆渗透成膜试验。针对不同含砂量泥浆的成膜试验，对泥浆在渗透过程中的成膜类型、成膜质量、渗透深度、滤失量以及闭气性能等相关指标进行分析，得到适用于高渗透性砂卵石地层的泥浆配比。试验结果可为北京地区砂卵石地层泥水平衡盾构掘进泥浆配置提供有效依据，保障清华园隧道盾构段的顺利完成。

1 工程概况

清华园隧道为北京至张家口城际高铁中的重点工程，穿越地层以砂卵石地层为主，具体地质比例如图1所示。隧道全线卵石全断面地层长达2 400 m，砂卵石地层具有典型的不稳定力学性质[15]，该地层中盾构掘进面泥浆成膜困难，开挖面失稳风险较高。

图1 盾构区间地质比例Fig.1 Geological proportion of shield interval

本文以清华园隧道为工程背景，通过室内试验模拟现场的砂卵石地层条件，开展泥浆渗透试验，配制6种不同的泥浆，并观察泥浆在渗透过程中的成膜类型、成膜质量、渗透深度、滤失量等相关指标，探寻最佳泥浆配比。通过分析试验数据，总结和归纳出泥浆配比对高渗透性砂卵石地层中泥浆渗透成膜的影响。

2 试验方案

2.1 试验地层及泥浆配置

为模拟现场实际地层，室内试验利用细砂颗粒配置与清华园隧道地层相似的地层，地层的粒径曲线如图2所示。地层渗透系数由常水头渗透试验得到，为0.136 34 cm·s-1。

图2 试验地层级配曲线Fig.2 Grain size distribution curve of test stratum

采用粉土、CMC和95%颗粒直径不大于0.075 mm的膨润土配制试验泥浆。其中CMC用于改善溶液的粘度。试验前，将泥浆静置12 h，以防止泥浆的性质在短时间内发生变化，影响试验准确性。

针对细砂含量、CMC含量、粉土用量3种控制因素，采用控制变量法配置6种不同泥浆，开展泥浆渗透成膜试验。含砂量采用粒径在0.075～0.25 mm的细砂颗粒调控，不同泥浆的具体配置参数见表1。

表1 不同泥浆的配制参数Table 1 Preparation parameters of different slurries

2.2 试验装置设计原理

泥水盾构在开挖施工过程中，会在掘进面前方形成1个泥浆压力仓，泥浆在压力作用下渗入掘进面地层中[16]。泥浆的主要成分为水、固体颗粒和其它添加剂。泥浆在地层中的渗透包含2个部分，一是水在地层中的孔隙内渗透流动，二是固体颗粒逐渐吸附在孔隙的边缘和孔隙壁上，使得渗透通道变窄。固体颗粒的大量堆积，最终形成了泥膜。

泥浆在掘进面成膜有2种状态：一种是静态泥膜，另一种是动态泥膜[17]。静态泥膜是在盾构机拼装管片或停机的时候形成的，而动态泥膜是指盾构机在掘进过程中，一边切削掘进面土体，一边使得泥浆压成泥膜，泥膜处于一边破坏一边生成的状态。

本次试验采用1套自行设计的泥浆静态渗透成膜模拟装置，该试验装置包括空气加压系统、泥浆渗透系统、滤液采集系统，采用亚克力透明筒作为侧壁，盖板与筒身的间隙采用高分子橡胶圈密封。亚克力筒的上部设置有2个气阀，通过空气压缩机调节进气，人工手动调节出气，使室内气压达到动态稳定；同时对称设置有2个气压监测表，实时观测压力室中的气压值。为保证渗透体系的水能够持续稳定地排出，同时不破坏渗透体系的维持，在装置底部设计碎石滤层。渗透装置示意如图3所示。

图3 泥浆渗透试验装置示意Fig.3 Schematic diagram of slurry permeability test device

2.3 试验流程

试验按照0.05 MPa的荷载步长进行逐级加载，设有6级压力，分别为0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.30 MPa。为了使泥浆有足够的时间完成渗透成膜过程，每级压力加载时间3 min。其中，第1级压力是判断泥浆是否能成膜，后续加载压力是用来评价泥浆的成膜质量。具体操作步骤如下：

