（岩土工程专业论文）砂卵石地层泥水盾构泥浆特性对开挖面稳定性影响研究.pdf

中文摘要 随着城市功能的多样化定位以及隧道工程技术突飞猛进的进步，由隧道连接 的快速交通日益成为城市、地区间沟通与交流的重要途径。近年来，由于经济发 展的需要，国内外出现了很多大型的跨海越江盾构隧道工程，并且大都采用泥水 盾构施工，大直径隧道已经成为隧道的发展方向之一。 目前，大型泥水盾构已经在国内得到了较为广泛的运用，但在开挖面稳定性 控制方面仍存在一定问题，特别是在开挖面稳定中起着重要作用的泥浆特性，国 内相关方面的研究也较少，因此，探究泥水盾构泥浆特性，以及泥水渗透对开挖 面稳定性的影响，具有重要意义。 以北京地下直径线为工程背景，利用理论分析、室内试验等手段，针对砂卵 石地层的工程特性，从稳定开挖面和碴土输送两方面入手，对泥浆的特性及其对 开挖面稳定性影响进行了研究，取得了如下成果： ( 1 ) 设计了一套能够模拟泥浆在砂卵石地层中渗透的仪器； ( 2 ) 针对砂卵石地层的特点，通过泥浆的配比试验，综合考虑泥水盾构泥水 系统的设备能力，并结合砂砾石地层中泥水盾构掘进实例，提出了砂卵石地层泥 水特性指标的参考值： ( 3 ) 通过一系列渗透试验，得出了泥浆相对密度、粘度以及渗透压差对泥浆 渗透成膜的影响规律； ( 4 ) 对泥膜的抗渗性进行了研究，通过试验得出了泥浆的渗透时间和渗透压 力对泥膜抗渗性的影响； ( 5 ) 由渗透试验结果，得到了砂卵石地层中泥浆的渗透参数，运用渗透模型， 计算出砂卵石地层中泥浆渗透情况下泥水压力的折减及开挖面稳定性系数。 关键词：泥水盾构；泥浆特性；砂卵石地层；泥膜；泥浆渗透；开挖面稳定性 分类号： a b s t r a c t w i t ht h ev a r i e t yo fu r b a nf u n c t i o na n de n g i n e e r i n gt e c h n i q u e sa d v a n c er a p i d l y , r a p i dt r a n s i tc o n n e c t e db yt u n n e l sh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tw a yo fc o m m u n i c a t i o na n d e x c h a n g eb e t w e e nc i t i e sa n da r e a s r e c e n t l y , w i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，m o r ea n d m o r el a r g es e aa n df i v e rc r o s s i n gs h i e l dt u n n e lc o n s t r u c t i o nh a v eb e e nb u i l ta th o m ea n d a b r o a db ys l u r r yt u n n e lm a c h i n e t h el a r g e d i a m e t e rt u n n e l sh a v eb e e no n eo fd e v e l o p m e n td i r e c t i o n si nt u n n e l i n g e n g i n e e r i n g l a r g es l u r r ys h i e l dm a c h i n eh a sb e e nw i d e l yu s e di nc h i n aa tp r e s e n t b u t t h e r ei ss t i l ls o m ep r o b l e m so nt h ec o n t r o lo ft h ec u t t i n gf a c es t a b i l i t y ，e s p e c i a l l yt h e m u df l u i dp r o p e r t i e sw h i c hp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nf a c es t a b i l i t ya r es e l d o ms t u d i e d t h e r e f o r er e s e a r c h i n gt h es l u r r yc h a r a c t e r sa n dt h ei n f l u e n c eo fi n f i l t r a t i o nt ot h ef a c e s t a b i l i t yi so fs i g n i f i g e n c e b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n di n d o o rt e s t ，a c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n