泥水平衡盾构用海水泥浆的改性试验研究

由于海水中富集大量可溶性盐类及各种金属离子成分,利用海水配置的海水泥浆具有比重大、胶体率低、稳定性差、失水量高等特点,不能满足泥水平衡盾构施工要求。为实现对海水泥浆改性以达到利用海水泥浆维持开挖面稳定,降低穿江越海盾构施工成本,选用CMC、纤维素PAC、聚丙烯酸铵等八种添加剂进行海水泥浆性质变化试验,优选出对海水泥浆改性明显的添加剂,分析优选添加剂掺入量和时间对海水泥浆性质的影响规律。同时,基于优选的添加剂CMC利用泥膜形成试验平台进行改性海水泥浆地层渗透试验。研究表明:不同添加剂对海水泥浆性质变化差异较大,增粘剂纤维素PAC、CMC对海水泥浆的改性效果稍好,24h离析出现浑浊层、混合层、絮凝沉淀层。海水泥浆对地层渗透的滤水量大于改性海水泥浆,泥皮也稍厚,但呈稀疏状态。可以推测,添加剂中和部分海水成分,呈絮凝沉淀,多余添加剂表现出对淡水泥浆的增稠作用。     

泥浆在地层中的渗透特性试验研究

保持开挖孔（槽）的稳定性是泥浆在地下连续墙、钻孔灌注桩及泥水盾构工法等工程中最重要的作用,是通过泥浆在地层表面形成泥皮,使得泥浆压力平衡地层的土水压力实现的。其中,泥皮的形成是泥浆在地层中的渗透问题。为了探讨泥浆在地层中的渗透规律,采用多组性质不同的泥浆在多种渗透性不同的地层中开展泥浆在地层中的渗透试验,系统地展示了泥浆在地层中不同的渗透现象。渗透完成后泥浆颗粒在地层表面的堆积形态可以分为：泥皮型、泥皮+渗透带型、无泥皮或渗透带3种类型,并且泥浆在地层中的渗透曲线的类型与泥浆颗粒在地层表面的堆积形态的类型有一定的对应关系。泥浆在地层中的渗透试验过程中渗透流量的大小,不仅可以反映泥浆的渗透类型,还可以作为判断是否形成泥皮的标准。     

泥浆性质对泥水盾构开挖面泥膜形成质量影响

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。以南京长江隧道为背景,详细阐述了泥膜的作用原理及泥膜质量的评价指标,并通过自行设计的成膜装置开展泥浆性质对泥水盾构开挖面泥膜形成质量的影响试验研究。试验结果表明,泥浆颗粒级配及密度相同时,泥浆粘度高,物理稳定性好,则泥膜形成容易,形成泥膜薄、致密,滤水量小。试验结果对泥水盾构施工具有指导意义。     

砂土地层泥水盾构泥膜形成时间及泥浆压力转化率的试验研究

泥水盾构施工中,维持开挖面稳定的关键是要在开挖面及时形成微渗透的泥膜,才能将泥浆压力转化为有效应力来平衡开挖面的土压力。开挖面处的泥膜是动态泥膜,所以泥膜的形成时间是影响泥膜能否有效支护开挖面稳定的重要因素。利用自行设计的泥膜形成时间测量试验装置,在3种地层中,利用5种泥浆开展泥浆渗透成膜试验,研究泥膜的形成时间及相关规律。研究表明,在泥皮型渗透中泥膜的形成时间一般为10 s左右,泥浆性质及粒径对泥膜的形成时间有重要影响。讨论了国内外部分大型泥水盾构泥膜形成时间,发现泥膜从破坏到形成、再到破坏的时间间隔为5～20 s不等,因此,在实际施工中需要调整泥浆性质,使泥膜形成时间小于泥膜从破坏到再破坏的时间。     