1)填装地层材料。紧贴金属隔板的最底层为150 mm高的碎石(平均粒径为5～10 mm)滤层。将待填充的地层材料均分为5份后进行逐层填充，每层均需压实紧密，控制地层厚度200 mm。

2)饱和地层。在地层材料填充密实后，打开装置底部的进水阀门，匀速缓慢地注入自来水，使得地层逐渐饱和，待水位线超过地层顶部一小段距离后，关闭进水阀门。静置24 h，待水位线不发生显著变化时，即土层达到完全饱和状态。

3)导入泥浆。液面稳定后，打开渗透装置底部的泄水阀门，将装置内液面下降至与土层顶部高度时，关闭阀门。利用导流管进行泥浆的推送，从地层表面开始逐渐铺实，待泥浆厚度达到200 mm左右停止加泥浆。随后，立即调节排水管高度，使其液面与泥浆顶面齐平。

4)封闭系统。迅速拧紧金属密封盖的螺帽，隔断装置内与外界环境的大气连接，进行密封。连接空压机送气管和装置进气管，同时确保顶盖处的出气阀处于关闭且不漏气状态，完成整个装置的封闭操作。

5)分级加载。试验加载采用分级加载的方式，总共加载6级压力，分别为0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.30 MPa。每次加压后，维持压力状态3 min，以确保泥浆成膜过程充分进行。

6)同步量测。计时从初始加载开始到6级加载并稳压后结束，在整个试验过程需对泥浆的渗透滤失量进行同步采集，并对泥膜形成过程的现象进行观察和记录。在渗透结束后，依次关闭进气阀、关闭空压机、打开泄气阀、拧松顶盖螺帽、打开顶盖、分离圆筒、取出泥膜、拆卸系统、清洗装置。并对取出的泥膜进行最后的观察和量测。至此渗透试验结束。

3 试验结果与讨论分析

3.1 渗透试验现象

泥浆渗透成膜试验现象为：渗透开始后，出水量较大，主要原因是泥浆正在浸入地层，地层中的孔隙水被挤出；在很短时间后(数秒)，滤失量迅速降低，并且趋于稳定。整体来看，在渗透的过程中泥浆中的细砂进入地层并存留其中，而大部分水直接通过地层，产生较大的滤失量。由图4观察到浸入地层的部分泥浆，渗透后的地层与泥浆之间存在明显的界限。

图4 泥浆渗透效果Fig.4 Slurry penetration results

3.2 渗透滤失量分析

各组泥浆在试验过程的渗透滤失量变化见图5。受篇幅所限，下面以成膜效果最佳的3号泥浆为例，详细阐述试验中泥浆的渗透滤失过程。

图5 泥浆渗透滤失曲线Fig.5 Slurry infiltration curves

采用分级加载时，泥浆渗透的滤失量与加载压力变化趋势一致，阶梯状现象较为显著，并且泥膜的形成总是能够有效地阻止泥浆量的损失。

从施加荷载压力(0.05 MPa)开始，泥浆就迅速渗透进入地层中。随着泥浆的进入，地层中的存在的饱和水逐渐流失，由此产生了滤失量。从试验曲线可以看出，加载初始的5 s内，滤失量达到210 mL，再经过5 s后滤失量达到350 mL。滤失速度在10 s左右达到最大值，随后开始逐渐地下降，到60 s时滤失速度约为1 mL/s，约120 s逐渐稳定，产生滤失量为420 mL。此时泥浆中的颗粒对封堵了渗流路径，泥膜有效地阻止了泥浆渗透，使得泥浆压力转化为支护压力。由此可见，在渗透性比较高的土层中，泥浆中的细颗粒有较为明显的封堵效果。

