砂卵石地层盾构泥浆渗透成膜细观分析及离散元模拟

陈 爽

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司， 南京 211899)

随着泥水盾构技术日趋成熟，其被广泛应用于大断面、超长距离、复杂地层情况下的隧道建设中[1-2]。近年，开挖面失稳事故在多地盾构隧道施工中时有发生[3-5]，如南京地铁10号线越江隧道、扬州瘦西湖隧道等，开挖面稳定控制是盾构法施工亟待解决的问题。根据泥水盾构的工作原理，开挖面前方的水土压力主要通过泥膜传力来平衡[6]，泥水盾构开挖面稳定性与泥浆成膜特性直接相关。

关于泥浆成膜特性的研究，中国学者已取得了许多成果。姜腾等[7]通过自制的室内泥浆气密性测试系统，分析了泥浆性质、气压大小对对泥膜形成质量的影响；叶伟涛等[8]通过室内试验，对不同泥浆相对密度和黏度下试验的单位滤失量、成膜时间和泥膜形态等进行了分析，并探讨了泥仓压力和含砂率对泥浆成膜的影响；林钰丰等[9]利用自行设计的泥浆渗透装置，分析了地层渗透系数对泥浆成膜的影响，并提出了是否有效成膜的判断方法；宋洋等[10]通过自制的模拟泥水盾构掘进系统，对不同泥浆配比下的渗透规律及动、静态成膜规律进行了分析。由上述研究现状可以看出，有关泥浆成膜、泥浆性能的研究仍停留在微观机理和宏观应用层面，针对特定地层的泥浆成膜规律尚不清晰。

中国学者多通过离散元模拟分析泥水盾构掘进过程中泥膜与地层的相互作用。刘成等[11]基于三维颗粒流离散元程序YADE，分析了泥浆侵入土层初始阶段泥膜的动态形成机理和多因素影响规律，提出粒径比是泥膜状态的决定因素，泥浆颗粒密度影响相对较小；杨钊等[12]依托盾构实际工程，通过室内泥膜试验和颗粒流数值方法，分析研究了泥膜在气压作用下破坏过程；加瑞等[13]通过三维颗粒流程序模拟了泥浆颗粒在压力差作用下的成膜过程，分析了泥膜质量的主要影响因素，提出增加泥浆d85(d85表示颗粒含量占85%时所对应的颗粒粒径)和泥浆密度有助于形成良好的泥膜；毕庆杰[14]采用离散元-流体(PFC-FLUENT)耦合的颗粒细观模型及室内相似模型，对砂性地层的渗透破坏过程及渗透破坏对端头土体稳定性影响进行了研究。

为了解决泥水盾构在砂卵石地层中成膜困难的问题，得到砂卵石地层泥浆渗透细观成膜机理，依托京张高铁清华园隧道，利用自制的泥浆渗透装置，对不同级配下的砂卵石地层进行室内试验，观察泥浆渗透及成膜过程，对泥浆颗粒在砂卵石地层中的堆积形态进行细观分析，同时基于流体-离散元(FLUENT-EDEM)耦合计算原理，采用数值仿真的手段，对泥浆颗粒在地层孔隙中的运移轨迹进行细观分析，以探究在不同泥浆颗粒大小、密度和压力条件下的泥浆成膜规律。

1 砂卵石地层泥浆渗透试验

1.1 试验设备

开展泥浆在不同渗透系数砂卵石地层中的渗透成膜试验探究地层颗粒分布对泥浆成膜形态的影响，泥浆渗透装置如图1所示。

图1 泥浆渗透试验装置Fig.1 Permeability test equipment

本试验采用的装置是封闭式泥浆渗透室，采用有机玻璃作为侧壁，上下利用铁盖结合高分子橡胶圈进行封闭。顶盖安装两个阀门和一个气压监测表，气压监测表可以实时读取压力室内的气压值，两个阀门，进气阀门通过压力输送管与空气压缩机相连，泄气阀门用于调节渗透室内的气压，进气阀门和泄气阀门共同配合使用，达到稳定调节压力仓内气压的目的。底部设计了隔层，可以保证水能够渗透排出。

