卵石土及泥岩侵入地层中泥浆配比试验研究

夏炜洋

(中铁二局集团有限公司，成都 610041)

在吹填土[1]、地下连续墙[2]、注浆工程[3]中，浆液的渗透行为发挥着重要的作用。在泥水盾构的掘进中，泥浆会在压力作用下从开挖面渗透进入地层，堵塞地层孔隙，该过程将泥浆压力传递至掘削面以平衡地层的水土压力[4-5]。在一个给定的地层中，泥浆压力由现场工程地质和水文地质条件共同确定，泥浆的配比是影响泥浆渗透成膜过程的主要因素[2]。

蒋顺清等[6]基于南水北调穿黄工程对盾构施工中泥浆的特性开展了渗透试验，初步提出了适用于穿黄工程的泥浆性能主要指标控制范围；吴志均等[7]分析了API滤失仪试验的缺点，确定了评价泥饼质量的关键因素，对泥饼质量的评价有一定的参考作用；韩晓瑞等[8]以南京长江隧道为背景，开展了泥浆渗透成膜试验，研究了泥膜的作用原理及泥膜质量的评价指标，发现泥浆颗粒级配及浆液比重相同时，泥浆黏度越高，物理稳定性越好，泥膜更加容易形成，且形成的泥膜薄、致密，滤失量小；袁大军等[9]开展了泥浆渗透试验，研究了泥浆在黏土地层中的泥水劈裂现象，并提出了泥水盾构中泥水劈裂持续压力、劈裂伸展速度计算公式及伸展流量的经验计算公式；闵凡路等[10]通过开展一系列泥浆渗透成膜试验，研究了泥水盾构中泥膜形成时开挖面地层孔压的变化规律，发现当泥浆压力转化为有效支护压力后，地层中的超静孔隙水压力会迅速降低，浆液比重是影响地层超静孔隙水压力分布规律的主要因素之一，泥浆的黏度对其影响较小；倪红娟等[11]针对泥浆渗透成膜过程，引入了颗粒离散元，模拟了砂土地层条件下泥浆的渗透成膜过程，发现影响泥膜形成的主要因素有地层渗透系数、泥浆的黏度、级配，其中泥浆有效粒径的大小与地层有效粒径的匹配关系对泥浆在地层中能否成膜以及形成何种类型的泥膜具有显著作用；吴迪等[12]开展了泥浆渗透成膜试验，采用均匀设计法对不同制浆材料在砂性土层中的填充效果进行实测与回归分析，发现浆液相对密度反映了单位体积内所能提供的用于孔隙填充的颗粒数量，是影响滤水量以及填充致密程度的首要因素；姜腾等[13]采用自制的室内泥膜气密性测试系统，研究了泥浆性质对泥水盾构泥膜闭气性的影响，发现在不同气压作用下，泥膜存在不同的闭气时间，超过闭气时间后，泥膜会出现被气体击透而漏气的现象；林钰丰等[14]在不同渗透系数的地层中开展了一系列泥浆渗透试验，深入研究了地层渗透系数、泥皮厚度、泥浆滤失量三者的内在联系，并提出了泥皮的k线定理；Lin等[15]通过开展泥浆渗透试验，研究了泥浆-地层匹配度并提出了评价方法。目前，泥浆的渗透成膜试验已经成为研究泥浆渗透问题最直接、最有效的方法；陈爽[16]开展了泥浆渗透成膜试验对泥膜进行了细观分析，并基于离散元模拟出了滤饼的3种形态。

影响泥浆渗透成膜过程的因素有很多，如浆液相对密度[17]、黏度[18]、含砂量[19]、颗粒级配[20]、地层特性[21]、加载条件[22]等。实际工程中主要靠参考以往类似工程经验，并结合必要的试验去确定泥浆的配比。在查阅了大量相关文献的基础上，现以成蒲铁路紫瑞隧道工程为依托，开展一系列泥浆渗透试验，并结合类似工程实践经验，考虑渗透滤失量、渗透距离、成膜时间等因素，确定泥浆的配比，以期使该泥浆配比在富水卵石土地层中取得良好的效果。