第2级荷载(0.1 MPa)期间：加载后短时间内，滤失速度陡增，随后经历先上升后下降的变化过程，在加载70 s内产生的滤失量为100 mL，达到稳定状态。宏观上未见泥浆明显下浸入地层中。

第3级荷载(0.15 MPa)期间：加载后滤失速度经历快速上升到缓慢降低的过程，在加载的50 s内产生的滤失量为85 mL，达到稳定状态。在这一阶段可见地层密实度增加，同时滤失量变化较上阶段稳定。

第4级荷载(0.2 MPa)期间：加载后滤失速度经历快速上升到缓慢降低的过程，在加载的50 s内，产生的滤失量为75 mL，达到稳定状态。宏观现象与上阶段相似，土层继续密实，滤失量保持稳定。

第5级荷载(0.25 MPa)期间：加载后滤失速度上升幅度较之前降低，达到最大值后缓慢下降，在加载的40 s内，产生的滤失量为60 mL，达到稳定状态。宏观表现整体稳定。

第6级荷载(0.3 MPa)期间：加载后滤失速度经历小幅度增加到缓慢降低的过程，在加载的40 s内，产生的滤失量为45 mL，达到稳定状态。此阶段，无泥浆渗入地层的现象发生。

试验中，3号泥浆在整个分级加压的过程中均能在短时间内达到稳定状态，且稳定时的滤失速度和滤失量均较小，说明3号泥浆能够有效地在砂卵石地层形成质量较高的泥膜。该泥膜的稳定性也随着荷载的增加而提升。

总体来看，通过在泥浆中添加细砂，6组泥浆渗透试验均能成膜。不同的是随着泥浆中含砂量的增加，整个渗透过程的泥浆滤失量呈现先减小后增大的变化趋势。在每一级压力加载条件下，泥浆滤失量均随着含砂量的增大而减小，适宜的泥浆含砂量对其在渗透性较高的砂卵石地层中的泥膜形成有显著的改善。

6种泥浆在各级压力下滤失量如图6所示。从图6可以看出，1号和2号泥浆的单位面积滤失量在初期大于0.04 m3/m2。

图6 单位面积泥浆渗透滤失量Fig.6 Discharged water per unit area

在较低荷载压力情况下，各组泥浆的滤失量差异较大，1～6号泥浆的单位面积滤失量依次减小。在0.05～0.1 MPa荷载下，1号泥浆滤失量显著大于其它组。随着荷载压力的增大，特别是在第5级压力加载后，1号和2号泥浆出现区别于其他组的滤失量波动。

3.3 泥浆渗透深度分析

在荷载压力作用下，泥浆渗透地层的过程主要分为2部分：一部分泥浆组分被地层表面吸附，在表面逐渐堆积增厚形成泥皮；另一部分则渗入地层孔隙，对孔隙产生填堵作用，同时随着地层内的泥浆组分增多留存，逐渐形成泥浆渗透带。泥浆的渗透深度就是渗透带的长度。为分析泥浆的渗透稳定性，对试验过程中泥浆渗入地层深度进行测量统计，如图7所示。

图7 泥浆入渗距离Fig.7 Slurry infiltration distance

如图7所示，1号泥浆在第1级压力下就穿透了地层，后续压力作用下不断有浑浊液从滤液管道排出，虽然泥浆渗入深度较大，但泥膜形成较慢，导致封堵效果不佳。相比之下，2号泥浆的渗透效果得到了很好地改善，在每一级压力作用下，泥浆都有一定程度向地层内部产生渗透，说明泥浆在不断地填补地层内部孔隙，并且整体滤失量也较小。3号泥浆的渗透效果最好，由于含砂量适量，泥浆中的粗颗粒对地层近表面区域进行了很好的堵塞，使得泥浆只在初级压力作用下有明显地入渗现象，在后面几级压力作用下，并没有产生明显地入渗，泥浆压力几乎全部转化成了有效的支护压力作用在地层上。4号泥浆相比3号泥浆有更大的含砂量，但是在渗透效果上却明显变差了，滤失量有所增大，而且有更多的泥浆进入地层内部，虽然最后也对地层造成了有效地封堵，但泥浆压力的转化效果明显没有3号泥浆好。5号和6号泥浆的入渗效果仅次于4号泥浆。

