0 引言
近年來，泥水盾構工法以其優(you) 越的壓力控製模式、適合大直徑隧道建設等優(you) 點，在水下交通隧道建設中得到了廣泛的應用。然而，由於(yu) 水下隧道一次掘進距離長、穿越地層顆粒較大、石英含量高等因素，盾構難免會(hui) 出現刀盤刀具磨損、刀盤結泥餅及遇到障礙物等問題，不得不進行開艙檢修。由於(yu) 水下隧道一般不具備地層加固等常壓開艙的條件，故以壓氣工法為(wei) 基礎的壓氣－帶壓開艙方法的使用越來越普遍。當地層透氣性較大時，帶壓開艙前一般會(hui) 進行降低地層透氣性的輔助施工，常用的方法是使用泥漿在開挖麵上形成一層致密的泥膜以降低地層的透氣性。然而盾構停機處多位於(yu) 江河底部，地層滲透性高、水壓力大，如何調整泥漿在開挖麵上形成致密的泥膜、保證開挖麵穩定成為(wei) 工程界關(guan) 注的難題之一。
泥水盾構以壓力泥漿支護開挖麵，泥膜的形成對開挖麵穩定非常重要。已有研究表明，泥漿在不同地層中形成的泥膜大致可以分為(wei) 3類:泥皮型泥膜、泥皮－滲透帶型泥膜和滲透帶型泥膜。關(guan) 於(yu) 泥膜對開挖麵穩定性影響的研究，在過去常采用“薄膜模型”，即認為(wei) 泥膜完全不透水，泥漿壓力全部用來支撐地層土壓力和水壓力，不考慮泥漿的滲透作用對開挖麵穩定性的影響。但在實際工程中，泥漿中的水及細粒會(hui) 向地層中滲透，降低有效泥漿壓力和開挖麵的穩定性。Anagnostou等提出了考慮泥漿滲透的楔形體(ti) ——“滲透模型”，並指出在砂性土中掘進時，開挖麵的支護力可以采用“薄膜模型”計算，而停機時，泥漿滲透會(hui) 降低開挖麵的穩定性。而胡欣雨等在研究泥漿入滲對土體(ti) 剪切強度的影響時發現，泥漿的入滲增大了剪切滑移中的粒間接觸麵積，同時增大了土體(ti) 顆粒間的咬合作用，宏觀表現為(wei) 黏聚力的增大，即對土體(ti) 的穩定性是有利的。以上研究表明:泥漿向地層中滲透一方麵造成了泥漿的濾失，減小了有效泥漿壓力，對開挖麵的穩定不利;另一方麵，泥漿中顆粒滲入地層，增大了地層的黏聚力，有利於(yu) 開挖麵的穩定。
本文以南京長江隧道工程在江底砂礫複合地層中帶壓開艙為(wei) 背景，提出保證開挖麵穩定的泥漿配製方案，並以自製的泥漿滲透裝置開展泥漿配置及泥膜實驗，以期對工程起到一定的指導作用。
1 工程概況及開艙泥漿調整方案分析
1.1 南京長江隧道工程概況及盾構停機情況
南京長江隧道(緯七路)是目前世界上最大的過江公路隧道之一，位於(yu) 南京長江大橋與(yu) 三橋之間，是連接南京奧體(ti) 新城與(yu) 浦口區的一條最直接的快速通道。工程采用“左汊隧道+右汊橋梁”的方案，由北岸浦口區至江心洲段為(wei) 隧道，江心洲至南岸奧體(ti) 新城段為(wei) 橋梁。工程全長5853m，隧道段設計為(wei) 雙管單層隧道，采用2台直徑14.93m的泥水加壓盾構由北岸始發、同向施工，盾構隧道段長約3020m。隧道穿越江麵寬度約2600m，高水位多年平均值8.37m。盾構穿越地層如圖1所示，主要穿越有淤泥質粉質黏土、粉細砂、礫砂及圓礫等地層，地層的基本性質如表1所示。
圖1 南京長江隧道地質斷麵圖
表1 盾構機穿越主要地層的基本性質
當盾構推進到658環附近時(裏程K4+916，盾構進入粉細砂和礫砂複合地層一段距離)，刀盤扭矩明顯偏高，最高達到20MN·m，推進速度降低至2mm/min;同時，排出的渣土中出現直徑20cm以上的卵石和金屬塊。通過對常壓可更換刀具的檢查，發現部分刀具磨損嚴(yan) 重，出現了刀刃崩落的現象，刀盤也遭到損壞。為(wei) 了順利完成後麵近1700m的掘進，不得不停機進行刀具檢修或者更換。
盾構停機位置如圖1所示，位於(yu) 江麵下約53m，其中覆土約25m。其所處斷麵上部約1/4為(wei) 粉細砂地層，滲透係數約為(wei) 5×10－3cm/s;下部約3/4為(wei) 礫砂地層，滲透係數約為(wei) 3×10－2cm/s。在這樣高水壓、高滲透性的地層中帶壓開艙，如何調整泥漿形成致密的泥膜、保證開挖麵的穩定性成為(wei) 是工程中十分關(guan) 注的問題。