低含水率盾构泥浆的真空 电渗联合泥水分离技术试验研究

在地下盾构隧道施工中会产生大量的高含水率泥浆,由于泥浆中含有膨润土及泡沫剂等高分子添加剂,具有高含水、低渗透、塑流性强等特性,在其运输中容易出现抛撒滴漏等环境污染问题,而且在泥浆堆放时会污染环境和占用大量土地资源,有时堆放不当还会形成地质灾害。为此,课题组开展了隧道盾构泥浆泥水分离技术试验研究,首先研制了真空-电渗联合排水试验装置,利用该装置对经过沉淀初步处理的泥浆分别进行真空负压、电渗及真空-电渗联合泥水分离试验。试验结果表明:采用真空-电渗联合泥水分离法优于真空和电渗单一方法,真空-电渗联合方法既可以排出泥浆中的自由水,也可以排出渗透结合水,处理后的泥浆含水率大大降低,接近塑限,泥浆被有效硬化,通过试验优化了真空-电渗联合泥水分离工艺,给出泥水分离步骤,即首先进行沉淀初步处理、再进行电渗排水、进而进行真空+电渗联合排水。从试验结果可以看出,采用真空-电渗联合方法可以有效解决泥浆水分离问题,利于绿色安全运输,大大节约运输成本,而且处理后的泥浆可以直接资源化利用。     

粉砂地层中浓泥土压盾构泥膜效应引起的孔压变化规律试验研究

为了减小盾构机在粉砂地层中掘进时对地层的扰动及地表沉降的影响,针对粉砂地层渗透性大、内摩擦角高的情况,提出一种新型浓泥土压盾构施工技术,使用自制的土舱渗透试验装置,开展了3组不同泥浆添加量下混合土中泥浆渗透试验,研究混合土及地层中孔压的变化,分析应力的传递规律。基于室内试验结果开展了现场孔压监测试验,研究泥浆的添加对地层中孔压的影响。研究结果表明:泥浆添加量大于25%时,在开挖面表层处中出现泥膜效应;盾构掘进过程中泥浆添加量越大,地层中孔压的变化率越小,当添加量达到8m~3/环时,其孔压变化率仅为25%～45%;浓泥土压盾构泥膜类型只有渗透型泥膜,且渗透成膜前伴随泥浆颗粒损失。该研究结果对浓泥土压盾构在实际工程中的应用以及向砂砾石及砂卵石地层的推广具有重要的意义。     

盾构气压开舱条件下的泥膜闭气失效理论研究

近年来,泥水盾构工法在越江跨海隧道中被广泛应用,在泥水盾构施工过程中,带压开舱始终是一个高风险、高难度技术环节。盾构带压开舱能否成功的关键在于泥膜的闭气性能。然而,一直以来泥膜闭气破坏机制、闭气时间及其影响因素从理论上较少探讨。对此,首先考虑了气体对泥膜中孔隙水的驱替作用,建立了泥膜压气从渗流启动-击穿渗透带的多相流模型,提出了泥膜压气渗水量和闭气时间评估方法;然后开展了室内渗透柱泥膜压气破坏试验,验证了所提出理论方法的适用性;最后探讨了气压、地层参数、泥膜厚度、泥浆剪切强度等参数对闭气时间的影响规律,揭示了盾构带压开舱以“泥皮为主、渗透带为辅”的闭气作用。研究成果对泥水盾构带压开舱的安全保障有一定的借鉴意义。     

砂土地层泥水盾构开挖面孔隙变化特征理论研究

为保证开挖面的稳定，泥水盾构压力舱中的泥浆必须及时在开挖面土体表层形成泥膜，泥浆压力才能有效平衡地层中的水土压力。在考虑泥浆渗滤效应的基础上，建立了砂土地层泥水盾构开挖面泥浆恒压渗透模型，分析了渗透时间、泥浆浓度、泥浆压力和地层初始孔隙率对土体孔隙率及泥浆成膜的影响。结合刀具周期性切削作用，总结了泥浆反复渗透引起的开挖面表层土体孔隙率变化规律。基于刀盘、刀具布置形式和盾构掘进参数，分析了盾构掘进期间开挖面支护机制。结果表明：在无刀具切削作用时，泥浆渗透规律主要受到泥浆和地层特性影响；在刀具周期性切削作用下，在相同的切削深度下，刀具切削周期越短，泥膜在开挖面上越难形成；刀具较小的纵向切入速度有利于开挖面上更快形成泥膜；适当减少刀盘上同一轨迹刀具布置数量，降低盾构掘进速度和刀盘转动速度，有利于盾构掘进期间开挖面上泥膜存在面积的增大，对开挖面稳定起到积极作用。     

汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-3孔泥浆技术的设计与应用

汶川科钻WFSD-3孔钻遇地层极其复杂,硬脆碎地层与强水敏性等地层交替出现,给钻进施工带来极大安全隐患。针对该孔特殊地层情况,以孔壁稳定性理论分析为指导,在室内实验研究的基础上,优选出NH4-HPAN、K—PAM、SAS和KHm等抑制剂组成的泥浆体系配方,并结合室内FA无渗透实验以及ZNP-01页岩膨胀性实验对该泥浆配方进行封堵性和抑制性评价,提出了新型泥浆体系,并得以良好应用。还对现场应用遇到的泥浆粘度与切力控制、钻头防泥包技术以及钻水泥塞钙侵处理技术等进行归纳总结,对复杂地层钻进施工具有较好的借鉴意义。     

泥水盾构泥膜动态形成机制研究

随着大直径泥水盾构的广泛应用,盾构掘进过程切削成层土的可能性越来越大,常规的静力平衡的方法不能有效地控制开挖面的稳定。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了泥膜动态形成的过滤模型。此模型将泥膜视为控制体,并认为泥膜形成过程中遵守质量守恒和体积守恒定律,从边界条件上认为单位时间内从单元体内排出水量与土体积的压缩量相等。过滤模型较好地揭示了泥水盾构掘进过程中泥膜的动态形成过程和开挖地层力学性质的动态变化过程,对泥水盾构正面稳定有较为重要的意义。     

泥水盾构泥膜形成二维理论分析

在各种复杂环境下采用泥水盾构法修建隧道工程,需要解决在开挖面上如何及时形成安全有效的泥膜支护问题。采用修正的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,结合圆球形颗粒孔隙理想模型的渗透率以及泥膜固含率、渗透率和比阻三者之间的关系,确立新的泥膜形成本构关系模型。将泥膜形成一维模型拓展为二维模型,基于增量分析方法分析泥膜的增长规律,给出泥膜滤失量和厚度分别与位置、时间、重度比和盾构直径等因素的关系。结果表明,修正的剑桥模型能够较好地表征泥膜压缩固结特性;对于高压泥浆,泥浆重度对泥膜增长的影响较小,但对超大直径的盾构其影响不可忽略。     

泥水平衡盾构开挖面稳定性模型试验研究

在泥水平衡盾构施工过程中,如何确保施工安全并减少对周边环境的影响受到国内外学者的广泛关注,地层土体稳定性问题显得尤为重要,但对于砂质地层开挖面稳定性的失稳机制及其稳定性分析尚处于经验阶段。利用大尺寸模型试验,研究了不同水头高度（无水、0.9 m和1.1 m）下两种地层中开挖面主动破坏的发展模式和受力情况。试验中分析了不同水头高度对开挖面主动破坏的影响,研究结果表明：砂质土层中盾构隧道开挖面失稳时,存在土拱效应,使得地表对开挖面主动破坏的响应存在滞后效应;根据水头高度不同,可将砂质地层中开挖面主动破坏发展模式划分为无水模式、低水头模式和高水头模式;在形成泥膜和提供支护力的过程中,会在砂质土层中产生超孔隙水压力,在确定支护力时,应在静止土压力和静水压力的基础上,考虑超孔隙水压力的影响。研究结果对确定开挖面极限支护压力有重要的指导意义。     

Research and application of mud proportioning optimization of slurry balance shield in mudstone and gravel composite stratum

