泥水盾构泥膜渗透性及其对开挖面稳定性影响

泥膜是维持泥水盾构开挖面稳定的关键因素。通过渗透柱试验研究了加压泥浆向砂土渗透、并在砂土表面形成泥膜的行为,获得了泥膜渗透性与时间的关系。结果显示泥水盾构在开挖时,由于刀盘不断切削泥膜,开挖面上只能形成微透水的泥膜;当拼装管片时,刀盘停止转动,开挖面上则会形成难透水的泥膜。建立了在开挖面上设置微透水的泥膜的二维数值模型,通过瞬态渗流分析获得土体孔压的最大值。根据地层孔压计算了失稳区域内的渗透力,获得了不同泥浆压力下在泥膜表面和地层中的分配比例。当有效泥浆压力越大,孔压在泥膜和失稳区以外地层的下降幅度就越大,对维持开挖面稳定的贡献越小。基于极限平衡法,提出了泥水盾构开挖面极限泥浆压力的计算方法,结果显示目前工程中采用的方法高估了开挖面极限泥浆压力。     

海相复合地层泥水盾构施工泥水材料试验研究

在泥水盾构工程领域的泥浆研制中,不同的地层和应力水平对泥浆特性有较大影响,同时影响泥浆的渗透性和保持开挖面稳定的泥膜特性。实际施工过程中,泥膜的质量直接影响泥水盾构施工的安全和进度。本文以马骝洲交通隧道新建工程为背景,针对特有的海相复合地层特点,通过室内试验进行了海相复合地层泥水平衡盾构施工泥水材料研究,开发了新型泥水材料,并借助盾构掘进现场试验验证室内分析及其相应产生的施工改善成效。研究发现,1#新型泥水材料造浆能力强,能优化泥水的颗粒级配,有效降低滤失量,形成致密有强度的泥膜;1#新型泥水材料运用实际施工中后,能显著提高盾构推进速度,降低刀盘扭矩,减小总推力,可为类似地层盾构施工土体改良提供参考。     

泥水盾构泥膜形成时开挖面地层孔压变化规律研究

为保证开挖面的稳定，泥水盾构泥水舱中的泥浆必须在开挖面上形成微透水的泥膜，将部分泥浆压力转化为有效应力，泥浆压力才能平衡地层中的土压力和水压力。目前关于泥膜形成时泥浆压力的转化规律及其影响因素尚不清楚。针对这一问题，在自制的泥浆渗透装置中，以12组不同性质的泥浆开展渗透试验，通过测定泥膜形成过程中地层超静孔隙水应力的变化，并分析影响其分布的因素，明确了泥膜的作用机理。结果表明：随着泥膜的形成，泥浆压力在地层中转化为抵抗地层静水压力的孔压、超静孔隙水应力和抵抗地层土压力的有效应力；超静孔隙水应力在泥膜段迅速降低，在地层深处逐渐趋于稳定；泥浆的密度是影响地层超静孔隙水压力分布规律的主要因素之一，泥浆黏度对其影响较小。这一结果对于泥浆压力的设定和泥浆的配制有重要的指导意义。     

大型泥水盾构隧道开挖面稳定机理与应用研究

针对大型泥水盾构隧道开挖面平衡这一难题,以复兴东路越江隧道工程为工程背景,对泥水盾构开挖面稳定机理进行了理论分析;通过室内泥浆的特性实验及微观分析,结合工程现场试验和监测数据分析,详细论述了泥水盾构隧道开挖面的平衡理论和稳定机理,对影响泥水盾构隧道开挖面平衡与稳定的主要因素进行了分析.通过PMS泥水体系与原有泥水体系在工程中应用效果对比,发现PMS泥水体系能快速形成高质量的泥膜,更有利于大型泥水盾构隧道的开挖面稳定,在大型泥水盾构隧道施工中应用前景广阔.     

泥水盾构开挖面泥膜的弹性模量

泥水盾构掘进过程中,由于泥水仓压力与开挖地层压力的差异、开挖地层的渗透特性以及泥水的流体力学性质,导致泥浆向开挖地层渗透,逐渐形成泥膜。泥膜不但起到“止水”的效果,而且本身也具有一定的力学性质。本文以过滤模型为基础,假设泥膜为弹性介质,利用弹性模量的定义,求解出了泥膜的弹性模量。随着开挖面的掘削,泥膜随着时间不断的形成,其弹性模量也随着时间发生变化。泥膜弹性模量的求解使得泥水盾构正面稳定的判断更加的准确,盾构施工参数的控制更加科学。     

准三轴应力条件下泥浆渗透及泥皮护壁研究

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性非常重要,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。以武汉典型地层为例,通过自主研发的准三轴泥浆渗透测试仪器,测试在地层应力作用下泥浆的渗透性能。试验结果表明:上覆土层压力及侧压力对泥浆的渗透有较大的阻碍作用,同时通过测试泥皮的抗剪强度,验证泥皮的护壁作用。     