1.2 试验流程

试验开始前，用砂石铺设滤层，然后将地层土样逐层的填装和压实，在地层填充完毕后，自下而上缓慢地注入自来水使得地层达到饱和状态并静止24 h。开始试验后将水面降至与地层表面同一高度，随后关闭底部阀门。利用导流管将试验泥浆加入地层上方。

试验加载采用分级加载的方式，且泥浆在每级压力作用下滤失速度达到稳定即表示渗透达到稳定状态，观察记录泥膜的形成过程和渗透距离。加载完成后，关闭进气阀门和空气压缩机，打开泄气阀门进行泄压，依次松开顶盖螺帽，揭开顶盖，取下有机玻璃圆筒，取出泥膜进行观察量测。

1.3 材料的制备

1.3.1 试验地层的配制

试验的设计依托于京张高铁清华园隧道穿越砂卵石地层盾构工程，采用筛分后的河砂和标准砂模拟砂卵石地层，按不同比例配制出了5种不同渗透系数的砂卵石地层(地层编号：D1、D2、D3、D4、D5)，5种地层的级配曲线如图2所示。

图2 5种地层的颗粒级配曲线Fig.2 The grain distribution curve of five stratum

各地层的渗透系数采用常水头渗透装置测定，测定结果如表1所示。

表1 各地层渗透系数Table 1 Permeability coefficient of each stratum

1.3.2 泥浆的配制

试验中采用与清华园隧道现场性能指标相近的泥浆，配制泥浆的主要材料为清水、膨润土、粉土颗粒、羧甲基纤维素钠(CMC)、碳酸钠。先利用膨润土和清水组成基础浆液，再加入CMC和粉土来调节泥浆的比重和黏度，具体的泥浆配比如表2所示。

表2 泥浆配比

泥浆逐步调制完成，静置36 h后通过搅拌机充分搅匀，经测试其基本的性能参数如表3所示。

表3 泥浆性能测试结果

2 砂卵石地层泥浆成膜形态的细观分析

泥水平衡盾构中的泥浆渗透成膜类型，从宏观上分为三类[15]，泥浆渗透成膜试验结果如下。

第一类是泥浆完全渗透滤失，如在D1地层中，因地层孔径太大，导致泥浆急剧流失，既没有在地层表面形成泥皮，也没有在地层内部形成稳定的渗透带。此时泥浆压力全部用于抵抗地层中孔隙水压力，并未对掘进面起到支护作用，最后形成图3所示的地层。

图3 泥浆完全滤失Fig.3 Slurry completely filtered out

第二类是泥浆部分滤失，如在D3地层中，泥浆进入一段地层，对地层中的孔隙进行填充，并在地层表面淤积泥浆颗粒，最终在地层表面形成泥皮。渗透带和泥皮共同组成的泥膜如图4所示。

图4 泥皮和渗透带Fig.4 Filter cake and permeability zone

第三类是泥浆颗粒几乎完全被阻挡在地层表面，如在D5地层中，很少泥浆颗粒进入地层，在压力作用下，泥浆在地层表面脱水，如图5所示。

图5 泥皮Fig.5 Filter cake

为了观察泥浆在砂卵石地层中成膜的形态，即泥皮、地层、渗透带的细观形态。取出试验泥浆在模拟地层中渗透成膜后的具有代表性的D3地层部分样本，利用电子显微镜进行观察，从细观上分析泥皮、渗透带与地层之间的形态特征。

图6为泥浆在地层中渗透后形成的泥膜和地层的结合体在湿、干状态下的图像。通过近距离观察可以发现，泥浆在地层中形成的泥皮与地层紧密的贴合，泥皮较为致密，泥皮与地层有清楚的界限。从砂土地层颗粒周围充填的泥浆渗入组分可以看出，渗入的泥浆通过地层的过滤颜色变淡，充盈在砂土颗粒周围，这对增大砂土地层的黏滞性起到了很大的作用。利用烘箱将样本地层烘干，可以看出，烘干后的泥皮在失水后体积缩小并紧贴在地层表面，形成了坚硬的泥壳。

图6 D3地层中形成的泥皮Fig.6 Filter cake in D3 stratum

图7为地层中泥浆渗透带在湿、干两种条件下的形态。可以看出，在压力作用下泥浆渗透将砂土中的孔隙水挤出，充填在砂土颗粒周围。由图7(b)可见，地层颗粒表面覆盖了一层土颗粒，且颗粒与颗粒之间有明显的泥浆淤积拥堵痕迹。