1.2 帶壓開艙用泥漿材料及泥漿調整方案分析
由於(yu) 本工程盾構停機處不具備地層加固等常壓開艙的條件，因此采用壓氣－帶壓開艙的方法進行開艙檢修。由於(yu) 停機處地層滲透性較大，帶壓開艙前，需要先進行泥漿成膜、降低地層的滲透性的輔助施工。
盾構穿越淤泥質粉質黏土和粉細砂地層時，地層滲透係數較小，僅(jin) 采用地層自造漿或添加少量膨潤土調整，即可滿足盾構掘進的施工要求。然而進入粉細砂和礫砂的混合地層後，由於(yu) 地層滲透性變大且水壓力大，主要采用密度、黏度都較大的高分子聚合物泥漿。該種泥漿濾失量較小，可以在地層中形成泥皮型泥膜，但是在長時間停機和高溫時(停機時南京正處在7—8月，室外溫度高達35~39℃)，高分子聚合物泥漿不穩定，容易出現變質、黏度降低、老化等現象。因此，在帶壓開艙時需要采用物理穩定性好的膨潤土泥漿或者膨潤土與(yu) 黏土的混合泥漿。
本工程根據已有研究中關(guan) 於(yu) 泥漿滲透對開挖麵穩定2方麵的影響，並結合現場泥漿特性，對開艙泥漿的調整分2步:1)在保證泥漿形成泥膜的前提下，先在壓力艙中以密度小、黏度較低的純膨潤土泥漿在開挖麵地層中滲透一定距離，形成含有滲透帶的泥膜。這樣可以使部分泥漿顆粒滲入地層孔隙一段距離，提高地層的黏聚力，有利於(yu) 提高開挖麵的穩定性。2)形成滲透帶型泥膜之後，再以較大黏度和密度的膨潤土－黏土混合泥漿置換壓力艙中低密度的泥漿，使其在開挖麵上形成致密的泥皮型泥膜，然後再進行帶壓開艙操作。這樣調整後，可以有效的減少泥漿的濾失，降低地層的透氣性。在進艙之前，需要先在實驗室內(nei) 進泥漿成膜實驗，以驗證上述方案的可行性。
2 帶壓開艙用泥漿的配製及泥膜形成實驗
2.1 純膨潤土泥漿配製與(yu) 成膜實驗
第1步調整的泥漿，采用的是Na級膨潤土，分別按濃度3%，5%，8%，12%進行膨化，膨化24h，4組泥漿基本性質見表2。其中，泥漿的黏度采用工程現場常用的蘇式漏鬥黏度儀(yi) 測試，該儀(yi) 器測試清水的黏度為(wei) 15s。以礫砂層作為(wei) 實驗地層，該地層大於(yu) 2mm的粗顆粒占整個(ge) 地層含量的40%左右，滲透係數約為(wei) 3×10-2cm/s，孔隙率為(wei) 0.54。
實驗儀(yi) 器如圖2所示，共進行4組泥漿滲透成膜實驗。首先在實驗柱中裝入5cm厚的顆粒粒徑2~5mm的濾水層(滲透係數約為(wei) 2cm/s)，並在表麵鋪一層濾膜，以保證地層下部集水麵均勻;然後裝入5mm厚的礫砂地層(控製地層的孔隙率為(wei) 0.54，保證每次實驗的地層的充填狀態盡量一致，以減少實驗誤差)。實驗開始前，先采用由下向上的方式用清水對地層進行飽和，地層飽和之後，實驗中測到的濾出水量就等於(yu) 泥漿的滲透量。之後充入21cm泥漿開展泥漿滲透實驗。實驗采用荷載加壓，通過活塞傳(chuan) 遞到泥漿液麵上，一次性加壓0.3MPa(考慮泥水加壓盾構實際施工時壓力艙泥漿壓力與(yu) 地下水壓力差的最大值)。最後打開最下部的排水閥門，同時記錄下泥漿滲透穩定、泥膜形成時的濾水量和成膜時間，作為(wei) 泥膜質量好壞的評價(jia) 指標，並觀察形成泥膜的形態。濾水量越小，成膜時間越短，形成泥膜越致密，泥膜質量也越好。4組泥漿在礫砂地層中成膜實驗結果見表2。
圖2 泥漿滲透成膜裝置
表2 膨潤土泥漿基本性質及成膜實驗結果
由表2可知:濃度3%~5%的膨潤土泥漿黏度較低，密度低於(yu) 1.05g/cm3，在礫砂地層中形成滲透帶型泥膜，但是泥漿損失量比較大，成膜時間較長;濃度8%~12%的膨潤土泥漿黏度在20s以上，泥漿向地層中滲透一定距離後，迅速穩定下來，泥漿損失也比較少，形成泥皮－滲透帶型泥膜(如圖3所示)，且成膜時間很短。
圖3 8%膨潤土泥漿形成的泥膜
2.2 提高密度和黏度的泥漿成膜實驗