1 工程概况

成蒲铁路紫瑞隧道工程全长1 940 m，其中XHDK0+880 ～ XHDK1+174和XHDK2+500 ～ XHDK2+820为框架段，XHDK1+174 ～XHDK2+500为盾构隧道段。盾构段总长695.8 m，隧道开挖直径为12.84 m，隧道沿线穿过多处重要建构筑物，包括机场高速高架桥、南方半岛小区、地铁5号线神仙树车站、地铁7号线C出入口、神仙树南路、肖家河、元华路市政桥、成昆西环联络线、成雅高速高架桥等。

200环、266环、280环表示掘进机的掘进环数图1 紫瑞隧道纵断面地质条件Fig.1 Vertical section geological conditions of Zirui Tunnel

由于泥浆在卵石土地层中容易出现渗透滤失量较大、跑浆等问题，导致开挖面存在坍塌失稳的风险，故从现场取得卵石土土样开展泥浆渗透试验以确定泥浆的合理配比。

2 试验方法及材料

2.1 试验设备及操作流程

研究泥浆渗透行为的设备原理上都相同，类似于泥浆API滤失仪[23]，只不过在滤失仪中泥浆穿透的是孔隙大小确定的滤纸，而在泥浆渗透成膜试验中，泥浆需要穿透由砂土形成的孔隙介质。大都采用加气压的方式将泥浆压入试验地层中(可参考文献[24])，采用的试验设备如图2所示。整套设备包含渗透柱(高100 cm，内径10 cm)、气压控制台、氮气瓶、滤液称量系统(电子天平+摄像机)。气压控制台位于进气口与氮气瓶之间，采用的氮气瓶最高可提供0.5 MPa的压力，气压控制台可以将压力控制在0.5 MPa之内的任意数值并且维持稳定。气压通过进气口将直接作用在泥浆层，泥浆层下依次是试验地层、碎石垫层，碎石垫层的作用是防止大颗粒进入滤液出口堵塞管道。在本次试验中，垫层的厚度为5 cm，试验地层厚度为15 cm，泥浆层的厚度为40 cm。

图2 渗透柱和气压控制台Fig.2 Penetration column and Pressure control console

在试验开始前，需要向渗透柱内倒入清水，通过加压的方式将清水从出水口快速排出，以此检验管道的堵塞情况。试验的主要步骤如下：向渗透柱内依次填入碎石垫层、试验地层到预设的高度，并用压盘逐步进行击实；将压盘留在试验地层之上，操作控制台对渗透柱内的碎石垫层和试验地层进行渗透式反向饱和处理；将充分搅拌的泥浆倒入试验地层之上，再缓慢取出压盘；盖上盖子后，开启摄像机准备加压开始试验。

2.2 试验材料

由于地层的孔隙特征主要由小粒径颗粒决定，现场取得的卵石土含有卵石及漂石，粒径太大无法放入渗透柱，所以去除部分大粒径卵石和漂石后，得到了合适的试验地层。根据地质勘察报告所提供的现场抽水试验结果,计算得到实际渗透系数在5×10-3～1×10-2cm/s，而去除大粒径的试验土的渗透系数通过室内常水头试验测得为1.2×10-2cm/s，与现场抽水试验得到的结果接近。

膨润土通常是以蒙脱石为主要成分的黏土矿物，其颗粒密度为2.4～2.9 g/cm3，遇水体积膨胀10～15倍，膨润土浆液因此能形成一种稳定的悬浮液。试验泥浆采用钠基膨润土、粉土、CMC进行调制，泥浆的比重、黏度分别采用现场常用的比重计和苏氏漏斗进行量测。在参考相关文献后，共配制了9种不同的泥浆开展试验，配比见表1。其中，膨润土的用量对浆液的黏度有很大的影响，膨润土浓度越大，浆液的黏度增长越快，膨润土浓度太低又不能达到稳定悬浮的效果。因此，膨润土用量设置为80、100、120 g/L 3个数值，再加入一定含量的粉土以提高泥浆的大颗粒含量。羧甲基纤维素钠(CMC)是常用的一种泥浆增黏剂，可用于单独调整泥浆的黏度而不引起其他的改变。此外，所采用的泥浆的静置时间均为1～2 d。

