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。     

考虑动态泥膜效应的盾构开挖面稳定理论研究

泥水盾构工法被广泛应用于高压富水复杂地质环境中修筑隧道,其中开挖面稳定控制是工程成败的关键,在盾构掘进时,由于刀盘不断旋转切削地层,开挖面上的泥膜处于“形成―破坏―再形成”的动态循环过程,泥膜透水性增强,这种动态泥膜作用下开挖面的稳定如何评价有待于进一步探索。对此,对泥水盾构掘进过程中的动态泥膜进行了分类,提出了考虑盾构运动和泥浆渗滤特征的动态泥膜理论。在此基础上,采用空间离散法将泥水压力引入旋转体模型,建立了考虑动态泥膜效应的开挖面稳定力学模型,提出了泥水盾构动态掘进过程中开挖面临界泥浆压力及泥浆支护效率评估方法,研究指出：当盾构在强渗透性地层中掘进时,在尽量提高泥浆成膜率的同时,应注重泥浆黏度调节,充分发挥渗透力支护作用,同时可适当提高盾构掘进速度并降低刀盘转速,有利于开挖面稳定控制。以泥浆成膜率、等效渗透系数为依据给出了泥浆支护效率设计图,研究工作对盾构掘进支护压力控制和泥浆配置有一定的借鉴意义。     

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。     

泥水盾构泥水仓泥浆压力控制模型研究

目前隧道施工过程中泥水盾构施工参数多根据现场施工经验调整,缺乏系统的模型泥水盾构施工参数与泥浆压力大小之间的理论计算模型。通过对泥水平衡盾构的类型和工作原理进行细致的研究分析,提出盾构掘进过程中各施工参数需满足的关系式,并以此建立了泥水盾构泥水仓泥浆压力控制模型,得到了泥水盾构可控施工参数直接量化控制泥水仓泥浆压力的计算方法,并提出泥水仓内的泥浆需要满足盾构施工泥浆渣土悬浮和输送能力的要求,推导了泥水盾构掘进速度与进浆流量的关系式。研究结果表明,泥水仓泥浆压力随着进浆流量及盾构掘进速度的增大而增大,随着排浆流量的增大而减小。结合长沙地铁6号线泥水盾构施工工程,通过实例仿真计算,验证了此计算模型的有效性。研究成果为泥水平衡盾构泥水仓泥浆压力控制的研究提供了理论基础。     

泥水盾构泥浆泵选型关键参数规律性研究

为了认清在泥水盾构泥浆泵选型设计时的规律性和差异性,针对现有研究的不足,采用统计分析法,从15个实际工程案例入手,统计了包括开挖直径、隧道长度、穿越主要地层、进排泥的管径、密度和流量在内的17个关键参数,分析在选型设计阶段关键参数之间的规律性和差异性,得到了进排泥的管径、密度与开挖直径的一次线性回归方程,不同地层的进排泥密度选取规律等6点结论,最后将结论成功运用于福州地铁F1线滨海新城站—机场站中间风井泥水盾构区间,研究成果可为今后泥浆泵选型或评估提供新的思路。     

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。     

硬塑性黏土地层泥水盾构停机引起的地表塌陷机制研究

扬州瘦西湖隧道采用泥水盾构穿越全断面硬塑性黏土地层,施工停机后多次出现地表塌陷事故。利用室内试验研究硬塑性黏土浸水条件下的崩解、软化特性,结合现场实测数据分析该工程地表塌陷的原因,进一步讨论此类破坏发生的过程,据此提出泥水盾构在全断面硬塑性黏土地层施工时地表塌陷的预防措施。研究表明:泥水盾构停机使开挖面硬塑性黏土在泥水浸润下发生崩解、软化,使开挖面上方形成局部孔洞;随着时间延长,局部孔洞逐渐向上发展直至地表,最终形成地面局部塌陷。泥水盾构在硬塑性黏土地层施工时,应当避免停机;当必须停机时,应尽量缩短停机时间,避开建筑地段,同时加强地面监测,必要时应在开挖面上方地层进行注浆加固,防止坍塌破坏。     

泥水平衡盾构顶推力非线性动力学分析与应用研究

泥水平衡盾构开挖过程中常遇到盾构顶推力难以确定且波动复杂的问题。针对该问题,对盾构推进过程中所受阻力进行系统的分析,确定了阻力的组成部分和计算方法,改进了盾壳与周围土体间摩擦力的计算公式。分析泥水平衡盾构推进系统的组成和工作原理,基于盾构推力的静力学模型建立了单自由度动力学模型,根据能量守恒原理建立了系统的平衡微分方程,推导出盾构推力的非线性动力学公式。基于上述公式,分析了盾构推力的变化趋势和波动规律,确定了液压油缸的最佳行程距离。通过与武汉地铁8号线越江隧道长江穿越段盾构顶进推力的实测数据对比分析,验证了提出公式能够正确计算管片衬砌所受的动态顶推载荷,对衬砌结构内力分析具有重要意义。     

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相对密度大、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(羧甲基纤维素钠)、纤维素PAC(聚阴离子纤维素)、聚丙烯酸铵等8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,并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,增黏剂PAC、CMC对海水泥浆的改性效果稍好,24 h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。     

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%.     

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。