Slurry performance is one of the key factors to maintain the stability of excavation face when slurry balance shield is tunneling in complex strata. Based on the engineering background of slurry shield tunneling in mudstone and gravel composite stratum of Nanning Metro Line 5, the control variable method and the self-made slurry shield tunneling system are adopted to compare and select the mud admixture and to analyze the influence of the admixture amount and the formation composite ratio on the slurry relative density. Then, the mud permeability law and the dynamic and static mud film forming law under different formation composite ratios, swelling water ratios and slag dosages are analyzed comprehensively by factorial design. The results show that different admixtures have significant influence on the properties of bentonite slurry. Specifically, potassium methyl silicate and potassium chloride can effectively reduce the relative density of slurry, while sodium chloride and sodium silicate can promote the disintegration of mudstone in water. In addition, the slag admixture can effectively reduce the water filtration, improving the film quality and reducing the consumption of bentonite. When the cutter head speed is less than or equal to 2.5 r/min, the formation rate of mud film is greater than or equal to the failure rate so as to ensure the stability of driving face. The mud swelling water ratio suitable for mudstone and gravel composite stratum (composite ratio: 0?1) is 0.1?0.20, the residue content is 100?200 g/kg, and the potassium methyl silicate is 3.75%?7.50%.     

防渗墙粗粒土槽孔泥皮的抗渗性试验研究

通过自制泥浆渗透试验仪,针对粗粒土地基防渗墙泥皮的渗透稳定性问题,开展了护壁泥皮抗渗性能的试验研究。结果表明,泥皮具有明显的截渗作用;不同压差作用下泥浆渗透形成的泥皮具有不同的抗渗特性,压差越大、泥皮越致密,抵抗渗透破坏的能力越强,泥皮的渗透性也就越小;反压渗水作用下泥皮的抗渗性能较正压渗水作用下的抗渗性能差;随着水力作用持续时间的增长,泥皮的结构发生变化,孔隙增大,流速逐渐增大,在较大水力梯度作用下会发生破坏;泥皮的临界水力梯度与其形成时压差作用大小有关,泥皮形成压差越大,正、反向渗水的临界水力梯度越大;反之,临界水力梯度越小。关于泥皮抗渗性能的深化认识,对于完善防渗墙设计与施工具有重要的意义。     

泥浆渗透对盾构开挖面稳定性的影响研究

泥水平衡盾构开挖时,泥浆与开挖面上的土体会形成一层不透水的泥膜,以便泥浆压力有效地作用在开挖面上。但由于刀盘的不断切削,泥膜并不能完全地阻止泥浆对前方土体的渗透,特别是在渗透性较大的砂性土体,或在特殊地质条件下出现泥浆与土体性质不匹配的时候。这种渗透将会减小泥浆对开挖面的支撑作用,过剩泥浆压力将以渗透力的形式作用于开挖面土体。为了定量考虑渗透对开挖面稳定性的削弱,提出了针对泥水平衡盾构开挖面稳定性的泥浆渗透模型。结合极限平衡法的村山公式,考虑泥水的渗透区域与滑动面之间的几何关系对泥水压力进行折减,得到了泥浆渗透模型的开挖面稳定性安全系数,并采用此渗透模型探讨了泥浆渗透对开挖面稳定性的影响。通过与工程算例对比分析表明,实际工程中所需的泥浆压力明显大于“薄膜模型”的计算结果。因此,采用渗透模型进行开挖面稳定性分析是合理、有效的。     

软土地层地下连续墙成槽护壁泥浆研究

含砂性土等软土地层地下连续墙成槽施工,基槽侧壁易扰动坍塌,影响地下连续墙施工质量。降低泥浆失水量、适当提高泥浆粘度和防塌是护壁成槽的关键。结合宁波轨道交通车站基坑地下连续墙成槽施工,采用部分水解聚丙烯酰胺(PHP)、聚丙烯腈钙(CPAN)和硝基腐植酸钾(NKHm)作为添加剂,根据正交试验测定泥浆性能优化配比。研究表明：PHP失水量小,泥皮薄;CPAN和NKHm对降失水量效果明显,粘度适中。将试验结果应用于工程实践,护壁效果好。