表1 泥浆的配比Table 1 Composition of slurry

2.3 压力与渗透时间设定

试验将采用表1中所配制的9种泥浆，在试验地层中开展渗透试验。试验的关键在于对滤液的观测，滤液将进入滤液瓶中，而滤液瓶置于电子天平上，高速摄像机将全程记录滤液重量的变化情况。泥水盾构中泥浆压力需要根据现场实际情况而设定。在卵石土地层中，地层渗透性较强，土压力将采用水土分算的方法进行确定。当确定的泥浆压力作用在开挖面时，首先将抵消水压，剩下的压力将以渗透成膜的方式转移到地层颗粒骨架上。根据紫瑞隧道的设计说明，在卵石土地层段，隧道埋深在10～15 m，由于隧道断面直径达到12.4 m，泥浆压力在开挖面上的分布也有差异。压力对渗透过程有一定的影响，但在压力不变的情况下，判断泥浆在地层中的适应性是合理的。

目前，大部分盾构隧道的埋深在10～30 m，以直径为12 m的盾构机为例，当上覆卵石土层(干密度为1.8×103kg/m3)厚度为10 m时，盾构中心位置处的垂直压力约为288 kPa，一般的卵石土的侧压力系数在0.3～0.4，此处取0.35，得到盾构中心位置处的水平土压力约为0.1 MPa。因此将泥浆的渗透压力设定为0.1 MPa。

相关文献显示，优质的泥膜通常在10 s内就能形成，但是质量较差的泥膜可能需要60 s以上才能达到稳定。因此，将渗透时间限制在300 s。

3 试验结果分析

3.1 渗透虑失量

泥浆在压力作用下侵入地层，泥浆中的悬浮颗粒会堵塞地层孔隙，泥浆也会被地层所过滤。当悬浮颗粒将地层孔隙完全堵塞后，泥膜形成。在此期间排出的液体被称为泥浆的渗透滤失量，渗透滤失量能表征泥膜形成所消耗的泥浆的多少，渗透滤失量与时间的关系通常被用来描述泥浆渗透成膜的过程。典型的泥浆渗透滤失曲线主要可分为两个明显的阶段：泥浆喷射阶段和泥膜形成阶段[25]。

图3～图5为渗透试验中滤失量与时间的关系。滤失曲线中喷射阶段和泥膜形成阶段可分别用趋势线表示[26]，两条趋势线交点代表泥膜形成的时刻。值得注意的是，滤失曲线会因为泥浆的配比以及地层的特性存在形状上的差异。

图3 泥浆渗透滤失量(膨润土用量80 g/L)Fig.3 Slurry penetration displaced fluid(the bentonite dosage is 80 g/L)

图4 泥浆渗透滤失量(膨润土用量100 g/L)Fig.4 Slurry penetration displaced fluid(the bentonite dosage is 100 g/L)

图5 泥浆渗透滤失量(膨润土用量120 g/L)Fig.5 Slurry penetration displaced fluid(the bentonite dosage is 120 g/L)

图3是膨润土用量为80 g/L的泥浆所产生的滤失曲线，可以观察到，3条曲线形状相似，最大的差别是成膜的总滤失量。A1的粉土用量为20 g/L，成膜过程中产生的渗透滤失量为0.061 m3/m2；A2在A1的基础上增大了粉土的用量以提高泥浆的比重，成膜过程中产生的渗透滤失量为0.036 m3/m2；A3在A2的基础上继续增大粉土用量后，渗透滤失量缩小到了0.018 m3/m2。向泥浆中加入粉土提高了泥浆的比重，同时也提高了单位体积内可用于堵塞地层孔隙的泥浆颗粒数量。因此，提高泥浆中的粉土含量后，泥浆单位面积滤失量明显降低，这种降低的现象在图4和图5中同样是存在的。

当泥浆中粉土含量相同时，膨润土含量的变化也会导致滤失量有差别。A1、B1、C1中粉土含量均为20 g/L，膨润土含量分别为80、100、120 g/L，在试验地层中产生的最终渗透滤失量分别为0.061、0.058、0.056 m3/m2；类似的观察到，A2、B2、C2在试验地层中产生的最终渗透滤失量分别为0.036、0.03、0.029 m3/m2；A3、B3、C3在试验地层中产生的最终渗透滤失量分别为0.018、0.015、0.011 m3/m2。纯膨润土泥浆中的颗粒粒径较小，在卵石土地层中不利于泥膜的快速形成，而粉土中含有更多的大颗粒，更容易对大孔隙造成堵塞，所以粉土的浓度对渗透试验的结果影响较大。

3.2 泥浆渗透距离的估算

泥浆渗透产生了一定的滤失量，泥浆也会向地层中侵入一定深度，根据Xu等[25]对泥浆渗透行为的研究，在已知渗透滤失量的前提下，泥浆的渗透距离x可以通过式(1)进行计算，表达式为