g p r o p e r t i e so f s a n d yc o b b l es t r a t u m ，f r o me x c a v a t i n gf a c es t a b i l i z a t i o na n dr e m o v a lo ft h ee x c a v a t e d m a t e r i a l ，m u df l u i dp r o p e r t i e sa n di n f l u e n c eo fs l u r r yi n f i l t r a t i o nt ot h ef a c es t a b i l i t y w e r er e s e a r c h e d ，as e r i e so fa c h i e v e m e n t sw e r e0 b t a i n e d f i r s t l y , d e s i g n e da l la p p a r a t u st h a tc a ns i m u l a t es l u r r ys e e p a g ei ns a n d yc o b b l e s 仃a t u m s e c o n d l y , a i m i n ga tc h a r a c t e r i s t i c so fs a n d yc o b b l es t r a t u m ，c o n s i d e r i n ge q u i p m e n t c a p a c i t yo fs l u r r ys y s t e ma n dr e f e r r i n gt ot h et u n n e l i n ge x a m p l e so fs l u r r ys h i e l di nt h e s t r a t u mo fs a n d yg r a v e l ，r e f e r e n c ev a l u e so f s l u r r yp r o p e r t i e si n d e x e sw e r ep u tf o r w a r d t h i r d l y , t h ei n f l u e n c el a wo fs l u r r yr e l a t i v ed e n s i t y , v i s c o s i t y , s e e p a g ed i f f e r e n t i a l p r e s s u r et os l u r r ys e e p a g ea n df o r m a t i o no f m u dc a k ew e r eo b t a i n e db ye x p e r i m e n t s f o u r t h l y , s t u d i e dt h ei m p e r m e a b i l i t yo fs l u r r yc a k et h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ， o b t a i n e dt h ei n f l u e n c eo ft h e p e n e t r a t i o nt i m ea n ds e e p a g ep r e s s u r et ot h e i m p e r m e a b i l i t yo f m u dc a k e f i n a l l y , g o tt h es e e p a g ep a r a m e t e r so fs l u r r yi ns a n d yc o b b l es t r a t u mb yt h er e s u l t s o fp e r m e a t i o ne x p e r i m e n t s ；c a l c u l a t e dt h es l u r r yp r e s s u r er e d u c t i o na n ds a f e t yf a c t o ro f t h ec u r i n gf a c es t a b i l i t yw i t l li n f i l t r a t i o nm o d e k e y w o r d s ：s l u r r ys h i e l dm a c h i n e ；m u df l u i dp r o p e r t i e s ；s a n d yc o b b l es t r a t u m ；m u d c a k e ；s l u r r ys e e p a g e ；c u t t i n gf a c es t a b i l i t y c l a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位做作者签名叶尥渗 签字日期：。”