准三轴应力条件下泥浆渗透及泥皮护壁研究
吴笛，乌效鸣，黄河，张轶²，祝强
（1.中国地质大学（武汉）工程学院，潮北武汉430074；2.上海隧道工程股份有限公司，上海20000）
[摘要]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性非常重要，尤其在高渗透性地层，泥浆极易穿透地层直接渗出而不能形成所需的支护压力.以武汉典型地层为例，通过自主研发的准三轴泥浆渗透测试仪 器，测试在地层应力作用下泥浆的渗透性能.试验结果表明：上覆土层压力及侧压力对泥浆的渗透有较大的阻碍作用，同时通过测试泥皮的抗剪强度，验证泥皮的护壁作用.
[关键词]盾构；泥水盾构；准三轴；渗透性；泥膜；抗剪强度
[中图分类号]TU744[文献标识码]A
[文章编号]1002-8498(2017）12-0064-03
StudyonthePermeabilityofSlurryUndertheConditionofQuasi ThreeAxisStressandWallProtectionFunctionofFilter-cake
WU Di' WU Xiaoming' HUANG He' ZHANG Yi² ZHU Qiang( 1. Engineering Facaly Chine Unisersity of Geosciences W'shan Bfubei 430074 Chine ; 2. Shanghai 7unnel Enginering Go. Izd. Shanghai 200000 China)
Abstract ; In slurry shield the working face is supported by the pressed slurry. So it is very important to build up a filter-cake to protect the working face especially in highly permeable ground where the slurryis easy to penetrate the ground without allowing to build up the required support pressure. Taking thetypical strata in Wuhan as an example the penetration performance of slurry was tested under the actioninstrument. Experiment resuls show that the penetration of the overburden pressure and lateral pressure of of formation stress by means of self-developed quasi three dimensional mud penetration testingslurry has a large resistance and through the shear strength test of filter-cake the effect of filter-cake onthe stability of the wall was verified.
Key words ; shielding ;slurry shield ; quasi three axis:permeability ;filter-cake ;shear strength
泥浆以其材料易获取、良好的护壁作用和携渣应土层上对泥浆渗透率也有较大影响，由于地层原 际施工中，上部地层压力及周围地层围压作用于相盾构开挖面的稳定是依靠密封舱的压力泥浆来实在地层中渗透测试装置，测试土层在实际施工条件 下的渗透率及成膜性能研究，为泥水盾构工程中泥
0引言
能力等优点，在地下连续墙、钻孔灌注桩、泥水盾构有的致密结构也能在一定程度上降低泥浆的渗透隧道等工程中得到广泛应用3.其中，泥水平衡率，影响泥水盾构平衡.本文通过自行设计的泥浆现的.当泥水压力大于地下水压力时，泥水渗入土壤中，形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，被浆的配制选择提供理论依据.透性非常小的一层泥膜.由于泥膜形成后，泥水压力可更加有效地作用于开挖面，从面可防正开挖面 的变形和崩場，并确保开挖面稳定.
捕获的颗粒凝聚于土壤与泥水的接触表面，形成渗1泥皮的形成原理及其作用机理
如图1所示，在盾构中为了保证开挖面稳定，泥浆压力必须平衡于开挖面处的土水压力，泥浆压力 以孔压的形式存在，平衡地层中水压力较容易；而平衡地层中土压力则必须在开挖面上形成不透水或微透水的泥膜，将部分泥浆压力转化为有效应力才能实现.
目前泥浆在地层中的渗透性及成膜研究大多只考虑了泥浆作用于土层上的压力，而实
泥水盾构采用加压膨润土泥浆支护开挖面，泥
2试验材料与方法
2.1试验材料
2.2试验方法
图1泥水盾构开挖面稳定机理Fig. 1 Stability mechanism of slurry shield
浆悬浮液在操作压力作用下通过开挖面土体间隙流人地层，泥浆中细粒成分充填土体间原，导致滤失量减小，地层中产生超孔隙水压力，超孔隙水压工进展不断变化.未进人地层的泥浆颗粒吸附聚 力增加到某一数值时开始消散，这个数值伴随着施集在开挖面上，形成透水性小的致密泥膜，泥膜的形成阻止泥浆进一步向地层渗透，保持了泥水舱内的泥浆压力，同时不透水的泥膜将部分泥浆压力转化为有效应力作用于开挖面上，平衡前方地层土水 压力，起到临时支护的作用，保证了开挖面的稳定.
1）地层材料试验选用实际工程所在地的武汉典型地层，主要为粉质黏土、粉细砂、中粗砂、泥 岩.将原状土破碎过筛，按照原状土上部土层应力、含水率等特性制作标准重塑土岩样，其压制标准如表1所示.
表1重塑土压制标准
Table 1 The paction standard of reconstituted soil
上部土层 天然重度/ 含水 涉透系数/土样 应力/MPa (kNm-²) 率/% (em-s)粉质黏土 粉细砂 0.15 0.40 17. 9 18.0 32. 6 10.0 9.2×10-3 6.5 x10-3中粗砂 银岩 0.50 0.55 25. 0 19.0 10.0 14. 0 2.8 ×10 -2 9.1 ×10-4
2）泥浆材料 本试验采用施工所用泥浆体系：4%膨润土0.05%CMC0.1%纯碱，其密度为1.07g/cm²，漏斗黏度为26s，失水量24mL，泥皮厚度0. 8mm pH 8. 0 .
