泥水盾构带压开舱时泥浆配制及泥膜形成实验研究

闵凡路，姜 腾，魏代伟，张亚洲

(1.河海大学力学与材料学院，江苏 南京 210098;2.河海大学岩土工程研究所，江苏 南京 210098)

0 引言

近年来，泥水盾构工法以其优越的压力控制模式、适合大直径隧道建设等优点，在水下交通隧道建设中得到了广泛的应用［1］。然而，由于水下隧道一次掘进距离长、穿越地层颗粒较大、石英含量高等因素，盾构难免会出现刀盘刀具磨损、刀盘结泥饼及遇到障碍物等问题，不得不进行开舱检修［2－3］。由于水下隧道一般不具备地层加固等常压开舱的条件，故以压气工法为基础的压气－带压开舱方法的使用越来越普遍［4］。当地层透气性较大时，带压开舱前一般会进行降低地层透气性的辅助施工，常用的方法是使用泥浆在开挖面上形成一层致密的泥膜以降低地层的透气性［5］。然而盾构停机处多位于江河底部，地层渗透性高、水压力大，如何调整泥浆在开挖面上形成致密的泥膜、保证开挖面稳定成为工程界关注的难题之一。

泥水盾构以压力泥浆支护开挖面，泥膜的形成对开挖面稳定非常重要。已有研究表明，泥浆在不同地层中形成的泥膜大致可以分为3类:泥皮型泥膜、泥皮－渗透带型泥膜和渗透带型泥膜［6］。关于泥膜对开挖面稳定性影响的研究，在过去常采用“薄膜模型”，即认为泥膜完全不透水，泥浆压力全部用来支撑地层土压力和水压力，不考虑泥浆的渗透作用对开挖面稳定性的影响。但在实际工程中，泥浆中的水及细粒会向地层中渗透，降低有效泥浆压力和开挖面的稳定性。Anagnostou等［7］提出了考虑泥浆渗透的楔形体——“渗透模型”，并指出在砂性土中掘进时，开挖面的支护力可以采用“薄膜模型”计算，而停机时，泥浆渗透会降低开挖面的稳定性。而胡欣雨等［8］在研究泥浆入渗对土体剪切强度的影响时发现，泥浆的入渗增大了剪切滑移中的粒间接触面积，同时增大了土体颗粒间的咬合作用，宏观表现为黏聚力的增大，即对土体的稳定性是有利的。以上研究表明:泥浆向地层中渗透一方面造成了泥浆的滤失，减小了有效泥浆压力，对开挖面的稳定不利;另一方面，泥浆中颗粒渗入地层，增大了地层的黏聚力，有利于开挖面的稳定。

本文以南京长江隧道工程在江底砂砾复合地层中带压开舱为背景，提出保证开挖面稳定的泥浆配制方案，并以自制的泥浆渗透装置开展泥浆配置及泥膜实验，以期对工程起到一定的指导作用。

1 工程概况及开舱泥浆调整方案分析

1.1 南京长江隧道工程概况及盾构停机情况

南京长江隧道(纬七路)是目前世界上最大的过江公路隧道之一，位于南京长江大桥与三桥之间，是连接南京奥体新城与浦口区的一条最直接的快速通道［9］。工程采用“左汊隧道+右汊桥梁”的方案，由北岸浦口区至江心洲段为隧道，江心洲至南岸奥体新城段为桥梁。工程全长5 853 m，隧道段设计为双管单层隧道，采用2台直径14.93 m的泥水加压盾构由北岸始发、同向施工，盾构隧道段长约3 020 m。隧道穿越江面宽度约2 600 m，高水位多年平均值8.37 m［9］。盾构穿越地层如图1所示，主要穿越有淤泥质粉质黏土、粉细砂、砾砂及圆砾等地层，地层的基本性质如表1所示。

图1 南京长江隧道地质断面图Fig.1 Geological profile of Nanjing Yangtze River Tunnel

表1 盾构机穿越主要地层的基本性质Table 1 Basic properties of different strata

当盾构推进到658环附近时(里程K4+916，盾构进入粉细砂和砾砂复合地层一段距离)，刀盘扭矩明显偏高，最高达到 20 MN·m，推进速度降低至2 mm/min;同时，排出的渣土中出现直径20 cm以上的卵石和金属块。通过对常压可更换刀具的检查，发现部分刀具磨损严重，出现了刀刃崩落的现象，刀盘也遭到损坏。为了顺利完成后面近1 700 m的掘进，不得不停机进行刀具检修或者更换。

盾构停机位置如图1所示，位于江面下约53 m，其中覆土约25 m。其所处断面上部约1/4为粉细砂地层，渗透系数约为5×10－3cm/s;下部约3/4为砾砂地层，渗透系数约为3×10－2cm/s。在这样高水压、高渗透性的地层中带压开舱，如何调整泥浆形成致密的泥膜、保证开挖面的稳定性成为是工程中十分关注的问题。