彦年多月夕日 导师签名： 秒举 f 签字日期：文一j 年多月7 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名下弛唔 签字日期剐 年莎月日 致谢 本文是在导师袁大军教授的悉心指导下完成的。从论文的选题到最后的付梓， 每一点滴中都凝聚了导师的诸多心血与关怀。导师严谨的治学态度、勤勉的工作 作风和敬业精神以及豁达的胸怀让学生终身难忘。钦佩之余又深受感动，导师不 仅给予学生学业上的指导和生活上的帮助，也教给了我许多做人的道理，这都将 成为我今后工作与学习中的宝贵财富。在本文即将结束之际，谨向导师致以深深 的敬意和最诚挚的谢意! 在攻读硕士学位期间，作者有幸得到了何平教授、张顶立教授、赵伯明教授、 傅洪贤教授、李兴高老师、张成平老师、毛军老师、陈立宏老师、周明连老师等 的指导和帮助，在此表示由衷的谢意! 感谢师兄黄清飞博士在学习和生活中给与的无私指导和帮助! 感谢郭健涛、 王胤、肖衡、尹凡、于娇和苏守一等师弟师妹在试验阶段近半年的陪伴，本文的 成稿浸透着他们辛勤的汗水和智慧! 感谢师兄胡显鹏、王乾、张明富的热情帮助， 同时感谢同门孙立、段苒两年来的帮助和支持! 三年时间里与赵晓勇、路威、黎新亮、张明德、金健伟、唐培连、李云丽、 彭智勇、胡磊、郑智斌、王晓亮建立了深厚的同窗之情，愿我们的友谊之树常青， 祝愿他们在以后的工作中大展鸿图! 最后，要把一份特别的感谢之情献给我的家人，正是由于他们无私的支持与 爱护，自己才能顺利完成学业，感激之情难以言表，唯有图日后报答! 滴水之恩，当涌泉相报! 感谢所有关心和帮助过我的人 1 1 前言 第一章绪论 随着我国城市化进程的加快以及城市建设的迅猛发展，大城市的交通问题日 益严峻，而自1 8 6 3 年英国伦敦建成世界上第一条地下铁道，成为城市大运量快速 公共交通系统的开端以来，地下铁道已成为解决大城市交通问题的最根本方式。 现在全世界己有4 0 多个国家的1 0 0 多座城市修建了地下铁道，共运营线路长达 5 2 0 0k m ，运营线路长度超过1 0 0k m 的有1 4 座城市，拟建或在建地铁的城市有3 0 多个，尤其在伦敦、纽约和巴黎等城市，虽然已建成几百公里的地铁，但随着城 市的发展，还在不断地扩建。我国的地铁起步较晚，但发展迅速，从1 9 6 5 年开始 在北京修建以来，目前上海、天津、广州、深圳、南京和重庆的地铁已经运营， 除了这几个城市以外，杭州、沈阳、西安、成都、苏州等城市都在修建，我国的 地铁建设已经进入到了一个高峰期。 随着经济发展以及工业化水平的不断提高，地下铁道建设的施工方法也经历 了很大的发展，特别是盾构法，以其地层适应性强、施工速度快、对周边环境干 扰少而得到广泛应用，尤其是在建筑物密集的市区，为避免隧道旌工引起城市地 面的变形和施工场地受限制以及对地面建筑、交通等城市环境造成干扰的程度方 面，盾构法有很大的优势。因此，有人将其称为城市隧道工法。 目前，土压平衡盾构和泥水平衡盾构在盾构法中应用较多，特别是土压平衡 盾构由于其成本相对较低、出土效率高、适用地层范围广，施工场地需求小，在 我国各类隧道施工中得到了广泛的应用。但是，随着城市发展的需要，出现了越 来越多跨海越江隧道工程，国外的如德国汉堡的第四条易北河隧道、大贝尔特隧 道及东京湾隧道，国内的如上海延安东路越江隧道、大连路双线越江隧道、复兴 东路越江隧道、上海翔殷路隧道、上吴路越江隧道及正在设计施工准备的沪崇苏 越长江公路隧道、武汉跨越长江隧道等。这些隧道的共同特点是直径大，沿线常 常穿越流砂、砂砾、地下水丰富的砂质粉土等颗粒粗的土层，特别在建筑物密集， 覆土很浅时，若采用土压平衡盾构施工则开挖面易产生砂土的扰动液化，致使开 挖面土体崩塌，产生盾构前方土体塌陷、冒顶。因此，在工作条件恶劣，特别是 如在大量含水砂砾层，无粘聚力、极不稳定土层和覆土较浅的隧道工程，以及超 大直径盾构和对地面变形要求特别高的地区施工时，大多采用泥水盾构施工。 对于大型泥水盾构隧道施工的稳定性控制方面，尚存在一定的问题：如大型泥 水平衡盾构的正常推进、轴线的准确控制、对地面沉降的影响、开挖面平衡和稳 定控制等等。上海大连路隧道、复兴东路越江隧道曾因为开挖面失稳造成地面严 重塌陷，影响工期，造成严重的经济损失。目前，对大型泥水盾构开挖面稳定性 的研究较少，尤其是缺乏对开挖面稳定极为重要的泥水特性的研究。而泥水的特 性与地层条件密切相关，对于北京的砂卵石地层，泥水盾构泥水的特性是开挖面 稳定的关键。 1 2 课题所依托的工程背景 本课题以北京地下直径线泥水盾构施工为工程背景。北京地下直径线为连接 北京两大枢纽北京站至北京西站的地下铁路隧道，是国内第一条在市区地下修建 的铁路全电气化隧道，是北京市首次采用泥水盾构施工的隧道，同时也是国内同 类地质条件下首次采用大直径泥水盾构施工的隧道。 北京地下直径线全长9 1 5 6 k i n ，其中地下线路长7 0 5 k m ，有5 0 5 k m 采用直径 1 1 9 3 m 的泥水盾构进行旖工。线路大致呈东西走向，位于北京市市中心区，布置 在东城区与崇文区、西城区与宣武区、海淀区与丰台区交界处，沿途经过崇文门、 前门、和平门、宣武门、西便门、天宁寺、小马场。