(1)

式(1)中：V为泥浆渗透滤失量，m3；n为地层孔隙率；D为渗透柱内径，m。地层孔隙率通过试验开始前对试验地层的反向渗透饱和测得为0.35。利用式(1)和泥浆的渗透滤失量，计算得到了不同泥浆在试验地层中的渗透距离如图6所示。

图6 泥浆渗透距离Fig.6 Distance of slurry penetration

泥浆的渗透距离将直接影响盾构开挖过程中，开挖面获得的支护力大小[27]。在掘进过程中，刀盘会不断破坏泥膜，泥膜处于生成-被破坏-生成的循环状态，部分支护力是依靠渗透力获得的，具体的可以通过对渗透区的渗透梯度进行积分获得。由于泥浆渗透距离越大，泥浆支护区域越分散，不利于开挖面的稳定，因此，泥浆的渗透距离越小，泥浆支护的效果越好。

3.3 泥膜形成时间的估算

在泥水盾构掘进过程中，泥膜的形成速度会直接影响开挖面上泥膜的覆盖情况，泥膜的形成速度越快，支护力能够更快地转移到开挖面上。根据两条趋势线，在图3～图5中确定了泥膜的形成时间。可以观察到泥浆的滤失量越大，泥膜的形成时间越长。试验均在0.1 MPa的压力下开展，泥浆的黏度虽然有差异，但滤失量的差异对泥膜形成的速度影响更加显著。泥皮型泥膜的形成时间一般在10 s内[28]，属于优质泥膜。

3.4 刀盘切削时泥膜的覆盖情况分析

在掘进过程中，泥膜会不断地被破坏。对同一个位置而言，当刀具的切削周期小于泥膜的形成时间时，在掘进过程中将不会有泥膜形成，泥膜在切削面的覆盖面积[29]将为0 m2，对于稳定性较差的卵石土地层，没有泥膜的支护将使得开挖面存在极大的坍塌风险。

紫瑞隧道采用的盾构机刀盘对称分布了8个辐条(图7)，8个辐条上共有切刀116把，其中2个辐条上分别布置16把，其余6个辐条分别布置14把。由于切刀在每个辐条上的布置并不是完全相同的，所以每把切刀的轨迹并不是完全重合的。因此，需要考虑最不利的情况，即考虑刀盘最外侧的滤饼形成情况，并且认为切刀轨迹重合。根据不同的刀盘转速，估算得到了泥膜的形成时间间隔如表2所示。可以发现，刀盘的转速越快，泥膜从破坏到形成，再到破坏的时间间隔越短。根据4.3节中所确定的9种泥浆的泥膜形成时间，计算得到了泥膜在掘进过程中在开挖面上的覆盖率如图8所示。

1～8表示8个辐条图7 刀盘刀具转动重叠示意图Fig.7 Schematic diagram of cutter knives rotation overlap

表2 泥膜形成时间间隔估算Table 2 The forming time of the filter cake

泥浆A1的成膜时间为7.8 s，当刀盘转速为0.4 r/min时，泥膜在掘削面的覆盖率有58.4%；当刀盘转速为0.6 r/min时，泥膜在掘削面的覆盖率降低到37.3%；当刀盘转速为0.8 r/min时，泥膜在掘削面的覆盖率降低到16.8%；当刀盘转速超过1 r/min后，泥膜在掘削面的覆盖率为0。从图8中可以观察到，当泥膜的形成时间缩短后，在相同的刀盘转速下，泥膜的覆盖率会有明显提高。

对于一个确定的泥膜形成速度，随着刀盘转速的提高，泥膜覆盖率会不断降低。对于泥浆A1而言，当刀盘转速从0.4 r/min提高到0.8 r/min时，泥膜覆盖率从58.4%降低到16.8%，降幅为41.6%；对于泥浆C3，同样的情况下，泥膜覆盖率从89.3%降低到78.7%，降幅为10.6%；由此可见，当泥膜形成速度较快时，泥膜覆盖率受刀盘转速的影响会相对减小。原因在于，当泥膜的形成速度加快后，高质量泥浆(C3)对刀盘切削产生的新的地层“创面”的封堵能力比低质量泥浆(A1)更强，当刀盘转速发生同样的变化的情况下，高质量泥浆作用下的泥膜覆盖率的波动会更小。

