泥水盾构泥浆在砂土地层中的渗透特性及对地层强度的影响

曹利强,张顶立,房 倩,粟 威，廖俊华

(1.北京交通大学 隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044;2.贵州中交贵瓮高速公路有限公司,贵州 瓮安 550400)



泥水盾构泥浆在砂土地层中的渗透特性及对地层强度的影响

曹利强1,张顶立1,房 倩1,粟 威1，廖俊华2

(1.北京交通大学 隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044;2.贵州中交贵瓮高速公路有限公司,贵州 瓮安 550400)

对于泥水盾构隧道施工,在有压泥浆渗透到地层的情况下,开挖面表面会形成渗透系数极小的泥膜．通过作用在不透水的泥膜上的泥浆压力来平衡掌子面前方的土水压力,以保证开挖面的稳定．以南京纬三路过江通道工程为背景,选择粒径及级配不同的3种地层,进行室内有压泥浆渗透地层模型试验,探讨有压泥浆在不同地层中的渗透特性及泥浆渗透对地层强度的影响规律．研究发现,对于砂土地层,其渗透系数是影响泥浆渗透深度及泥膜质量的重要因素,渗透系数分别与泥浆渗透深度及滤水量呈线性相关关系,而渗透到地层中的泥浆也会随着地层粒径的变化对砂土地层的剪切强度产生不同且有规律的影响．本文的研究成果可以为泥水盾构合理的泥浆支护压力提供相关参考．

泥水盾构;泥膜;渗透特性;剪切强度

近年来,泥水盾构因其推进速度快、环境影响小、地层适应性强、变形控制好等特点在越江跨海隧道的修建中得到了广泛应用,如武汉长江隧道、上海长江隧道、南京纬七路过江隧道、南京纬三路过江通道、杭州钱江隧道及广深港狮子洋隧道等[1]．

保证开挖面的稳定是泥水盾构施工中的重要部分,它的稳定性是由形成泥膜的质量、泥水压力平衡前方水土压力的程度及开挖面前方土体的强度3个方面综合决定的．

在泥膜的形成机理及泥水压力平衡前方水土压力方面,大部分学者通过室内模型试验及数值模拟进行研究．韩晓瑞等[2]通过自行设计成膜装置开展试验,研究了泥浆黏度对泥膜形成质量的影响规律,详细阐述了泥膜的作用机理及泥膜质量的评价指标．魏代伟等[3-4]通过开展不同性质泥浆在不同地层中的渗透试验,得到开挖面处超静孔压的转化规律及泥浆渗透时泥膜形成的变化规律,提出了用有效应力转化率作为评价泥膜形成质量的重要指标.闵凡路等[5]研究同样颗粒级配、不同密度和黏度的泥浆在同一地层中渗透引起开挖面地层孔压的变化规律及影响孔压变化规律的因素．白云等[6]从泥膜形成的机制入手,将泥水仓中的泥浆视为由液相和颗粒相组成的两相流,将开挖地层视为多孔介质,利用多相流在多孔介质中的渗流特性提出泥膜动态形成的过滤模型,揭示了泥水盾构掘进过程中开挖面的动态平衡过程．王俊等[7]采用离散元数值模拟与室内模型试验相结合的方法研究了砂卵石地层条件下,大断面泥水盾构隧道施工过程中泥膜“生成-破坏-再生成”的动态过程,以及泥浆渗透范围,探讨了不同泥水压力条件下盾构施工对周围环境的影响．刘成等[8-9]采用修正剑桥模型中正常固结黏土各向等压固结曲线规律,建立泥膜固含率与有效应力之间的关系,确立新的泥膜形成本构关系模型,基于离散元程序YADE编制流体与颗粒相互作用及粒间长程引力作用模型,从粒径比、粒间范德华力、流体初始流速及泥浆颗粒密度方面分析了泥浆侵入土层初始恒速阶段的堆积状态,建立了泥膜形成过程的宏细观联系,弥补了传统过滤理论和离散元法未考虑颗粒侵入土层动态形成泥膜的不足．

在开挖面前方土体的强度方面,胡欣雨等[10]采用真三轴仪和环境扫描电子显微镜,分别从宏观和微观的角度初步探究了黏性土层中泥水盾构开挖面的稳定机理,研究不同应力水平下泥浆作用对开挖面土体强度和变形特性的影响,并通过颗粒流数值模拟对实验结果进行了验证．刘泉维[11]以南京长江隧道为研究背景,通过室内三轴试验测定了泥浆配比对砂土地层的影响,得到了不同泥浆配比对砂土地层剪切强度的影响规律．