隧道起于崇文门大街十字路 口东侧进入地下，在环线地铁( 2 号线) 前门站西侧区间南侧设前门站，再沿前三 门大街( 崇文门至长椿街) 南侧高层建筑与既有环线地铁之间狭长地带，在环线 地铁宣武门站南侧4 号线宣武门站下设宣武门站，线路往西后拐至西便门桥、天宁 寺桥、白云路桥北侧，斜穿白云路桥下至小马场附近出地面。 盾构掘进区间的地层可分三种：第一种地层约占4 7 ，以粉质黏土为主，另加 粉土和粉、细砂：第二种地层约占0 1 0 ，主要为砂层及圆砾、卵石土层：第三种地 层占9 5 2 1 ，以卵石土、圆砾土为主，另加中砂、粗砂、粉质黏土和粉土。盾构掘 进区间主要通过第三种地层，局部地段穿越几种地层交杂的复合地层段并长距离 富水。地层预计最大卵石粒径达n 5 5 0 姗左右。区间隧道地层随机取样筛分试验 粒径比例见图3 ，级配分析如表1 。可见，地层颗粒在0 0 8m n l 以下的比例仅占2 4 ， 2 匕夏銮适厶堂亟堂位迨塞筮二童绪途 1 0 0l i l l n 以上的大于6 0 。 表1 1 地层取样级配分析表 第一次 舞m m i l l 8 0 o 6 3 o 5 0 o4 n o3 t52 5o2 0 o1 6o1 0o5 o o25 01 2 5o 6 3 0o3 15o 1 6 0oo g o 簿底 舜丹筮鱼直登空：盐i 2 i!箜!i !鲢 ! l墅墼塑塑塾l 塑 第二次籀批m 8 0 o6 3 o5 0 o4 , 0o3 1 5 2 5 0 2 0 o1 6 o1 0 o5 o o 2 5 0l2 5o 6 3 0 0 3 1 5 o 1 6 0o 0 8 0 筛庭 塑坌夔金区坌整丝 qq2 1 1丝 31 塑q壑2 1婴墨璺9 12 i2 z墼l 丝 区间隧道长距离穿越富水地带，地层最大渗水系数为1 7 4 l o m s ，最大水 土压力为0 3m p a 。从区域水文地质条件看，第二、四、六结构层的砂卵石层是良 好的含水层。在本工程中，这个含水层的厚度超过t 2 0 m 。东侧第一、三、五结构 层构成的黏性土层厚度逐渐加大，封闭性较好，为孔隙承压水的贮存提供了良好 的条件。 掌 、 搴 墨 襄 艇 段 埯 o o 8 0 6 0 4 0 2 0 o 葶擎尊s 零 靖礼壹经，1 1 1 1 1 1 1 图1 - 1 级配分析曲线 ( 萄ii 标段天宁毒桥盾构始发# ( 萄ii 标段小马厂盖掺竖井 图l - 2 北京地下直径线地层概况 1 3 课题的国内外研究现状 泥水盾构泥水的主要作用是保证开挖面的稳定，不管是在掘进过程中，还是 停机状态下，这一作用在地质状态不稳定且直径大时尤其重要；泥水另一重要作 用就是将开挖出的碴土从开挖面输送至地面上的泥水处理系统。因此国内外主要 从稳定开挖面的角度对泥水特性的进行研究，而开挖面稳定的关键则是泥水在地 3 层中渗透并形成泥膜，因此研究的重点是泥浆对地层的渗透特性。 泥水盾构已经得到广泛运用，但是国内外对于泥浆特性的研究较少，泥浆的 渗透成膜机理复杂，目前还未有理论上的突破，目前主要是通过试验的方法对泥 浆的渗透特性进行研究。 蒋顺清，郭熙灵等对泥水盾构泥浆的配制材料进行了比选，并通过经验类比 提出了南水北调穿黄工程泥水盾构泥浆主要性能指标的控制范围。 程展林眩3 等通过模型试验，对泥浆在中砂和粗砂两种地层的渗透性进行了研究， 得到了泥浆作用时间和排水量的关系曲线。认为在砂质地层中无法形成浸渍式泥 皮或混合式泥皮，即砂层表面以下不可能形成泥、砂混合层。当泥浆浓度小于2 5 时，泥浆象“水 样穿过砂样，无法形成泥皮，并且当泥浆粘度达到一定程度 时( 与砂土孔隙相匹配) ，泥浆将成为一种不能渗入砂土的液体。 韦良文b 3 等认为泥膜的形成既与泥水质量及土层性质有关。提出了泥膜形成 需要的四项基本条件：1 、泥水最大颗粒粒径，只有泥水的最大颗粒粒径的选取与 土渗透系数、粒径之间相互匹配，才有利于泥膜的形成。2 、颗粒级配，泥水的颗 粒级配对泥膜的形成也有很大的影响。3 、泥水密度，泥水密度与粘度、析水度和 泥水配比有密不可分的关系。在粘性土中泥水密度可小些，在砂性土( 砂或砂砾等 土层) 中泥水密度则大些。掘进中泥水比重不宜过高或过低，前者将影响泥水的输 送能力，后者将破坏开挖面的稳定。4 、保证掘削面稳定的虽佳泥水压力。 韦良文h 1 等人通过对泥浆配制材料的优选，研发了适合于上海粘土及砂土地 层的p m s 不分散泥浆，提出了其稳定开挖面的主要机理：( 1 ) 对粘土而言，以大分子 聚合物作包被絮凝剂，以中、小分子聚合物作粘土稳定剂，阻止粘土的分散；对 砂土而言，以大分子聚合物作骨架，中、小分子聚合物作交联剂，形成网架结构， 稳定砂土结构；( 2 ) 采用带正电荷的无机胶体化合物来稳定隧道开挖面和抑制粘土 颗粒膨胀。 秦建设巧1 对砂土地层盾构施工数值模拟计算研究开挖面稳定问题，并与前人 离心试验研究成果进行对比研究，认为：( 1 ) 盾构开挖面前方土体位移量随着开 挖面支护压力的减小逐渐增加，且随着支护压力的减小，水平位移增量逐渐增大， 当开挖面支护压力波动处于极限最小支护压力范围之内时，在埋深为c d = 2 的情况 下，支护压力不足引起地表的沉降量很小。