1.2 带压开舱用泥浆材料及泥浆调整方案分析

由于本工程盾构停机处不具备地层加固等常压开舱的条件，因此采用压气－带压开舱的方法进行开舱检修。由于停机处地层渗透性较大，带压开舱前，需要先进行泥浆成膜、降低地层的渗透性的辅助施工。

盾构穿越淤泥质粉质黏土和粉细砂地层时，地层渗透系数较小，仅采用地层自造浆或添加少量膨润土调整，即可满足盾构掘进的施工要求。然而进入粉细砂和砾砂的混合地层后，由于地层渗透性变大且水压力大，主要采用密度、黏度都较大的高分子聚合物泥浆。该种泥浆滤失量较小，可以在地层中形成泥皮型泥膜，但是在长时间停机和高温时(停机时南京正处在7—8月，室外温度高达35～39℃)，高分子聚合物泥浆不稳定，容易出现变质、黏度降低、老化等现象。因此，在带压开舱时需要采用物理稳定性好的膨润土泥浆或者膨润土与黏土的混合泥浆。

本工程根据已有研究中关于泥浆渗透对开挖面稳定2方面的影响，并结合现场泥浆特性，对开舱泥浆的调整分2步:1)在保证泥浆形成泥膜的前提下，先在压力舱中以密度小、黏度较低的纯膨润土泥浆在开挖面地层中渗透一定距离，形成含有渗透带的泥膜。这样可以使部分泥浆颗粒渗入地层孔隙一段距离，提高地层的黏聚力，有利于提高开挖面的稳定性。2)形成渗透带型泥膜之后，再以较大黏度和密度的膨润土－黏土混合泥浆置换压力舱中低密度的泥浆，使其在开挖面上形成致密的泥皮型泥膜，然后再进行带压开舱操作。这样调整后，可以有效的减少泥浆的滤失，降低地层的透气性。在进舱之前，需要先在实验室内进泥浆成膜实验，以验证上述方案的可行性。

2 带压开舱用泥浆的配制及泥膜形成实验

2.1 纯膨润土泥浆配制与成膜实验

第1步调整的泥浆，采用的是Na级膨润土，分别按浓度3%，5%，8%，12%进行膨化，膨化24 h，4组泥浆基本性质见表2。其中，泥浆的黏度采用工程现场常用的苏式漏斗黏度仪测试，该仪器测试清水的黏度为15 s。以砾砂层作为实验地层，该地层大于2 mm的粗颗粒占整个地层含量的40%左右，渗透系数约为3 ×10－2cm/s，孔隙率为0.54。

实验仪器如图2所示，共进行4组泥浆渗透成膜实验。首先在实验柱中装入5 cm厚的颗粒粒径2～5 mm的滤水层(渗透系数约为2 cm/s)，并在表面铺一层滤膜，以保证地层下部集水面均匀;然后装入21 cm厚的砾砂地层(控制地层的孔隙率为0.54，保证每次实验的地层的充填状态尽量一致，以减少实验误差)。实验开始前，先采用由下向上的方式用清水对地层进行饱和，地层饱和之后，实验中测到的滤出水量就等于泥浆的渗透量［10］。之后充入21 cm泥浆开展泥浆渗透实验。实验采用荷载加压，通过活塞传递到泥浆液面上，一次性加压0.3 MPa(考虑泥水加压盾构实际施工时压力舱泥浆压力与地下水压力差的最大值)。最后打开最下部的排水阀门，同时记录下泥浆渗透稳定、泥膜形成时的滤水量和成膜时间，作为泥膜质量好坏的评价指标，并观察形成泥膜的形态。滤水量越小，成膜时间越短，形成泥膜越致密，泥膜质量也越好［10］。4组泥浆在砾砂地层中成膜实验结果见表2。

图2 泥浆渗透成膜装置Fig.2 Test apparatus for slurry infiltration and filter membrane formation

表2 膨润土泥浆基本性质及成膜实验结果Table 2 Basic properties of different bentonite slurries and results of filter membrane formation tests

由表2可知:浓度3%～5%的膨润土泥浆黏度较低，密度低于1.05 g/cm3，在砾砂地层中形成渗透带型泥膜，但是泥浆损失量比较大，成膜时间较长;浓度8%～12%的膨润土泥浆黏度在20 s以上，泥浆向地层中渗透一定距离后，迅速稳定下来，泥浆损失也比较少，形成泥皮－渗透带型泥膜(如图3所示)，且成膜时间很短。