目前学者们的研究多集中在泥浆渗透地层的作用机理、泥浆性质对成膜质量的影响,以及泥膜维持开挖面稳定的机理几个方面,但是有关泥浆渗透对地层强度的影响研究较少且众说纷纭,大致可以分为泥浆渗透基本未对地层强度产生影响、泥浆渗透地层降低了地层的整体稳定性、泥浆渗透提高了地层的强度[11]3类．

本文作者以南京纬三路过江通道为依托工程,采用室内模型试验,模拟泥水盾构有压泥浆渗透地层的过程,进行了泥浆在不同砂土地层中的渗透特性及泥浆渗透到地层中对地层强度影响的研究．

1 南京纬三路过江通道工程

该工程位于南京市纬七路过江通道下游5 km、南京长江大桥上游4.5 km处,是连接南京主城区与浦口规划新市区中心的关键工程．隧道在江中段采用左右线分离式两管盾构,盾构直径为14.5 m,内设上下层双向四车道,盾构隧道横断面如图1所示．左右两线北岸段均与定向河路相连,与浦珠路相交．隧道北线(N线)全长4 930 m,其中盾构段3 537 m,经潜洲北部过江与主城的扬子江大道相接;隧道南线(S线)全长5 530 m,其中盾构段4 135 m,经潜洲中部、梅子洲尾部过江与主城的定淮门大街相连．

盾构沿线地质环境较复杂,尤其在位于江底的地质环境使盾构开挖面临很大的风险．盾构段较大比例穿越含砂地层,典型地质条件下横断面如图2所示,隧道断面大部分为砂性地层,为了研究有压泥浆在砂土地层中的渗透特性,以及泥浆渗透到地层中对地层强度影响规律,特进行室内试验．

2 泥浆在砂土地层中渗透特性

设计并制作一套室内模型试验系统,模拟有压泥浆渗透砂土地层的全过程,通过测量泥浆在不同地层中的渗透深度、渗透时间、渗透水量及泥膜厚度,观察泥膜的形态,将以上这些数据与地层的渗透系数进行拟合,探究泥浆在不同砂土地层中的渗透特性.渗透特性包括泥浆的渗透参数与地层系数的关系,一般采用泥浆在地层中的渗透量的大小及渗透时间这一指标来评价泥膜的形成质量。渗透量越小、渗透时间越短,泥膜越致密;反之,泥膜越疏松[2, 12]．

2.1 试验系统

试验系统包括加压系统、渗透系统及测量系统3个部分,渗透系统为主要部分,见图3.

图3中,材料为有机玻璃,装置高度50 cm,内径23 cm,外径27 cm,壁厚2 cm,顶部用法兰板通过螺栓杆连接,两层共厚4 cm,法兰板间加密封条,保证装置气密性,上下侧壁开有加压孔与出水孔,用于压缩空气的进入及滤水的排出．

2.2 材料参数

2.2.1 地层参数

依据南京纬三路过江通道的地层现场采样资料,在实验室配制相同配比的石英砂地层进行试验,选择地层的平均粒径d50,1号、2号、3号这三种地层的d50分别为:0.300 mm、0.639 mm、2.498 mm,依据土的分类标准对土样进行分类,定名为粗砂、中砂、细砂、粉砂等,当颗粒大小分布曲线的不均匀系数Cu≥5且曲率系数1

渗透系数是土的渗透能力的综合体现,土的渗透系数会随着土的性质的不同从10-6m/s到10-3m/s间变化,砂土的孔隙率较大,所以其渗透系数较大,3号地层粒径、孔隙率最大,其渗透系数最大,2号地层次之,1号地层最小,图5为3号地层的v-J拟合曲线,1、2号地层的曲线与3号地层类似.

表1为地层的粒径参数及渗透系数．

表1 地层粒径参数及渗透系数

2.2.2 泥浆参数

根据工程类比及室内试验综合得到适合本次试验地层的泥浆配比及特性参数如下:组成材料为清水、黏土、膨润土、Na2CO3、CSHS-1型制浆剂,泥浆配比为1000g∶150g∶100g∶5g∶5g,漏斗黏度为27s,比重为1.125,滤失量为10.8 mL．对盾构泥浆进行评价的指标非常多,如比重、黏度、滤失量、酸碱度、物理化学特性等.其中,比重、黏度和滤失量是泥浆三大主要特性指标,可以采用比重计、黏度计及滤失量测定仪进行测定,见图6．