根据紫瑞隧道现场实际情况，刀盘转速基本维持在1.1～1.2 r/min。由于卵石土地层自身稳定性较差，隧道线路频繁穿越重要建(构)筑物，对地面沉降控制要求较高[30]。因此，选择一种能快速成膜的泥浆对地层稳定性控制非常有利。在所配制的9种泥浆中，B3和C3在试验地层中的成膜速度最快，渗透2 s后就能在开挖面形成泥膜。C3比B3多用了20 g/L的膨润土，实际的渗透效果并没有很大的提升，在泥浆的配制过程中还发现C3的黏度增长速度较快，B3的黏度相对来说更加容易控制。最终泥浆B3被初步选定为现场泥浆的配制方案。

4 泥岩侵入地层段泥浆的调整

泥浆的初期配制非常关键，因为盾构在始发段埋深较浅，对地层稳定性控制有较高的要求。而在盾构掘进过程中，泥浆处于不断循环的状态，并且地层可能也会不断的改变。这就需要在掘进过程中对泥浆进行必要的调整，以保证泥浆在循环过程中能维持较好的适应性。

泥浆B3在盾构始发段发挥出了良好的效果，但随着盾构掘进深度的增大，卵石土地层下部逐渐有泥岩侵入(如图1所示)，最大侵入高度约9 m。根据现场实际情况来看，泥岩的侵入给泥水盾构带来了一个新的问题：刀盘结泥饼(图9)。刀盘结泥饼的现象一般在土压盾构中出现，在泥水盾构中出现的几率较小。主要原因是泥岩在掘进过程中会被刀具磨成细粒，不仅会增大泥浆的黏粒含量，还会增大泥浆的黏度，导致刀盘在断面下部容易形成泥饼，严重影响了盾构掘进效率。

图9 第266环刀盘结泥饼情况Fig.9 The mud cake at ring 266

以200、266、280环为例(图10)，200环是盾构机在卵石土地层中正常掘进的状态，刀盘转速约1.5 r/min，推进速度约18 mm/min，推力在40 000 kN左右，扭矩约为4 000 kN·m。在这种掘进状态下，盾构机的运行较为平稳，掘进效率较高。当盾构机到达266环时，掘进效率明显降低，主要表现在推力和扭矩的增大，推力从40 000 kN·m增大到50 000 kN·m，扭矩增大到12 000 kN·m，最大甚至达到17 000 kN·m。即便是这种情况下，盾构推进速度还有所降低。而后停机开仓进行检查，发现刀盘结泥饼较为明显。

图10 各环的推力、扭矩数据统计Fig.10 The thrust and torque data of each ring

通过参考相关文献[31-34]，向泥浆中添加适量的分散剂，将进浆的黏度降低至23 s后，刀盘结泥饼的情况得以解决。以280环掘进参数为例，推力和扭矩虽然比卵石土中的掘进参数稍大，但长距离掘进依然能够维持在一个稳定的水平，盾构掘进效率能够得到保证。此外，由于断面上部存在大面积卵石土地层，泥浆的比重依然需要维持，以保持泥浆颗粒对孔隙的快速堵塞能力[27]。

5 结论

以国内最大直径泥水-土压双模盾构在卵石土及泥岩侵入地层中的掘进为背景，针对泥浆的配比开展了试验研究，主要得到了以下几点结论。

(1)在参考了相关文献和类似工程后，拟定了9种不同配比的泥浆，在试验地层中开展了一系列泥浆渗透成膜试验。在分析了渗透滤失量、渗透距离、泥浆成膜时间、泥膜覆盖率等因素之后，初步确定了泥浆配比。该试验及分析过程可为类似工程提供参考。

(2)针对刀盘在泥岩侵入地层段结泥饼的现象，工程中采用了维持浆液比重，适当降低泥浆黏度的方案，在保证泥浆对上部卵石土地层快速支护的同时，成功地解决了结泥饼的问题。该调整方法对泥水盾构在卵石土-泥岩复合地层中的掘进有重要意义。

(3)通常情况下，泥浆由相对密度、黏度、含砂量等泥浆自身特性确定，在不同的地层(如卵石土地层、粉砂地层、黏土地层等)中根据工程经验方可确定一个合理的范围。随着泥水盾构在地下工程中的大量采用，面临的地层复杂程度越来越高，对泥浆的配制与调整，依然需要从科学的角度加以分析，才能保证盾构掘进的高效性和安全性。