图3 8%膨润土泥浆形成的泥膜Fig.3 Filter membrane formed by slurry with 8%bentonite content

2.2 提高密度和黏度的泥浆成膜实验

在开挖面上形成泥皮－渗透带型泥膜后，将泥浆密度提高至1.15～1.2 g/cm3、黏度25 s以上，开展泥浆成膜实验。由于纯膨润土泥浆的密度一般不大，若用纯膨润土将泥浆密度调到1.15～1.2 g/cm3，则其黏度会很大，难以满足泵送要求。因此，考虑以较高黏度的低密度膨润土泥浆和天然黏土泥浆(盾构穿越淤泥质粉质黏土地层时储存的多余的泥浆)混合，配置密度在1.15～1.20 g/cm3、黏度25 s以上的物理稳定性高的泥浆，进行泥浆性质和成膜实验。

1)泥浆物理稳定性。以24 h泥浆的析水率表示。泥浆析水率越小，其物理稳定性越好。将泥浆装入容量为1 000 mL的量筒，24 h后的析水体积10 mL，即24 h析水率为1%，泥浆物理稳定性很好。

2)泥浆成膜实验。本次实验在砾砂地层中进行的，实验方法和步骤与上述泥膜实验相同，只是本次实验是分级加压，每级施加0.05 MPa，同时测量泥浆滤失量随时间的变化，待泥浆渗透稳定(泥浆的滤水量相邻两次读数间差值相同或相近)时，施加下一级压力，直至0.3 MPa(考虑泥水加压盾构实际施工时压力舱泥浆压力与地下水压力差的最大值)，同时绘制泥浆滤水量随时间的变化曲线，如图4所示。实验采取分级加压的形式是为了便于观察泥浆在地层中渗透的过程，同时也可测得某一泥浆在某地层中可承受的最大压力。实验结束后，观察地层表面形成的泥膜的形态，厚度约5 mm，属于泥皮型泥膜(如图5所示)。

由图4可以看出:在每级压力作用下，泥浆在很短时间内即达到渗透稳定的状态，且泥浆的滤失量很小，每min的滤水量约为0.6 mL，换算到真实的开挖面(南京长江隧道开挖面面积约175 m2)上，滤失水量约3 m3/2 h(满足滤失水量经验值:10～20 m3/2 h)。

图4 泥浆滤水量变化曲线Fig.4 Curves of the discharged water as slurry filtrates into soils

图5 形成的泥皮型泥膜Fig.5 Filter cake of mud membrane formed

以上实验的结果显示:浓度8%～12%的膨润土泥浆可以在砾砂地层开挖面上快速形成含有渗透带的泥膜;密度1.15～1.2 g/cm3、黏度25 s以上的膨润土与天然黏土的混合泥浆性质良好，物理稳定性较高，可以在开挖面上快速形成微透水的泥皮型泥膜。

3 开舱后的泥膜情况

开舱准备工作完成后，分2步置换原泥浆舱的泥浆:1)以浓度8%～12%的纯膨润土泥浆置换压力舱内的旧泥浆，使其在开挖面上形成含有渗透带的泥膜;2)再以密度1.15～1.2 g/cm3的膨润土与黏土的混合泥浆置换压力舱内的纯膨润土泥浆，使其在开挖面上进一步渗透形成致密的具有一定厚度的泥皮型泥膜。开舱时，将泥浆舱的泥浆液位降低3～5 m，只以气压来支护开挖面，以便于进舱人员观察和维修。现场气压的变化情况(见图6)显示，开挖面上形成了质量良好的泥膜，而且泥膜密闭性较好，气舱压力能较好地保持稳定，没有出现大量漏气的现象，气压有效地作用在开挖面上，维持了开挖面的稳定。

图6 开挖面上形成的泥膜Fig.6 Filter membrane formed on the excavation face

4 结论与建议

1)泥水盾构停机检修一般位于江河底部，水压力很大，带压进舱检修时有必要根据地层特点进行泥浆调整来增强开挖面的稳定性，以确保为带压开舱提供一个稳定的开舱环境，保证进舱人员的安全。

2)在渗透性较大的砾砂地层进行带压开舱时，可以采用先以低密度、低黏度的泥浆向开挖面渗透一段距离，形成渗透带型泥膜，以提高地层的黏聚力;再以高密度、高黏度泥浆，在开挖面上形成致密的泥皮型泥膜的泥浆调整方案，进行泥浆置换和调整。

3)南京长江隧道在砾砂地层进行带压开舱时，先以浓度8%～12%的膨润土泥浆作为渗透泥浆，使开挖面地层中形成一定距离的渗透带，增加地层的黏聚力;再以密度1.15～1.2 g/cm3、黏度25 s以上的泥浆，在开挖面上形成致密的泥皮型泥膜，使气压和泥浆压力有效地作用于开挖面上，增强开挖面的稳定性。

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