( 2 ) 砂土地层中，盾构隧道开挖面失稳 4 破坏形状表现为：在开挖面前方为楔型状，而在上方呈烟囱状，且其破坏的发展 是由开挖面项部往地表逐渐发展。( 3 ) 砂土地层盾构隧道开挖面稳定问题研究中， 数值模拟计算与离心试验取得较为一致的计算结果，证明了数值模拟计算研究盾 构隧道开挖面稳定问题的合理性。( 4 ) 数值计算能模拟复杂的施工过程，能考虑更 多的开挖面压力施加方式及完善的土体与支护结构的应力及应变监测，其应用于 盾构隧道开挖面稳定研究具有推广意义。 森仁司砸1 等人通过泥水盾构模型试验，得到了砂质地层中过剩地下水压与泥 水最佳特性参数的关系：1 、过剩地下水压达到最小时的可渗比值为1 5 ，该值与地 层粒径、添加材的浓度基本无关；2 、泥水相对密度的最佳值为1 2 ，此时泥水中 有足够多的细颗粒对地层中的孔隙进行充填，此时再增大泥水密度，过剩地下水 压的减小量也极其微弱；3 、抑制过剩地下水压的有效方法是控制泥水的相对密度， 在相对密度为1 2 时，粘度对于过剩地下水压基本无影响。 a n a g n o s t o u 和k o v a r i 7 1 在1 9 9 4 年提出了考虑泥浆渗透的楔形体“渗透模 型 ，以及泥浆渗透时支护力并提出在砂性土中，掘进时候的盾构所需提供的支 护力可以采用“薄膜模型 进行计算。 1 4 课题研究的内容及意义 1 4 1 课题研究的内容 本课题以北京地下直径线泥水盾构施工为工程背景，研究的内容主要包括以 下几个方面： ( 1 ) 设计并加工一套能够真实模拟在砂卵石地层中泥浆渗透成膜的试验测试 仪器； ( 2 ) 通过经验类比及试验确定砂卵石地层泥水盾构泥浆的特性指标； ( 3 ) 探究在砂卵石地层，泥水形成良好的泥膜并确保开挖面稳定所应具备的 特性； ( 4 ) 通过试验确定泥浆在砂卵石地层渗透成膜的影响因素； ( 5 ) 通过泥浆的渗透试验研究泥水渗透对于开挖面稳定的影响。 1 4 2 课题研究的意义 北京地下直径线是国内第一条在市区地下修建的铁路全电气化隧道，第一条 在国内同类地质条件下采用直径l1 9 3 m 泥水盾构施工的隧道，同时也是北京市首 次采用泥水盾构修建的隧道。此外，隧道沿线需穿越地铁环线、人防通道以及新 建地铁四号线，南测地面还有密集高大建筑物，是北京市地下在建风险最大、难 度最高的工程。工程的关键则是控制地表的变形，即保证开挖面的稳定，因此， 对于与开挖面稳定密切相关的泥水特性的研究至关重要，并且可以为以后砂卵石 地层泥水盾构工程提供借鉴。 6 e 五! 窑煎太堂亟堂僮论塞苤：童逛丞盾丝遑筮盐丝拯述 第二章泥水盾构泥浆特性概述 泥水平衡盾构开挖面的稳定是依靠密封舱的压力泥浆来达到的。当泥水渗入 土壤中，形成渗透性非常小的一层泥膜，泥水压力通过泥膜有效地作用于丌挖面， 从而可防止开挖面的变形和崩塌，确保开挖面的稳定。因此泥水盾构施工关键问 题之一是采用适合于工程地质条件的泥水。 2 1 泥水的作用 泥水主要有两大功能，其中最重要的是保证开挖的稳定，不管是在掘进过程 中，还是停下来进行维护，这一功能在地质状态不稳定且直径大时尤其重要。泥 水另一重要功能则是将开挖出的碴土从开挖面输送至地面上的泥水处理系统。 2 1 1 稳定掘削面 泥水稳定开挖面的想法源于地下连续墙的泥浆护壁原理，泥水在掘削面可以 迅速形成隔水泥膜。由于作用于掘削面的泥水压大于地层中的孔隙水压，泥水中 的细粒成分及水通过地层的孔隙流入掘削地层。其中细粒成分填充地层的孔隙， 使地层的渗透系数减小，而泥水中的水分则通过孔隙流入地层，这部分水称为滤 水，对应的水量为滤水量，滤水量使靠近掘削面土层的孔隙水压上升。 图2 1 、伲| i 臭彤厩不蒽图 随着时间的增加地层孔隙被细粒成分填充的越来越密实，地层的渗水系数越 来越小滤水量也越来越小，直至泥膜形成，此时泥水舱内的泥水再不能进入掘削 面前方的地层，而掘削地层中的地下水也不能涌入泥水舱，形成双向隔离作用， 使泥水盾构的推力有效作用于掘削面，保证了开挖面的稳定。 7 黢水皇体衣 删舭 一删_；翥| 一一皇一一 泥水在掘削面上的渗透形态可分为三种： 一种是对于粘土、粉土以及粉细砂等地层，泥水中的水渗入地层，而细颗粒 成分则吸附聚集在土层表面，最后在掘削面上形成一层很薄的泥皮。 第二种是对于粗砂、砾石等孔隙较大的地层，泥水可以通过地层的孔隙流走， 细颗粒不能填充，形成不了泥膜，从而无法保证掘削面的稳定。 第三种是泥水的颗粒成分可以向地层的孔隙中渗透、填充，最后形成泥膜， 泥膜的厚度取决于渗透的距离，此种情况多发生于中细砂地层。 2 1 2 开挖碴土的输送 泥水在与掘削下来的土砂在泥水舱内混和、搅拌之后，由于土层中的固体颗 粒以及地下水会融入泥水中，从而使泥水的特性发生改变。一方面泥水在与掘削 土层混合后应当使土砂保持悬浮状态并保持一定的流动性，这样可以由排泥泵经 管道输送至地面的泥水处离系统。另一方面，输送至地面的泥浆在经过泥水处离 系统之后，大多数粗颗粒都被分离出来，泥浆应能够保持原有特性，以达到可以 循环使用的目的。 2 3 泥浆的一般特性 由于在施工中必须对输送至开挖面泥水的特性进行控制，因此要通过一些主 要特性指标的测量来确定输送泥水是否符合要求。 