泥岩圆砾复合地层泥水平衡盾构泥浆配比优化研究与应用

泥水平衡盾构在掘进复杂地层时,泥浆性能是维持开挖面稳定的关键因素之一。以南宁轨道交通5号线泥水盾构掘进泥岩圆砾复合地层为工程背景,采用控制变量法,利用自制的模拟泥水盾构掘进系统,比选泥浆外加剂,分析外加剂掺入量和地层复合比对出浆相对密度的影响规律;然后采用析因设计综合分析不同地层复合比、膨水比和渣土用量下,泥浆的渗透规律及动、静态泥膜成膜规律。研究表明:不同外加剂对膨润土泥浆性质改变较大,甲基硅酸钾和氯化钾能够有效降低出浆相对密度,氯化钠、硅酸钠促进泥岩遇水崩解;渣土掺入可有效降低滤水量,提高成膜质量,减少膨润土使用量;刀盘转速小于等于2.5r/min时,泥膜生成速率大于等于破坏速率,保证掘进工作面的稳定性;适应泥岩圆砾复合地层复合比0～1的泥浆膨水比为0.10～0.20,渣土含量为100～200 g/kg,甲基硅酸钾含量为3.75%～7.50%。     

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。     

泥水盾构中泥浆零排放处理技术

以某实际工程的地质情况为例,根据固体颗粒含量进行物质平衡计算,分析达到与盾构掘进能力相一致的泥浆零排放的泥浆处理技术。     

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。     

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。     

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。     

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。     

超大直径泥水盾构穿堤施工技术

盾构掘进施工过程中,由于开挖破坏了地层原始应力状态,地层产生应力增量,特别是剪应力增量,引起地层移动导致不同程度的地面沉降。超大直径泥水平衡盾构掘进施工参数控制不当极易造成地面沉降差异过大,影响地面建（构）筑物安全和使用。对南京纬三路过江通道N线大直径泥水平衡盾构穿堤掘进施工进行总结,为类似大直径泥水平衡盾构穿越地面建筑物施工提供借鉴。     

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。     

武汉地区建筑废弃泥浆泥水分离试验研究

针对武汉地区不同地层、不同工艺产生的建筑工程废弃泥浆,通过光谱仪分析了其主要化学成分,并通过过滤、真空抽滤、离心以及不同絮凝剂的正交试验,以上清液浊度和清液率为主要指标对废弃泥浆泥水分离效果进行评价。试验发现：废弃泥浆固相颗粒以有机质为主;采用过滤方式取得的清液浊度较低,但清液率较少;采用真空抽滤方式处理废弃泥浆可以获得较多的上清液;采用离心方式能处理除含特细颗粒外的多数废弃泥浆;正交试验表明阳离子絮凝剂（PAM）处理废弃泥浆效果较好。     

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。     

水平定向钻穿越过程中泥浆压力与土体变形的控制

本文从泥浆的作用、功能和特性的角度,探讨水平定向钻穿越过程中粘土层和非粘土层泥浆配比的要求。并通过对地下泥浆压力的分析,导出输出的最小泥浆压力（钻压）,从而为控制土体变形提供了相应的依据。     

大直径泥水盾构隧道穿越复杂环境地层变形敏感性研究

盾构隧道掘进过程中将不可避免地穿越建筑结构密集区域,尤其是当穿越的建筑结构建造时间较长、基础较为薄弱,且地层变形超过特定极限时,建筑基础容易发生不均匀沉降和上部结构的额外变形。为了明确大直径泥水盾构隧道穿越复杂环境地层变形影响因素,更好掌握地层变形规律,本文以武汉地铁8号线黄浦路站—徐家棚站越江隧道工程为依托,运用大型通用有限元软件Plaxis3D建立三维有限元模型进行施工过程模拟,分别研究了覆土厚度、开挖面支护压力、盾壳段土体损失、盾尾注浆压力对地表沉降规律的敏感程度;并将数值模拟结果与现场实测值进行对比分析,结果发现有限元计算结果与实测结果具有较好的一致性,从而验证了数值模型的有效性。本文研究将为后续大直径泥水平衡盾构参数的选取提供方法指导。     

泥水平衡盾构在粘土层中的掘进技术

以广东LNG珠江南岸盾构中遇到的复杂地层掘进情况为例,研究探讨了泥水平衡盾构机在粘土层中掘进问题,参照实际情况从不同环节给出解决措施,有效地提高了该底层下的作业速度.     

泥水盾构隧道废弃泥浆改性固化及强度特性试验

泥水盾构隧道施工产生大量的废弃泥浆,可能带来环境污染、侵占土地等问题,影响城市的正常运转。本文以厦门市某隧道施工现场产生的废弃泥浆为研究对象,采用化学固化技术处置泥浆,测试不同影响因素（固化剂种类、固化剂掺入比、泥浆初始含水率）对改性固化后泥浆抗压强度、pH值、含水率等特性的影响,分析固化机理并解释相关现象,获取最优固化剂种类、掺入比、泥浆初始含水率。对比试验结果表明最优固化剂种类为CERSM泥浆固化剂Ⅱ,掺入比为10%,泥浆初始含水率为100%。在此基础上,本文进一步探讨改性固化后泥浆的强度特性,28 d后固化泥浆抗压强度可达1.5 MPa,是普通水泥固化泥浆强度的4倍,可用做建筑填料,解决环境污染问题,并实现废弃泥浆的资源化利用。     

考虑邻近土洞影响的盾构掘进速度控制

盾构机穿越邻近土洞区域是在岩溶区修建的地铁隧道常常遇到的问题,为降低盾构掘进对土洞的扰动,以防止盾构突陷、偏离轴线或发生地面塌陷,需对穿越时盾构的掘进参数进行优化控制。针对当前主要根据经验选取掘进参数的不足,根据弹性力学Mindlin解建立了盾构穿越邻近土洞的力学模型,在此基础上,以掘进速度为控制变量,以掘进引起土洞顶部能量密度变化为指标函数,提出了穿越时的掘进速度最优控制问题,并利用梯度法进行了数值求解,最后将该方法运用于广州地铁九号线花-马区间盾构穿越邻近土洞问题的分析中。结果表明:该模型能有效反映盾构掘进时正面推力对土洞顶部的扰动;在该模型上建立的掘进速度最优控制问题,能对掘进速度的控制策略进行优化,优化结果与工程经验相符,具有一定工程应用价值。     

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。