在不同滤饼形成条件下，泥浆护盾隧道掘进中的压力传递模式

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Pressure transfer patterns under different conditions of filter cake formation for slurry shield tunnelling

滤饼形成条件影响饱和砂层中泥浆压力传递机制，通过对比含不同浓度膨润土的泥浆渗透实验发现：外部滤饼结合渗透区时，高浓度膨润土区域孔隙水压力消散速率较原状土低20%-30%，且渗透深度随浓度升高而增加；纯外部滤饼形成时孔隙水压力迅速降至静水压；仅渗透区存在时孔隙水压力消散缓慢，1小时后仍维持较高值。研究揭示了滤饼类型与压力梯度间的定量关系，为盾构施工泥浆压力调控提供理论依据。

　　

陈子龙|郭浩文

哈尔滨工业大学智能土木与海洋工程学院，中国深圳

摘要

在饱和砂土中的泥浆盾构隧道施工中，滤饼对隧道围岩稳定性至关重要，因为它能够有效地将泥浆压力转化为有效的支护压力。滤饼的类型决定了压力在隧道围岩上的传递方式。然而，不同类型滤饼之间的压力传递模式差异尚未得到充分理解。本文研究了在不同滤饼形成条件下的压力传递机制。研究表明，当形成具有内部渗透区的外部滤饼时，渗透到土壤中的泥浆孔隙压力下降速度比原始土壤中的孔隙压力下降速度慢，尤其是在高浓度膨润土的情况下。然而，当膨润土浓度较低时，会有更多的膨润土颗粒进入土壤孔隙。如果只形成外部滤饼，过滤损失会显著减少，孔隙压力会迅速降至静水压力。如果只形成内部渗透区，孔隙压力会逐渐下降，直到泥浆停止渗透。即使在1小时后，孔隙压力也可能保持较高水平。在实际应用中，应根据滤饼的形成情况调整施加的泥浆压力。

引言

在饱和砂土中进行泥浆盾构隧道施工时，通常使用加压膨润土泥浆来支撑隧道围岩。将膨润土涂抹在隧道围岩上会形成滤饼，从而将泥浆压力转化为有效的支护压力。如果没有这种滤饼，膨润土泥浆会不断渗透到砂土中，部分泥浆压力会转化为多余的孔隙压力，导致有效支护压力下降（Anagnostou和Kovári，1994；Bezuijen等人，2001）。在实地研究中，曾在距离隧道围岩107米处的细砂中记录到多余的孔隙压力（Xu和Bezuijen，2018）。然而，实验结果表明，在形成滤饼之前，膨润土泥浆在细砂中的渗透距离仅为几十厘米（Xu和Bezuijen，2019a）。特别是当膨润土泥浆中含有大量细砂（300 kg/m3）时，渗透距离会显著增加（Xu和Bezuijen，2019b）。

目前认为滤饼有三种类型：外部滤饼+泥浆渗透区；仅外部滤饼；仅泥浆渗透区（Krause，1987）。影响滤饼形成的因素包括泥浆性质、土壤类型、泥浆压力和压力梯度等（Fritz，2007；Min等人，2013；Talmon等人，2013；Bezuijen等人，2016；Liu等人，2018；Cui等人，2019；Min等人，2019；Lin等人，2021；Qin等人，2023）。以往的研究主要集中在如何通过过滤损失曲线来判断滤饼的形成。很少有研究探讨不同类型滤饼中的压力传递模式。实际上，压力传递模式对隧道围岩稳定性具有重要意义。如果泥浆压力不能及时有效地转化为支护压力，可能会导致隧道围岩稳定性不足。

因此，本研究进行了三组实验，以模拟三种滤饼形成条件：带有泥浆渗透区的滤饼、仅有外部滤饼的滤饼以及仅有内部渗透区的滤饼。本文将阐述这三种条件下泥浆压力传递的机制，并讨论泥浆渗透区厚度对压力传递的影响。

实验部分

实验

实验在图1所示的装置中进行。直径为10毫米的柱体和一维流动设计用于消除侧向渗流和土壤异质性的干扰。这种设计有助于专注于不同滤饼形成条件下的泥浆压力传递核心机制。

带有泥浆渗透区的滤饼

图3、图4和图5显示，较高的膨润土浓度并不利于第一轮渗透过程中的孔隙压力消散。对于浓度为40 kg/m3、50 kg/m3和60 kg/m3的泥浆，PPT7的孔隙压力在300秒至600秒内降至零。在此之前，较高的膨润土浓度会导致孔隙压力更快下降。在第二轮渗透过程中，孔隙压力下降更为平缓，表明形成了内部泥浆渗透区。

讨论

图9显示，对于浓度分别为40 kg/m3、50 kg/m3和60 kg/m3的泥浆，被捕获在土壤孔隙中的膨润土颗粒数量分别为30、20和10。这些数量是根据不同膨润土浓度的渗透速度计算得出的。结果表明，在相同时间内，较低浓度的膨润土会有更多的颗粒进入土壤孔隙。对于60 kg/m3的泥浆，渗透区上的压力梯度为20；对于50 kg/m3的泥浆，压力梯度为10；对于40 kg/m3的泥浆，压力梯度为6。

图10显示了...

结论

为了研究在不同滤饼形成条件下，通过滤饼或泥浆渗透区的压力传递机制，进行了三组膨润土泥浆在饱和砂土中的渗透实验。为了模拟三种滤饼形成情况，对传统的膨润土泥浆渗透试验进行了一些改进。对于纯膨润土泥浆在饱和砂土中的渗透实验，将形成带有渗透区的外部滤饼。

作者贡献声明

陈子龙：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，方法学研究，概念构建。郭浩文：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源调配，项目管理，资金筹集，概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。