2 3 1 相对密度 从稳定掘进面效果的方面来讲，泥水的相对密度越大，成膜性越好，另外泥 水相对密度大，对掘削土砂的作用浮力也大，运送排放掘削土砂效果也好。而相 对密度大的泥水流动摩阻力也大，流动性变差，容易使泥水运送泵超负荷运转， 同时泥水、土的分离难度也大。泥水相对密度小，流动的摩阻力小，流动性好， 但成膜速度慢，对稳定掘削面不利。因此在确定泥水相对密度，需从掘削面的稳 定以及设备的承受能力两方面考虑。 2 3 2 粘度 为了确保泥水发挥下列作用，泥水必须有一定的粘度。 防止泥水中的粘土、砂颗粒在泥水舱内发生沉积，保持掘削面的稳定； 防止逸泥现象的发生 8 能以流体的形式把掘削下来的土砂运出，经土、水分离设备虑除废渣，得 到原状泥水。 从泥水成膜特性方面考虑，泥浆需有一定的粘度，保证不发生逸泥现象，但 粘度不能过大，否则不利于泥水以流体形式运出掘削土砂及地表土、水分离。因 此泥水的粘度不易过大也不易过小。 2 3 3 滤失量 滤失量系指泥膜形成过程中，泥水中的颗粒成分填充地层间隙，使地层的渗 透系数变小，而泥水中的水通过地层间隙流入地层的水量。滤水会使地层的间隙 水压上升，地层间隙水压的升高部分称为过从过剩地下水压。滤水量大将导致地 层过剩地下水压增大，即泥水有效压力减小。 2 3 4 物理及化学稳定性 物理稳定性指泥水经长时间静置，泥水中粘土颗粒始终保持浮游散悬物理状 态的能力，通常用界面高度来描述。界面高度指将一定量的泥水静置于量筒一段 时间后，部分土颗粒失去悬散特性出现沉淀，泥水的表层出现清水，底部出现土 颗粒，中间仍为泥水。清水的高度越小，说明泥水的物理稳定性越好。 化学稳定性是指泥水中混入带正电的杂质( 含c a 2 + 、n 矿、m 矿等) 时，泥水 成膜功能减退的化学劣化现象。原因是粘土颗粒带负离子，当遇n c a 2 + 等正离子时， 粘土颗粒就从悬散状态变为凝聚状态，故泥水的粘性增加，泥水中浮游散悬的粘 土颗粒数量锐减，导致泥膜生成困难。实验证明泥水在未遭受正离子污染时的p h 值的范围为7 - - 1 0 ，呈弱碱性。当泥水遭受正离子杂质污染后的p h 值远超过1 0 。故 可以通过测定p h 值来判定正离子造成的劣化程度，从而鉴别泥水的化学稳定性。 2 4 泥浆主要特性的选择 泥水的主要特点应该是根据土质条件，包括水文地质，以及工程的整个环境 而定的。考虑到前面所描述的功能和顺利开挖隧道所需的特性，泥水的特性应由 以下几个指标来确定：1 、粘度，2 、相对密度，3 、滤失量。 2 5 有效的泥浆材料 泥水盾构所需泥水由四类材料组成：( 1 ) 膨润土； ( 2 ) 有机物和化学物质； 9 大多是水溶的聚合物和各种化学盐；( 2 ) 水；( 4 ) 掘削土层中的粘土颗粒及地下 水。 膨润土的性质对于泥浆的性能来说极为重要，因此需要对膨润土及其浆液的 性质进行重点介绍。 a 、膨润土的物质组成及水化机理 膨润土( b e n t o n i t e ) ，又叫斑脱岩或膨土岩，系1 8 8 8 年美国地质学家w c k n i g h t 发现，以美国怀俄明州落基山附近的钠基膨润土产地“f o r t b e n t o n ”命名为 “b e n t o n i t e 。原是指比普通可塑性粘土吸收更多的水量( 按质量计算约5 倍) ，且 体积膨胀显著( 比干燥状态约膨胀1 5 倍) ，并呈凝胶状态的黄绿色粘土。1 9 7 2 年在 西班牙马德里举行的国际粘土会议上，r e g r i m 提出了膨润土的广泛定义，认为 “膨润是以蒙脱石类矿物为主要组分的岩石，是蒙脱石矿物达到可利用含量的粘 土和粘土岩 。 ( 一) 粘土矿物的两种基本构造单位 硅氧四面体：每个四面体中都有一个硅原子与四个氧原子( 或氢氧) 以相等的距 离相连，硅在四面体的中心，四个氧原子( 或氢氧) 在四面体的顶点( 见图2 2 a ) 。硅 氧四面体在大多数粘土矿物中排列成六角形的网格( 见图2 2 b ) 。 铝氧八面体：由两层紧密堆叠的氧和氢氧组成，铝( 或镁) 原子居于中间成正八 面体( 见图2 3 a ) 。图2 3 b 是铝氧八面体的片状构造，在此八面体层内，铝原子占 据了2 3 的八面体位置，空余的位置用星号标记。 伞一事卅一b o 辘硅 图2 - 2 硅氧四面体 氧 氢瓴彩铝 图2 - 3 铝氧八面体 ( 二) 蒙脱石的晶体构造 蒙脱石的每一构造单位由两层硅氧四面体和夹在它们中间的一层铝氧八面体 组成，每个四面体顶端的氧都指向构造层的中央，而与八面体所共有。此种构造 单位层沿a 轴和b 轴方向无限铺开，同时沿c 轴方向又以一定i u - 距( 1 4a ) 重叠起来， 构成晶体( 如图3 5 ) 。将图3 5 投到一个平面上得图3 - 6 。重要的是，四面体层中 1 0 的部分s i + 4 可被灿+ 3 取代，八面体层中的舢+ 3 可被f e + 2 、m g + 2 、z n + 2 等阳离子取 代。由于a 1 + 3 - - ) s i + 4 和m g + 2 一砧+ 3 的晶格取代，晶体带负电，能吸附较多的阳离 子，有较强的离子交换能力。同时晶胞间靠微弱的分子间力连接，晶胞连接不紧 密，水分子容易进入两个晶胞之间发生膨胀，水化分散性能较好( 造浆能力强) ，是 制配泥浆的优质材料。 