3.4 泥膜的闭气性能测试

泥膜在盾构开仓作业的过程中发挥着重要的作用，由于需要排出多余的泥浆进行开仓作业，泥膜后方的泥浆压力变为了空气压力，此时泥膜进入排水压密阶段，泥膜的闭气时间对开仓作业有着很大的影响，泥膜的闭气时间越长，开仓作业的安全就越有保障。

在6次试验中，测试了每组试验泥膜的闭气时间，并对闭气前后泥皮的状态进行了取样观察。图8是对3号泥浆闭气前后泥饼的取样图，从图8中可观察到，在闭气开始前，泥浆在地层中进行了总共60 min的成膜，泥皮的厚度大约有8 mm，且泥皮含水量较大，闭气完成后，泥皮经历了排水的过程，厚度上出现缩水，泥皮表面也变得相对干燥光洁。

图8 闭气前后的泥皮Fig.8 Slurry skin before and after breath closure

对6组试验泥浆成膜后的闭气时间进行统计，随着泥浆中含砂量的逐渐增大，同等条件下其闭气性出现先增强后减弱的现象，其中3号泥浆的闭气性最强，闭气时间达到了5 h，而当含砂量超过9.6%后，同等条件下的闭气性会逐渐减弱，5号泥浆的闭气时间只有1.1 h。

通过分析可知，泥浆中的含砂量不仅对泥浆的渗透成膜有较大的影响，而且对泥浆成膜后的闭气性也有很大的影响。主要原因是泥浆中的粗颗粒可以有效阻塞地层中较大的孔隙，使泥浆的成膜效果更好，泥浆压力能够有效地转化为支护压力，作用在地层颗粒骨架上，更好地保证地层的稳定性。但含砂量不宜过大，过大反而会影响泥浆的成膜及闭气效果。在京张高铁清华园盾构隧道的施工过程中，正是采用了3号泥浆的配制，在掘进以及开仓作业过程中取得了良好的效果。

4 现场使用情况分析

通过试验发现，在渗透系数较高的地层中，泥浆的含砂量对渗透成膜有显著影响。试验结果显示，当利用粒径为0.075～0.25 mm的细砂颗粒进行调节，控制泥浆的含砂量在9.6%左右时，在施工过程中盾构机得掘进状态平稳，切口水压维持在0.175～0.185 MPa范围内，平均每环掘削量与理论掘削量接近，出浆的比重近似符合均值为1.328 g/cm3的正态分布，整体在1.1～1.6 g/cm3范围内波动。由于掌子面被切削下的渣土参与泥浆的循环过程，使得出浆中掺入了含量和性质不定的卵石，导致出浆的比重产生随机波动变化，整体呈现为正态分布。掘进参数反映出开挖面具有较好的稳定性，地层与刀盘之间形成的良好质量泥膜，可证明添加轻质砂的泥浆配比是合理有效的[18]。

5 结论

1)在砂卵石地层中泥浆的渗透滤失量相对较大，泥浆的成膜效果较差，通过向泥浆中添加轻质砂，能减小泥浆在地层中的流失量，在工程实践中可以通过此方法降低泥浆的使用量从而降低成本。

2)泥浆的含砂量对试验土层中泥浆成膜形态有显著影响，泥膜渗透滤失量随含砂量的增加表现为先增后减。向泥浆中添加轻质砂，实际上是增大了泥浆中的颗粒粒径，试验结果显示，轻质砂的加入明显改善了泥浆的渗透成膜能力及闭气性。

3)根据试验结果依托清华园隧道工程，对穿越砂卵石地层的盾构段进行泥浆配比优化，采用粒径在0.075～0.25 mm的细砂颗粒将泥浆含砂量调至9.6%的3号试验组泥浆配比，经实际施工验证，其成膜效果良好，可为类似工程提供参考。