2.3 试验过程

渗透系统中自下而上分别是砂卵石滤层、地层材料、泥浆材料3层,试验过程中,均匀添加各层材料并采用压缩空气加压(压力为0.1 MPa),将量筒置于出水口处,收集渗透滤水,当出水口处渗流速率为零时,试验完成．依次测量加压之前泥浆在地层中的渗透深度、加压后泥浆在地层中的渗透深度、泥浆的滤水量、渗透时间及形成泥膜的厚度5项内容,以进行下一步分析．其中,因地层材料与泥浆材料颜色分明,可以准确找到分界线,从而得到泥浆的渗透距离,形成的泥膜比较致密,与地层有比较明确的分界线,进而测量泥膜厚度;渗透的滤水量是指从开始渗透到渗透完成后,从渗透装置底部流出水的体积,渗透时间为从开始渗透到滤水速率为零的时间间隔．

2.4 试验结果及分析

试验中测量泥浆在3种地层中的渗透深度,观察发现泥浆的浆液量随着渗透深度的增大而逐渐减小,在渗透最深处,浆液量为零．这是由土颗粒的阻挡作用、土颗粒对泥浆颗粒的黏结作用及泥浆颗粒之间的黏结作用导致的．试验结束后,3种地层均形成了泥膜,见图7.

如图7所示,3种地层泥膜的厚度及致密性却不同,1号地层的渗透系数最小,泥膜厚度最小为1 mm,最致密,形成的是泥皮型泥膜;2号地层的渗透系数次之,泥膜厚度为2 mm,比较致密,形成的是泥皮+渗透带型泥膜;3号地层的渗透系数最大,泥膜的厚度为1.25 mm,泥膜比较疏松,泥膜与渗透带的分界线不明显,形成也是泥皮+渗透带型泥膜．1～3号地层在渗透试验结束后,渗透滤水量依次增大,渗透时间依次增长,这同用渗透滤水量及渗透时间来衡量泥膜形成质量这一评价方式一致．

随着地层粒径的增大,地层的渗透系数逐渐增大,泥浆在未加压时的渗透深度、加压时的渗透深度及渗透水量基本同渗透系数呈线性关系,且最终的渗透水量拟合度极高,如表2及图8所示,表明地层的渗透系数是影响泥浆渗透深度的重要因素,因此在工程中可以通过测定地层的渗透系数来估算泥浆的渗透距离及渗透水量．

表2 3种地层的渗透结果

3 泥浆渗透地层对地层强度的影响

岩土体的破坏模式通常是受剪破坏,所以经常用抗剪强度来衡量其力学性能．直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法,试验是根据库仑定律,土的剪切应力与剪切面上的法向应力成正比这一原理,测量出内摩擦角和黏聚力两个指标(c、φ值),本文采用室内模型试验测量不同砂土地层在干态、湿态及泥浆渗透状态下的抗剪指标,探究泥浆渗透对砂土地层力学强度的影响规律．选取平均粒径具有代表性的3种地层进行试验．

3.1 试验系统

试验装置主体是SDJ-Ⅱ型三速电动等应变直接仪,见图9,其中包含百分表、环刀及加载装置等部．

3.2 试验过程

直剪试验分为干砂直剪、湿砂直剪与泥浆渗透地层直剪3个部分,地层取样保证均匀性,同一直剪试验重复3次,剔除不合理数据,取平均值作为可靠结果,试验采用环刀取样,测量距地层表面1 cm深度处的强度,直剪试验在竖向压力为50 kPa、100 kPa 、200 kP、300 kPa四级压力的加载下慢剪,剪切速率为0.2 mm/min,得到地层的τ-δ曲线如图10所示．选取试样在破坏之前的极限强度作为剪切强度,得到的结果如图11所示,其他地层在不同状态下的结果曲线与3号地层类似．图12所示为土样剪切破坏后的形态．

3.3 试验结果及分析

试验得到了3种地层在3种状态下的剪切强度值,从图13和图14中可以看出,对于同一地层,黏聚力:渗透地层>湿地层>干地层;内摩擦角:干地层>渗透地层>湿地层．这是因为无黏性土的黏聚力主要来自土中水的毛细作用,且黏聚力在Sr=0或1时最小,在Sr=40%～60%时最大[12],湿地层的饱和度介于两者之间,则黏聚力比干地层高,泥浆渗透到地层中,泥浆材料填充地层,泥浆黏粒将地层颗粒黏结在一起;另一方面,除了毛细作用外还存在黏结作用,所以泥浆渗透地层的黏聚力最大;内摩擦角会随着饱和度的增大而减小[12],因为土中的水包围了土颗粒产生了润滑作用,使其摩擦力减小,泥浆渗透到地层中改善了地层的级配,使颗粒之间的咬合更加紧密,使其摩擦力增大,但增大幅度小于水的润滑作用,则干地层的内摩擦角最大、渗透地层次之,湿地层最小．