由于蒙脱石层间水和层间可交换阳离子，按蒙脱石所含可交换阳离子种类、 含量和结晶化学性质等，可将膨润土划分为钠基膨润土( 碱性土) 、钙基膨润土( 碱 性土) 和天然漂白土( 酸性土或酸住白土) 三种。其中钙基膨润土包括钙钠基、钙镁 基等膨润土。 ( 三) 粘土水化作用产生的原因及其方式 粘土表面直接吸引水分子而水化 粘土颗粒与分散介质水之间存在着界面，根据能量最低原则，泥浆中的粘土 颗粒必然要吸附水分子和其他有机处理剂分子于自己的表面，以最大限度地降低 体系的表面能。粘土颗粒表面通常带负电而水分子又是极性分子，因此，水分子 可以受粘土表面静电引力而定向排列，浓集在该土粒表面。此外，粘土晶格里有 氧或氢氧层，均可以与水分子形成氢键而吸引水分子。 粘土表面间接吸引水分子而水化 在粘土表面的吸附溶剂化层里，紧密地连结着若干阳离子，这些阳离子的水 化给粘土颗粒带来了水化膜。 6 0- 1 2 4 s i 1 6 4 0 + 2 f m 0一j 0 4 a l+ 1 2 4 0 - 2 ( 0 1 1 )一j 0 4 s i4 - 1 6 一1 2 4 4 - 4 4 = 0 o 辘囝麓氧铝 o 硅 o 瓴 鲺瓠 o 铝硅 图2 4 蒙脱石的晶体构造( 立体图)图2 5 蒙脱石的晶体构造( 平面图) ( 四) 不同的交换性阳离子对膨润土水化的影响 弧 黪 粘土吸附的阳离子不同，形成水化膜的厚度亦不相同。例如，钠蒙脱石的水 化膜比钙蒙脱石的水化膜厚得多。钙蒙脱石水化时晶胞间距最大约1 7 4 ，而钠蒙 脱石水化时却可达4 0 a ( 见图2 6 、图2 7 ) ，甚至更大。 b 、膨润土泥浆的基本性质 膨润土泥浆中的粘土颗粒多数在悬浮体范围( o 1 2 微米) ，少数在溶胶范围 ( 0 1 1 毫微米) ，泥浆是粘土一水的胶质悬浮体系，具有胶体和悬浮体的性质。 ( 一) 泥浆是不均匀分散体系( 或称多相分散体系) 。所谓相系指物理化学性质 均匀的部分，相内部是不存在物理界面的。均匀分散体系是由一相所组成的单相 体系，如溶液，在溶液里分子与离子和分散介质之间是不存在物理界面的。胶体 分散体系则不然，它是多相所组成，在胶体颗粒和分散介质之间是存在物理界面 的，故称多相分散体系。例如泥浆中的粘土胶粒与水之间是有界面的，改变粘土 水界面的性质则可改变泥浆的性质。 ( - - ) 泥浆是表面积特大的分散体系。随着分散相颗粒的分散程度增大，颗粒 变小，颗粒的表面积( 相界面积) 增加很大，单位体积物质的总表面积( 称比面积) 增 加很大。 ( 三) 泥浆是不稳定的分散体系。这是由于胶体体系有巨大表面积引起的。如 图2 8 所示，对于处在液体内部的分子a ，四周分子对它的作用力是相等的。但 处在表面的分子b 则不同，液体内部分子对它的吸力大，而外部( 如空气) 气体分子 对它的吸力小，总的说来表面层分子受到向内的拉力( 净吸力) ，假如内部分子要转 移到表面去，就需对抗净吸力做功，也就是说表面分子的能量比内部分子的大， 表面分子多出的这部分能量特称表面能，表面分子具有表面能是物体表面的重要 特点。 1 2 ( a ) 在干空气中( 晶胞间距9 8 a ) ： ( b ) 在澎空气巾( 鼬胞汹距为1 2 5 彳) ： ( c ) 水的悬浮体 图2 6 钠蒙脱石的水化作用 3 匕 i 7 k ：a ，、 ( a ) 在干窄气中( 龋胞网距1 2 1a ) # ( b ) 在澎空气中或水的憨浮体( 由下 水化。晶胞阃距为1 7 a ) 图2 7 钙蒙脱石的水化作用 图2 - 8 表面与内部分子的差别 若用。代表单位表面的表面能( 称比表面能) ，i s 代表总表面积，则体系的表 面能= o 么s 。根据热力学第二定律，在温度、压力一定的条件下，体系表面能有自 发减小的倾向，这就是表面能的作用原理。表面能及其作用原理，在具有巨大界 面的高分散多相体系中具有根本性的意义。从上式可以看出，降低体系表面能有 两条途径，一条是缩小表面积，另一条是减小比表面o ，前者引起一系列的毛细管 现象和胶态体系的聚结不稳定性，后者引起吸附作用。泥浆是粘土水的胶质悬浮 体系，分散在水中的粘土细粒具有巨大的表面积，因此，它们亦有聚结合并和吸 附作用( 都是自发进行的) ，以使体系的表面能减小。依上所述，g 的物理意义是在 指定条件下增加一单位表面积时体系能量的增加值，单位是尔格厘米2 。因为尔 格= 达因厘米，故可改写为达因厘米，这样就可以把它看成是作用在界面边缘 一 bl 一 每厘米长度上的力。就这个意义讲，亦可称g 为表面张力。 以蒙脱石为主的膨润土，其水化分散、吸附性能较好，是配制泥浆的优质材 料 c 、膨润土泥浆的流变性 泥浆流变性是指它的流动和变形特性( 主要是流动性) 。如泥浆的塑性粘度、 动切应力、表观粘度、切力和触变性等性能都属流变性。 对于水等大多数纯液体，它们属于牛顿流体，其流动特性是：加很小的切应 力就能发生流动，而且流速梯度与切应力成正比，即这类液体的流动遵从牛顿内 摩擦定律。而一般泥浆属于非牛顿流体，它的流型为塑性流型。 