在開挖麵上形成泥皮－滲透帶型泥膜後，將泥漿密度提高至1.15~1.2g/cm3、黏度25s以上，開展泥漿成膜實驗。由於(yu) 純膨潤土泥漿的密度一般不大，若用純膨潤土將泥漿密度調到1.15~1.2g/cm3，則其黏度會(hui) 很大，難以滿足泵送要求。因此，考慮以較高黏度的低密度膨潤土泥漿和天然黏土泥漿(盾構穿越淤泥質粉質黏土地層時儲(chu) 存的多餘(yu) 的泥漿)混合，配置密度在1.15~1.20g/cm3、黏度25s以上的物理穩定性高的泥漿，進行泥漿性質和成膜實驗。
1)泥漿物理穩定性。以24h泥漿的析水率表示。泥漿析水率越小，其物理穩定性越好。將泥漿裝入容量為(wei) 1000mL的量筒，24h後的析水體(ti) 積10mL，即24h析水率為(wei) 1%，泥漿物理穩定性很好。
2)泥漿成膜實驗。本次實驗在礫砂地層中進行的，實驗方法和步驟與(yu) 上述泥膜實驗相同，隻是本次實驗是分級加壓，每級施加0.05MPa，同時測量泥漿濾失量隨時間的變化，待泥漿滲透穩定(泥漿的濾水量相鄰兩(liang) 次讀數間差值相同或相近)時，施加下一級壓力，直至0.3MPa(考慮泥水加壓盾構實際施工時壓力艙泥漿壓力與(yu) 地下水壓力差的最大值)，同時繪製泥漿濾水量隨時間的變化曲線，如圖4所示。實驗采取分級加壓的形式是為(wei) 了便於(yu) 觀察泥漿在地層中滲透的過程，同時也可測得某一泥漿在某地層中可承受的最大壓力。實驗結束後，觀察地層表麵形成的泥膜的形態，厚度約5mm，屬於(yu) 泥皮型泥膜(如圖5所示)。
由圖4可以看出:在每級壓力作用下，泥漿在很短時間內(nei) 即達到滲透穩定的狀態，且泥漿的濾失量很小，每min的濾水量約為(wei) 0.6mL，換算到真實的開挖麵(南京長江隧道開挖麵麵積約175m2)上，濾失水量約3m3/2h(滿足濾失水量經驗值:10~20m3/2h)。
圖4 泥漿濾水量變化曲線
圖5 形成的泥皮型泥膜
以上實驗的結果顯示:濃度8%~12%的膨潤土泥漿可以在礫砂地層開挖麵上快速形成含有滲透帶的泥膜;密度1.15~1.2g/cm3、黏度25s以上的膨潤土與(yu) 天然黏土的混合泥漿性質良好，物理穩定性較高，可以在開挖麵上快速形成微透水的泥皮型泥膜。
3 開艙後的泥膜情況
開艙準備工作完成後，分2步置換原泥漿艙的泥漿:1)以濃度8%~12%的純膨潤土泥漿置換壓力艙內(nei) 的舊泥漿，使其在開挖麵上形成含有滲透帶的泥膜;2)再以密度1.15~1.2g/cm3的膨潤土與(yu) 黏土的混合泥漿置換壓力艙內(nei) 的純膨潤土泥漿，使其在開挖麵上進一步滲透形成致密的具有一定厚度的泥皮型泥膜。開艙時，將泥漿艙的泥漿液位降低3~5m，隻以氣壓來支護開挖麵，以便於(yu) 進艙人員觀察和維修。現場氣壓的變化情況(見圖6)顯示，開挖麵上形成了質量良好的泥膜，而且泥膜密閉性較好，氣艙壓力能較好地保持穩定，沒有出現大量漏氣的現象，氣壓有效地作用在開挖麵上，維持了開挖麵的穩定。
圖6 開挖麵上形成的泥膜
4 結論與(yu) 建議
1)泥水盾構停機檢修一般位於(yu) 江河底部，水壓力很大，帶壓進艙檢修時有必要根據地層特點進行泥漿調整來增強開挖麵的穩定性，以確保為(wei) 帶壓開艙提供一個(ge) 穩定的開艙環境，保證進艙人員的安全。
2)在滲透性較大的礫砂地層進行帶壓開艙時，可以采用先以低密度、低黏度的泥漿向開挖麵滲透一段距離，形成滲透帶型泥膜，以提高地層的黏聚力;再以高密度、高黏度泥漿，在開挖麵上形成致密的泥皮型泥膜的泥漿調整方案，進行泥漿置換和調整。
3)南京長江隧道在礫砂地層進行帶壓開艙時，先以濃度8%~12%的膨潤土泥漿作為(wei) 滲透泥漿，使開挖麵地層中形成一定距離的滲透帶，增加地層的黏聚力;再以密度1.15~1.2g/cm3、黏度25s以上的泥漿，在開挖麵上形成致密的泥皮型泥膜，使氣壓和泥漿壓力有效地作用於(yu) 開挖麵上，增強開挖麵的穩定性。
作者：閔凡路，薑騰，魏代偉(wei) ，張亞(ya) 洲
轉自《隧道建設》