图7 泥浆在D3地层中的渗透带Fig.7 Permeability zone of mud in D3 stratum

通过以上现象可以得出，由于膨润土颗粒具有内部膨胀等特性，当泥浆侵入地层时，泥浆颗粒会在地层内部或者表面形成阻塞，阻塞颗粒群在泥浆压力作用下失去结晶，最终形成微透水或不透水的泥膜。而通过对砂卵石地层中泥浆渗透成膜试验结果的分析发现，泥浆在压力的作用下向地层中发生渗透，其最终渗透形态主要由泥浆粒径控制。适当的泥浆粒径能够渗透进地层并有效阻塞地层孔隙，从而形成泥膜。

3 基于FLUENT-EDEM耦合的泥浆渗透数值模型

基于上述试验，为了深入分析泥浆颗粒的运动轨迹、堵塞机理和影响因素，采用FLUENT-EDEM耦合数值模拟方法对泥浆的渗透过程进行深入研究。

3.1 FLUENT-EDEM耦合数值方法的实现

FLUENT-EDEM耦合计算方法通过将离散元颗粒和流体模型进行耦合，可以实现流体在颗粒体孔隙中的耦合计算。

粒子-流体相互作用力由压力梯度力、阻力、升力和虚拟质量力组成。压力梯度力包括由于重力引起的浮力和流体中的加速压力梯度力。阻力是由流体对颗粒的粘性剪切作用引起；虚拟质量力由粒子和流体之间的相对加速度引起。升力，包括萨夫曼升力和马格努斯升力，是由于粒子旋转引起的升力或向上力。在颗粒沉降过程中，颗粒可能在垂直方向上以相当小的加速度下降，其中升力和虚拟质量力的影响可以忽略不计。因此，在本次模拟中，仅考虑拖曳力和压力梯度力。

本次模拟使用经验公式计算阻力，因为颗粒的加速度在沉降中相当小，故忽略了加速压力梯度，压力梯度力仅被认为是浮力，浮力Fd的计算公式为

(1)

式(1)中：ρ为密度，g/m3；d为直径，m；g为重力加速度，m/s2。

3.2 数值模型的建立及参数设定

模型的建立主要分为3个步骤：①FLUENT网格划分；②EDEM初始化；③FLUENT-EDEM耦合设置，具体如下。

3.2.1 FLUENT网格划分

在FLUENT-EDEM耦合模拟期间，FLUENT网格独立于粒子运动而工作。FLUENT网格的尺寸对于粒度的选择至关重要。由于孔隙度和阻力计算算法原因，单元尺寸应大于颗粒直径的2～4倍。图8为本次模拟的渗透柱模型，该模型中FLUENT网格的尺寸为颗粒直径的5倍，满足计算精度要求。

D为地层颗粒直径图8 渗透柱模型示意图Fig.8 Schematic diagram of permeation column model

3.2.2 EDEM初始化

EDEM初始化的主要目的是生成砂卵石柱，其占据渗透柱体积的1/2。颗粒在重力作用下自然稳定。在渗透柱内随机产生7×104个单分散砂卵石颗粒，然后在底部沉降，其平均孔隙率为0.38(接近实际地层的平均孔隙率)，如图9所示。

H为模型的高度；D为模型的直径图9 EDEM中渗透模型示意图Fig.9 Schematic diagram of penetration model in EDEM

3.2.3 FLUENT-EDEM耦合设置

FLUENT-EDEM耦合设置较为复杂。参照文献[16]中的相关耦合计算参数，确定了相关的关键设置，如EDEM时间步长、耦合间隔和流体模型、耦合参数等，如表4所示。

4 泥浆渗透成膜细观机理及影响因素模拟结果

4.1 基于EDEM的泥膜细观形态

数值模拟得出了3种渗透模式下的渗透过程以及渗透规律，并且3种不同类型的泥膜与渗透试验得出了泥膜形态相对应。分别对3种不同种类的泥浆渗透模式进行分析。泥浆和地层颗粒均简化为球形颗粒。

4.1.1 泥皮型泥膜(I型泥膜)