4 工程意义

研究泥浆在地层中的渗透规律的目的是为泥水盾构在施工过程中确保开挖面的稳定提供理论依据。目前通常采用极限分析法[13-14]及极限平衡法[15-16]研究开挖面的稳定性，其中Anagnostou[16]通过量纲分析得到的极限支护压力公式为：

式中：S′为极限支护压力；D为隧道直径；γ′为土体浮重度；c为黏聚力；Δh为地表与隧道轴线水头差(如果地下水存在)；F0,F1,F1,F3为与内摩擦角相关的量纲为一的系数.

从理论式中可得到，黏聚力及内摩擦角的增大均会减小保持开挖面稳定的极限支护压力。对于含水地层，泥浆的渗透会增大地层的内摩擦角和黏聚力，从而减小了极限泥浆支护压力，更加有利于开挖面的稳定.在实际工程中，可以通过测量渗透地层的强度指标来计算可以维持开挖面稳定的极限压力值，为确定泥水盾构合理的泥浆支护压力提供参考.

5 结论

通过有压泥浆在地层中的渗透试验及3种地层在3种状态下的直剪试验,可以得到以下结论:

1)泥浆在渗透过程中,其在地层中的浆液量随着地层深度的增大而逐渐减小,在渗透最深处,泥浆的浆液量减小为零,这是由土颗粒的阻挡作用、土颗粒对泥浆颗粒的黏结作用及泥浆颗粒之间的黏结作用导致的．

2)对于砂土地层,泥浆的渗透滤水量及渗透深度与渗透系数呈线性关系,渗透系数是影响渗透深度的重要因素,也是影响泥膜质量的重要因素,在形成泥膜的条件下,渗透系数越小,形成的泥膜越致密,渗透系数越大,形成的泥膜越疏松．这是因为,渗透系数小的地层,孔隙率较小,泥浆材料渗透地层后容易将地层添堵密实,形成致密的泥膜,而渗透系数较大的地层,孔隙率较大,泥浆不容易将地层添堵密实,形成的泥膜比较疏松．

3)对于同种地层,地层剪切强度排序为:黏聚力:渗透地层>湿地层>干地层;内摩擦角:干地层>渗透地层>湿地层．水及泥浆的渗透均会增大地层的黏聚力,是因为水会产生毛细作用,泥浆的黏粒会产生黏结作用;水会降低砂土的剪切强度,泥浆的渗透会增大砂土的内摩擦角,是因为水会产生润滑作用,泥浆颗粒添堵地层会改良地层的级配,增强颗粒之间的咬合能力．

4)泥浆渗透地层改变了地层的力学性质．对于含水地层,泥浆渗透增大了地层的内摩擦角和黏聚力,从而降低了保证开挖面稳定的最小泥水压力,可以通过计算得到泥水压力的参考值．

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Seepage characteristics of slurry and its influence on ground strength of slurry shield in sand

CAOLiqiang1,ZHANGDingli1,FANGQian1,SUWei1,LIAOJunhua2

(1.Tunnel and Underground Engineering Research Center of Ministry of Education,Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China;2.Zhongjiao Guiweng Expressway Company Limited, Weng'an Guizhou 550400,China)

During slurry shield tunneling, a filter cake with low permeability will be formed on the working face when pressurized slurry infiltrates into the stratum. To ensure the stability of the working face, the slurry pressure which acts on the filter cake that is almost impervious to water to counteract the soil pressure and water pressure. Based on the Nanjing Weisan road river-crossing tunnel, three kinds of stratums with different grain size and gradations are picked to carry out a model experiment about pressurized slurry infiltrating into the stratum and to investigate the seepage characteristics and the influence law caused by infiltration of ground strength. According to the results, the permeability coefficient is an important factor influencing the permeability depth and the quality of the filter cake. The permeability depth and the amount of infiltration water both present a linear relationship with the permeability coefficient. The shear strengths altered by water and slurry show different change laws with the variation of grain size. The research can provide some references for reasonable slurry pressure of slurry shield.

slurry shield;filter cake;seepage characteristics;shear strength

1673-0291(2016)06-0007-07

10.11860/j.issn.1673-0291.2016.06.002

2015-10-20

中央高校基本科研业务费专项资金资助 (2015YJS107)

曹利强(1991—),男,内蒙古乌兰察布人,博士生．研究方向为隧道与地下工程. email:14115304@bjtu.edu.cn．

U459.2

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