泥水平衡盾构开挖面稳定模型试验研究

以崇明越江隧道为背景提出了泥水平衡盾构动态开挖模型试验的可行试验方案,并通过该试验对泥水平衡盾构开挖面平衡的机理,盾构推进时沉降的分布规律进行了研究。试验结果表明,泥水平衡盾构开挖面导致的地表沉降很大程度上取决于开挖过程中泥舱压力的浮动范围。通过将试验结果与楔形体模型理论计算的极限泥浆压力进行对比,得出了更加合理的极限泥浆压力浮动范围,有利于指导将来实际工程的施工。     

泥水平衡式盾构模拟试验系统的研制与应用

为了探究泥水盾构水下掘进控制和泥水平衡机理等问题,在调研国内外模型盾构设备的基础上确定泥水盾构的基本参数和工作模式,研制出泥水平衡盾构模拟试验系统,包括模型箱、盾构机总成、推进机构、液压动力系统、操作系统、深冷装置等主要部分。该系统可对最高100 m水头条件下泥水平衡盾构施工的主要过程进行模拟,可较真实地再现泥水平衡盾构掘进过程中泥膜的动态形成过程,从而阐明水土压力平衡的机理等关键技术问题,并可为泥水平衡盾构的设计和控制提供重要参数。以砂卵石地层为例配制相似地层和泥浆,并进行盾构试掘进,对设备的功能性进行验证,并初步研究了泥水盾构掘进过程中地表位移的时空变化规律和地层中泥膜的形态。结果表明,由于刀盘无超挖且地层开挖后直接由盾壳支撑,土体移动受到限制,地层变形主要由开挖导致的应力释放产生。排渣装置长度较长,可暂存的渣土量多,使得盾构通过前地表沉降随顶推力和刀盘、排渣装置转速的增大而增大;盾构通过后的地表沉降则由于盾壳与土体的摩擦作用有所减小。在盾构刀盘前方,泥浆渗入地层的范围大致关于盾构轴线对称,泥膜形态呈倒扣的"锅底"形分布,其范围约占刀盘外径的20%~43%。     

泥水盾构穿越上软下硬地层泥膜保压及开挖面稳定性研究

以杭州市环城北路—天目山路工程第1标段为背景,深入研究泥水盾构穿越上软下硬地层泥膜保压及开挖面稳定性,分析泥膜形成特点及保压影响因素,研究开挖面应力特点,总结形成适用于天目山工程的屈服准则及计算公式。结果表明,上软下硬地层中,缩短泥膜形成时间,能有效提高泥膜质量;加强盾构机操作管理,有利于泥膜保压;施工过程中应根据不同地层计算相应的极限支护压力。     

泥浆渗透对盾构开挖面稳定性的影响研究

针对泥水平衡盾构工法遇到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情况,泥膜不能有效的阻止泥浆对土体产生渗透,泥浆的有效压力以渗透力的形式作用于开挖面土体,形成了开挖面稳定性的泥浆渗透模型.结合村山公式,考虑泥水的渗透区域与滑动面之间的几何关系对有效泥水压力进行折减,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,通过实际工程算例的对比分析,表明该渗透模型是合理、有效的.     

泥水劈裂试验伸展现象的力学分析

 泥水盾构掘进时,在江中冲槽段等复杂条件下,泥水压力很难设定,稍有不慎就会发生泥水劈裂,甚至导致泥水喷发危及工程安全。为观察并研究劈裂伸展现象及其力学机制,在研制现场泥水劈裂仪并进行现场试验的基础上,建立泥水劈裂伸展模型,给出防止泥水劈裂的泥水压力上限设定的计算方法。研究表明：泥水劈裂伸展的力学特性不仅与地层性能有关,而且与所选用的泥浆特性有关。实际工程中,在地层性能不易改变的条件下,增加泥水重度、提高泥水黏性有利于阻止劈裂进一步伸展。劈裂发生后出现的泥水压力降低现象将有利于阻止泥水劈裂进一步伸展。在劈裂发生后,不能因为泥水压力下降而急忙增加泥水压力,这样不但泥水压力不能增加,反而会导致泥水劈裂的迅速伸展,加快泥水喷发的发生。绝大多数情况下,在泥水劈裂伸展的过程中泥水和地层的组合抗劈裂能力会逐渐变小。因此,预防泥水盾构开挖过程中的泥水喷发问题,要从预防泥水劈裂入手,对泥水压力的上限进行控制。     

砂性地层孔隙特征对泥水盾构泥浆成膜的影响

透水砂性地层开挖面上成膜特征是影响开挖面稳定性的关键因素,而地层孔隙特征与成膜特征量化关系的建立是进行相关分析的必要条件。通过在不同孔隙特征地层中开展渗透成膜试验,确定了地层孔隙特征和成膜特征的量化指标,基于二者量化关系的构建,研究了地层孔隙特征对泥浆成膜特征的影响规律。研究表明,地层滤失量曲线双参数模型可以描述地层滤失量变化特征,模型参数a,b可量化滤失量曲率特征、成膜时间和成膜阶段等成膜特征,具有明确的物理意义。基于参数a,b和孔隙体积v的幂函数关系,确定了地层孔隙特征和成膜特征的量化关系。研究成果可为泥水盾构穿越透水砂性地层合理确定泥浆配比方案和施工参数,保证开挖面稳定提供试验和理论基础。     