非牛顿流体的流动特性是：施加的切应力必须超过某一最低值( fs ) 之后才能开 始流动；当t 乙酸 丙酸 丁酸， 而溶剂( 水) 的极性最大，故极性很小的活性炭较易吸附丁酸，其吸附次序为丁酸 丙酸 乙酸 甲酸。 ( 4 ) 温度对溶液吸附的影响。吸附均为放热过程，一般说来，温度升高吸附 量降低。但还应考虑温度对溶质溶解度和浓度的影响。例如，炭自水溶液吸附丁 醇时，随着温度升高吸附量反而增加，这是因为温度升高，丁醇在水中的溶解度 降低，此处溶解度降低超过了温度升高对吸附的影响，故吸附量增加。 1 6 ( 5 ) 同一吸附剂的性能常因制备方法不同而有很大差异。 总之，预测溶液吸附时，必须考虑溶质、溶剂、吸附剂三者之间的复杂关系。 f 、膨润土泥浆的失水及泥饼厚度 水是水基泥浆的分散介质，它在泥浆里呈三种形态，即化学结合水、吸附水 和自由水( 图2 9 ) 。自由水在压差作用下会向具有孔隙的地层渗透，造成失水；随 着泥浆水分进入地层，泥浆中的粘土颗粒便附着在孔壁上成为泥皮( 泥饼) ，同 时也有颗粒进入到地层孔隙里，这就反过来阻止了失水的继续进行( 图2 1 0 ) 。 下面分析一下井内的泥浆失水过程。从钻头破碎井底岩石形成井眼的瞬间开 始，泥浆、泥浆水便向地层孔隙渗透。在一段很短的时间内泥饼尚未形成，此时 的失水量称为瞬时失水量。接着，在泥浆循环的情况下泥饼形成、增厚、直至平 衡( 厚度保持不变) ，而单位时间内的失水量也由开始的较大逐渐减小以至恒定，这 一段属于动失水过程。当钻进若干时间以后，开始起钻、停止循环泥浆，这时由 于泥浆液流冲刷泥饼的力量不存在了，随着失水过程的进行泥饼逐渐增厚，失水 也逐渐减小，这是静失水过程。静失水的失水量比动失水小，泥饼则比动失水的 厚。起下钻结束后，又继续钻进、循环泥浆，于是从静失水又进到动失水，而这 次的动失水与上次有区别，它是经过一段静失水、产生了静失水所形成的泥饼之 后的动失水，其数值要比上一次小。就这样周而复始，单位时间里的失水量 在逐渐减小，泥饼大体保持一定的厚度( 增长很慢了) ，累积失水量也达到一定的数 值，这就是井内泥浆失水的全过程。如果我们想控制渗入地层的滤液量，就必须 控制动失水；如果我们想控制附着在井壁的泥饼厚度，则必须控制静失水。 图2 - 9 水在泥浆中所成的状态图图2 1 0 泥膜形成示意图 1 7 霾鬻毳 一一一一一一 一一一一一一 一一一一一一 拳 表 木 木 木 木 农 晨 束 由上述可知，泥饼的厚度是与失水量有关的，失水量越大，泥饼亦越厚。然 而，失水量并不是决定泥饼厚度的唯一因素，对于不同的泥浆，泥饼厚度相同， 但失水量可能不同；反之，失水量相同，泥饼厚度亦可能不同。 影响瞬时失水量的因素有井内液柱压力与地层压力之差( 简称液柱压差) 、泥浆 及其滤液的粘度、泥浆中固相颗粒的尺寸和分布，以及泥浆在地层孔隙的入口处 是否能迅速形成“桥点 ( 即被挡在孔隙入口之外) 等。 泥浆失水是一种渗滤现象。静失水的特点是泥浆处于静止，作为渗滤介质之一 的泥饼( 另一介质是地层) 的厚度是个变数，它随渗滤时间的延长而增厚。通常，泥 饼的渗透率远小于地层的渗透率。 研究证明，低压差时，不同泥浆所测得的失水量虽然相近，但高压差下却可 能有较大的差别。膨润土泥浆的泥饼在高压作用下变得致密，压差愈大就愈明显。 使其高压差下的失水量与常压差者接近，这对控制井下的失水量是十分有益的。 此外，温度对泥浆失水量的影响还通过改变泥浆中粘土颗粒的分散程度、水 化程度、粘土颗粒对处理剂的吸附，以及改变处理剂特性等方面来作用。随着温 度上升，分子热运动加剧，粘土颗粒对水分子、处理剂分子的吸附减弱，解吸附 的趋势加强，使粘土颗粒聚结合并和去水化，故失水量上升。其变化规律是：在 到达某个极限温度以前，失水量随温度上升而略有增大：超过某个温度后，失水 量便显著增大。一般，将这个极限温度称为该种泥浆处理剂的抗温能力。 对泥饼进行仔细观察会看到在它的表面上有一层疏散的、类似“胶冻状 的 泥饼层，“胶冻状泥饼层的剪切强度很低，在“胶冻状 泥饼层( 又称“过渡 层 ) 的下面才是真正的泥饼，它的强度是“胶冻状 泥饼强度的2 0 0 倍左右。 最重要的是泥饼的渗透性，致密的、渗透性小的泥饼是控制失水量的关键， 也是获得良好的护壁性所必须的。方法是：( 1 ) 使用膨润土。膨润土颗粒细、呈片 状、水化膜厚，故能形成致密的泥饼，而且可以在固相较少的情况下满足对泥浆 滤失性质和流变性质的要求。( 2 ) 加入适量纯碱、烧碱、或有机分散剂( 如煤碱液等) ， 提高粘土颗粒的电位、水化程度和分散度。( 3 ) 加入c m c 或其他聚合物以保护 粘土颗粒，阻止它们聚结，从而有利于提高分散度。同时，c m c 和聚合物沉积在 泥饼上亦起堵孔作用，使失水量降低。( 4 ) 加入一些极细的胶体粒子( 如腐植酸钙胶 状沉淀) 堵塞泥饼孔隙，以使泥饼的渗透性减小、抗剪切能力提高。 1 8 2 6 本章小结 ( 1 ) 泥水盾构泥水有两大作用，一是稳定开挖面，二是将掘削下来的碴土顺 利输送至地表，其中第一点是最重要的，特别是对于不稳定地层以及大直径的泥 水盾构尤其重要。 ( 2 ) 泥水通过对掘削面前方的土体进行渗透，形成的泥膜可以将泥水舱中的 泥水与土体隔离，使泥水压力有效作用于开挖