该工况中，泥浆颗粒直径为0.1 mm，地层颗粒直径为0.3 mm。渗透柱进口设置为压力边界，压力为50 kPa。

此工况计算了地层颗粒直径与泥浆颗粒之比为3的情况。从图10(a)可以看出，地层在泥浆颗粒渗透前后并没有太明显的变化。随着泥皮的逐渐成形，对流体的阻碍作用逐渐增大。通过泥皮建立了泥浆与地层之间的压力传递关系，地层受到了一定压缩，孔隙率从0.38缩小到了0.36。从图10(b)可以看出，泥浆颗粒几乎没有渗透进入地层，均被地层阻挡在外。

图10 I型泥膜Fig.10 Filter cake I

4.1.2 泥皮+渗透带型泥膜(II型泥膜)

该工况泥浆颗粒直径为0.1 mm，地层颗粒直径为0.5 mm。渗透柱进口设置为压力边界，压力为50 kPa，渗透平衡状态如图11(a)所示。

图11 II型泥膜Fig.11 Filter cake II

此工况计算了地层颗粒直径与泥浆颗粒之比为5的情况，从图11(b)可以看出，地层在泥浆颗粒渗透前后并没有太明显的变化。与上一种工况相比，由于该次增大了地层的颗粒直径，形成的地层孔隙有所增大。泥浆在渗透过程中有部分泥浆颗粒进入了地层，对地层中的孔隙进行了一定程度的填堵，从而减小了地层的渗透系数。随后泥浆颗粒逐渐滞留在地层表面形成了泥皮。泥浆在地层中的渗透深度明显大于第一种工况，形成的是泥皮+渗透带型泥膜。

4.1.3 渗透带型泥膜(III型泥膜)

该工况，泥浆颗粒直径为0.1 mm，地层颗粒直径为1 mm。渗透柱进口设置为压力边界，压力为50 kPa。渗透平衡状态如图12(a)所示。

此工况计算了地层颗粒直径与泥浆颗粒之比为10的情况。从图12(b)中可以看出，地层在泥浆颗粒渗透前后并没有太明显的变化，由于地层颗粒与泥浆颗粒尺寸相差较大，地层堆积后所形成的孔隙较大，导致泥浆颗粒直接从地层的孔隙中穿行而过。虽然有部分泥浆颗粒滞留在地层中，但对地层的改变并不明显，泥浆在地层中完全滤失，并没有形成泥膜。

图12 III型泥膜Fig.12 Filter cake III

4.2 颗粒相对大小对成膜的影响

泥浆压力为50 kPa时，泥浆密度为1.29 g/cm3下，地层中泥浆颗粒大小不同时泥膜的形成情况分别如图13所示。可以看出，泥浆的颗粒大小对泥膜的形成质量影响较大。总体而言，泥浆的粒径越大，泥浆颗粒在掘进面的堆积效率越高，成膜形态越好。

图13 不同颗粒比值下泥浆渗透现象Fig.13 Slurry infiltration phenomenon under different particle ratios

当D/d=3(D为地层颗粒直径；d为泥浆颗粒直径)时，地层的孔隙足够小，导致泥浆颗粒没有渗透进入地层，从而在地层表面形成拥堵，形成泥皮，如图13(a)所示；当D/d=5时，地层的孔隙依然较小，导致泥浆颗粒没有渗透进入地层，全部在地层表面形成拥堵，形成渗透带型泥膜，如图13(b)所示；当D/d=7时，地层的孔隙较大，导致泥浆颗粒全部渗透进入地层，在地层内部造成大量拥堵，大量泥浆颗粒滞留在地层内部，同时也有大量泥浆颗粒穿透地层到达地层底部，如图13(c)所示；当D/d=9时，此时地层的孔隙足够大，大量泥浆颗粒流失，无法在地层中形成有效的泥膜，如图13(d)所示。

根据结果总结了地层颗粒直径D与泥浆颗粒直径d的比值D/d与成膜之间的关系，如图14所示。

图14 不同D/d下泥浆颗粒滤失情况Fig.14 Filtration of slurry particles under different D/d

随着泥浆颗粒的平均粒径减小，在泥水压力作用下泥浆颗粒开始进入地层孔隙。从图14可以观察到，当地层颗粒直径D与泥浆颗粒直径d的比值D/d<3时，有少量颗粒进入地层孔径；当37时，大部分泥浆颗粒通过地层孔径渗入到掘进面前方较远距离，最终在掘进面堆积的泥浆颗粒较少，泥膜在掘进面的成膜质量较差。