参考P.Fritx在泥膜研究中使用过的装置并进行了改进.该装置由岩心夹持器、有机玻璃管和氮气瓶组成，有机玻璃管直径为2.5cm、高40cm，岩心夹持器直径为25mm.试验过程中将重塑土放人岩心夹持器中，向有机玻璃管中注人100mL泥浆， 并用氮气瓶施加轴压和围压，即实际盾构的泥浆压力和地层压力，记录渗透过程中的滤液体积及形成泥皮情况万灰原理如图2所示.
图2装置原理
Fig. 2 The device principle
3试验结果与分析
3.1武汉典型地层渗透性研究
按照武汉地质勘察报告，根据土层实际埋深设置地层压力和泥浆压力模拟实际工程效果.地层 压力及泥浆压力设定值如表2所示.
表2实际地层压力
Table 2 Actual formation pressure MPa土样 地层压力 泥浆压力粉质黏土 粉砂 0.30 0.86 0. 12 0. 48中租砂 1.06 0. 53混岩 1. 13 0. 58
经过2h试验，在量简端无液体溢出，取出待测土样，如图3所示，测量泥皮厚度并将土样切片，使用显微镜观察泥浆渗人深度，如表3所示.由渗透 结果可知，在施加围压的条件下，泥浆在土体中的渗透变得更加困难，泥浆颗粒更容易吸附在地层表面形成泥膜.形成泥膜后，泥浆的渗透等同于要经浆的有效应力，保证地层稳定.对于泥岩和粉质黏 过2层地层，有效地阻止了泥浆的渗透过程，维持泥土的渗人深度，尽管泥岩的渗透系数和泥浆压力均大于粉质黏土，但由于泥岩所在深度的地层压力远大于粉质黏土，泥浆的渗人深度反面小于粉质黏土.因而在实际施工过程中，地层应力对于抵抗泥 浆的渗人有很大作用，可根据实际进尺要求适当提高泥浆压力，以保证泥膜的快速形成，维持泥水平衡.
图3形成泥膜
Fig.3Formation of filter-cake
3.2泥皮护壁性能测试
4现场施工建议
表3泥皮厚度及泥浆渗入深度
Table 3 Filter-cake thickness and slurry
penetration depth mm土样 泥皮厚度 涉人深度粉反黏土 粉细砂 2. 184 1. 325 10. 356 18. 778中相砂 泥岩 1. 043 2.143 22. 536 7. 453
将直径72mm、高130mm的砂样在膨润土泥浆中浸泡12h后，表面形成泥皮，使用三轴试验来确定泥皮的抵抗变形能力，如图4所示.结果表明，试样样表面的抗剪强度为0.74N/cm²，如图5所示.虽 在三轴试验中虽然发生变形，但仍与泥皮结合.试然这个力很小，但却防止了砂的坍塌.这样小的抗剪强度，也可以支持一个位于砂砾地层没有护壁泥浆的高2-3m的沟槽，而不会发生塌，说明槽壁上形成泥皮时，稳定性大大增加.
图4试验砂样
Fig. 4Test specimens
Fig. 5 Three axis test results of sand with filter-cake 图5带有泥皮的砂样三输试验结果
该盾构施工地质情况复杂、工期紧，泥浆使用量大，泥浆各项指标极易变化，为此，施工过程中使纯碱等材料方数据 用膨润土制备泥浆的同时，需配备羧甲基纤维素、
5结语
参考文献：
泥浆的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：因此，实际施工根据出浆的密度调控泥浆.通过不断加入膨润土维持泥浆密度在稳定范围内.
另外，对于同种地层，泥浆颗粒级配及密度容易，形成的泥膜越薄越致密.因此，在施工过 相同时，泥浆黏度越大，析水量越小，泥浆成膜越程中需补充增黏剂（羧甲基纤维素）维持泥浆的黏度.
1）盾构中为了保证开挖面的稳定，泥浆压力必须与开挖面处的土水压力平衡，泥浆压力以孔压的形式存在，平衡地层中水压力较为容易：而平衡地层中土压力则必须保证开挖面上形成不透水或微透水的泥膜，将部分泥浆压力转化为有效应力才能 实现.
2）通过自行研发的准三轴泥浆渗透性分析仪器试验，对比其渗透时间和渗透深度可知：随着渗透系数和泥浆压力的增大，泥浆的渗入深度越大，其中中粗砂达22.536mm：对比泥岩和粉质黏土， 泥岩的渗透系数是粉质黏土的10倍，其泥浆压力也较大，但泥浆在泥岩中的渗透深度为9.435mm，小于粉质黏土，说明围压对泥浆渗透有较大阻碍，即实际施工中，上覆土层压力及侧压力将有效地 减少泥浆在地层中的渗透，降低泥浆有效应力的流失.
3）通过泥皮的抗剪强度测试，测得砂性土表面抗剪强度为0.74N/cm，验证了泥皮的护壁作用.
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