地下连续墙成槽施工槽壁稳定机制分析

 针对地下连续墙成槽施工过程中的槽壁稳定性及其失稳现象,分别从地下连续墙槽壁稳定影响因素、槽壁整体及局部失稳机制、不同施工阶段槽壁土体的应力路径3个方面进行分析。研究结果表明：浅层失稳是泥浆护壁成槽施工过程中槽壁整体失稳的主要形式,局部失稳多由槽壁土体砂性较重及槽段内泥浆液面波动过大引起;适当增加泥浆比重、提高泥浆液面标高、槽壁预加固、控制成槽机械地面超载及降低开挖对土体的扰动可有效保证槽壁的稳定;开挖后槽壁稳定性会随土体负孔隙水压力的消散而下降,成槽后应及时吊放钢筋笼并及早浇筑混凝土。     

不同地层条件泥水盾构开挖面失稳状态颗粒流模拟方法研究

采用颗粒流方法合理地模拟泥水盾构隧道掘进的全过程及对模拟结果的有效处理是一个难点。基于钱江隧道和上海长江隧道工程复杂地层条件,建立能全面反映盾构隧道掘进全过程的模拟实现方法,并在结果处理中采用细观尺度与宏观表象相结合方法,研究宏观现象下隐藏的细观机制,同时用定量的细观结构变化解释或预测宏观力学行为。研究结果表明：通过设计,颗粒流方法可合理并有效地模拟盾构推进过程中的开挖问题,即开挖量与土体的密实度及开挖面压力有关：当土颗粒刚度大于模拟开挖面的墙体单元刚度时,表示该压力下土体被开挖掉;反之,压力过小盾构机将停止掘进。研究成果在应用于背景工程中取得了良好的一致性,可为类似工程提供参考。     

黏性土层中泥水盾构泥浆作用对开挖面土体强度和侧向变形特性影响研究

采用真三轴仪和环境扫描电子显微镜(XL30 ESEM-FEG),从宏微观上初探了黏性土层中泥水盾构开挖面的稳定机理,研究了不同应力水平下泥浆作用对开挖面土体强度和变形特性的影响,并通过颗粒流数值模拟对实验结果进行了验证。结果表明:①对于黏土类渗透系数较低(K<10-8 m/s)的地层,由于泥浆几乎不流入地层而不能形成泥膜,无法依靠泥膜建立开挖面的稳定机制,但过滤解质间水流产生解质摩擦力及适当的泥浆支护压力对土体颗粒产生的挤压作用均有利于开挖面保持稳定。②过滤解质挤压作用的发挥存在有效泥浆支护压力上、下限值。当支护压力小于其压力下限值时,泥浆作用对土体强度和变形的影响均不大;当支护压力大于其压力上限值时,泥浆中水的渗透开始逐渐软化土体,导致了土体强度的降低、变形增大;而当支护压力处于上、下限之间时,挤压作用的发挥使得过滤解质的压缩,相互间的范德华力增大,透水性降低,外在表现为泥浆作用使得土体强度提高,变形量减小。③基于黏性土与水接触时的软化特性,盾构在长时间停止掘削时,不宜单纯采用泥浆压力来保持开挖面的稳定,而应充分利用盾构本体正面挡板来保持地层的稳定。更多还原     

南京长江隧道工程难点分析及关键技术总结

 南京长江隧道采用直径为14.93 m的泥水盾构施工,在长达3 020 m的盾构段施工中,成功穿越水压高达0.65 MPa的江底砾砂等高渗透性地层,完成在江底带压开舱、穿越江中超浅覆土段等高难度的工作,是我国迄今为止在长江上修建的风险最大的大型越江隧道。从分析南京长江隧道施工中面临的重要的工程难点出发,并结合现场的具体情况,系统地总结南京长江隧道施工中的泥浆成膜、带压开舱等关键技术,对我国大直径泥水盾构技术的发展具有重要的参考意义。     

泥水盾构开舱时的泥膜闭气性能及改性方法

带压开舱已成为泥水盾构开舱的重要方法,泥膜闭气性能关系到带压开舱能否成功。采用自制的泥膜气密性试验装置,开展泥膜气密性实验。采用CMC、正电胶、Na₂CO₃等三种泥浆添加剂对泥浆性质、泥膜性质进行改性,探索泥膜闭气的机理。结果表明:正电胶能有效提高泥膜气密性,0.2%的正电胶添加量能提升泥膜闭气值83%左右;相同条件下形成的泥膜厚度越大,其闭气值越高;泥膜致密性可由泥膜厚度和成膜后滤水量的比值(d/Q)来进行比较,d/Q越大,泥膜越致密,但闭气值的大小由泥膜透气时的致密性决定。