4.3 泥浆密度对成膜的影响

泥浆压力P为50 kPa时，控制地层颗粒直径D与泥浆颗粒直径d的比值D/d=5时，通过调整泥浆颗粒数量来控制泥浆密度ρ，形成ρ=1.12、1.14、1.16、1.18、1.2 g/cm35种不同的泥浆密度，以开展渗透试验。不同的泥浆密度下掘进面的泥浆颗粒堆积状态如图15所示。试验发现，泥浆密度越大，其堵塞能力越强，越容易在地层表面形成泥膜，渗透深度约小，而泥浆的密度越小，在泥浆渗透开始后，容易发生堵塞不及时的现象，导致后续颗粒继续在地层中通过，影响泥皮的形成。

图15 不同密度下泥浆渗透规律Fig.15 Slurry infiltration law under different density

泥浆颗粒的密度为1.12 g/cm3时，大部分泥浆颗粒通过地层孔径渗入到掘进面前方较远距离；如图16所示，随着泥浆密度的增加，掘进面上堆积的泥浆颗粒逐渐增多，泥膜成型质量有所提高。

图16 不同密度下泥浆渗透深度Fig.16 Slurry infiltration depth under different density

当泥浆密度较大时，可以堵塞或者滞留在地层中的泥浆颗粒的数目随之增加，而这将减小地层的孔径，导致堆积在地层表面的颗粒数目增多。实际工程中泥浆密度越大，泥浆的粘度越大，输送困难，因此实际工程中增加泥浆密度时需要考虑泥浆循环处理能力。

4.4 泥浆压力对成膜的影响

泥浆压力是泥浆渗透成膜的驱动力，理论上压力越大，渗透深度越大，泥浆颗粒越容易通过地层产生滤失。在相同条件下，通过调整泥浆压力使得泥浆在不同泥浆压力(50、100、150、200、250 kPa)下进行渗透。随着泥浆压力从50 kPa逐渐提高到250 kPa，泥浆颗粒在地层中的渗透有一定的差别，泥浆渗透深度有较小的改变，但不稳定的泥皮出现了破坏的迹象。其中变化最大的是地层的孔隙率，随着压力的提高，地层的压缩量逐渐增大，孔隙率从38.5%降低到33%。这是由于地层被压缩所致，压力的改变并没有给泥膜带来较大的改变。

在D/d=5的情况下，泥浆颗粒的密度为1.2 g/cm3时，不同泥浆压力下掘进面的泥浆颗粒堆积状态如图17所示。不同泥浆压力下的泥浆渗透深度如图18所示。

图17 不同泥浆压力下的渗透成膜规律Fig.17 Slurry infiltration law under different mud pressure

图18 不同泥浆压力下的泥浆渗透深度Fig.18 Slurry infiltration depth under different mud pressure

由图18可见，泥浆的压力越大，泥浆颗粒在掘进面的堆积效率越低，成膜形态越差。在一定范围内，随着泥浆压力的增大，泥浆颗粒在地层中的渗透深度有一定的增大，但并不明显，即泥浆压力对泥浆渗透深度的影响较小。

5 结论

(1)根据细观分析，泥浆成膜过程可表述为膨润土颗粒当泥浆侵入地层时，由于具有内部膨胀等特性，泥浆颗粒在地层内部或者表面形成阻塞，阻塞颗粒群在泥浆压力作用下失水结晶，形成泥膜。最终泥膜形态主要由泥浆颗粒与地层的粒径控制。

(2)采用FLUENT-EDEM耦合计算能够模拟室内试验的泥浆渗透过程，可到不同泥浆颗粒大小、泥浆密度和泥浆压力下泥浆在砂卵石地层中的渗透轨迹和成膜状态，并得到三种类型的泥膜。

(3)根据模拟结果，当地层颗粒直径D与泥浆颗粒直径d的比值D/d<3时，形成泥皮型泥膜；当37时，无法形成泥膜。

(4)数值试验结果表明颗粒相对大小、泥浆密度和泥浆压力这3个参数均对泥浆渗透轨迹和成膜状态存在不同程度的影响，相同条件下泥浆的渗透深度随泥浆密度增大而减小，随着泥浆压力的增大而增大，但泥浆压力的影响较小。