密实砂土地层盾构隧道开挖面失稳离心模型试验研究

砂土地层中盾构掘进时,开挖面支护力不足极易导致开挖面失稳事故。通过3种不同隧道埋深比（C/D=0.5,1和2）的离心模型试验对密实砂土地层中盾构隧道开挖面稳定性问题进行了研究。离心试验研究发现,随着开挖面位移的增大,开挖面支护力先减小为极限值而后逐渐增大并最终趋于残余值;开挖面前方土体总体呈现“楔形体+棱柱体”的失稳区;隧道相对浅埋时（如C/D=0.5）,极限状态下失稳区已扩展到地表;隧道相对深埋时（如C/D=1和2）,极限状态下失稳区尚处于地基内部;极限支护力随着隧道埋深比的增大先增加而后基本保持不变。最后,通过现有几种极限支护力理论计算模型对本文试验预测结果的比较分析,评估了上述理论方法的工程适用性。该研究成果对砂土地层中盾构开挖面稳定性控制具有指导意义。     

泥水盾构泥浆渗透试验及成膜规律研究进展

泥水盾构维持开挖面稳定的关键在于及时形成致密的微透水或不透水泥膜,但泥膜在开挖面上的形成机理尚不明确。为了进一步弄清泥膜的形成机理,有必要针对泥水盾构开挖面泥膜形成规律的研究进展进行总结与分析。通过总结国内外学者关于泥膜形成机理的研究成果,分析泥膜形成的一般规律,指出目前研究中存在的不足并给出建议。研究得出,泥浆渗透试验主要有竖向和横向两种形式,但试验方案以及试验装置还有待改进;泥浆性质和地层特性是影响泥膜形成的主要因素;泥浆性质可以通过添加物进行调整;通过总结泥浆颗粒与砂土地层颗粒的匹配关系获得泥膜形成的一般规律。     

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。     

盾构隧道开挖面稳定性数值模拟研究综述

土压平衡盾构维持开挖面稳定的关键是土舱内的压力和地层水土压力平衡。为获得便于工程应用的计算极限支护力的方法,针对极限支护力的影响因素及确定进行总结。通过总结国内外学者关于开挖面稳定性分析的成果,从本构模型选择、土体失稳模式、渗流作用及极限支护力的确定展开研究。研究得出本构模型对开挖面失稳区域有影响;通过对前人研究的结果分析,证实了数值模拟方法进行隧道开挖面稳定性分析的可行性,目前数值模拟方法多用于定性的评价,需从本构模型、参数选择等维度进一步提高数值模拟结果精度。分析结果为完善开挖面稳性数值模拟提供了有益方向。     

泥水盾构开挖面前泥浆渗透距离预测算法

为了计算泥水盾构开挖面前泥浆渗透地层的距离,基于泥浆渗透不伴生泥膜的假设,提出改进模型来分析不同泥浆的渗透距离. 结果表明：在泥浆渗透时间小于20 s的情况下,与Xu模型相比,改进模型的最大精度提高6%,且无须泥浆渗透试验. 在不考虑泥膜的情况下,纯膨润土泥浆的最大渗透距离为5.8~6.3 m;添加高分子材料的膨润土泥浆最大渗透距离为0.3~1.6 m,是纯膨润土泥浆的5%~25%;羧甲基纤维素钠对泥浆的改性效果最好. 微透水泥膜的形成时间为3.2~5.0 s. 考虑泥浆渗透伴生泥膜的情况,得到改进模型的修正系数为0.72~0.92. 预测常用的泥浆渗透距离,当盾构刀盘切削周期为10 s时,泥浆渗透距离为2.3~6.3 cm,最大的渗透距离是一般盾构直径（6 m）的1.05%.     

基于改进滤失试验的泥水盾构动态泥膜渗透特性研究

为了研究泥膜对泥水盾构开挖面稳定性的影响,通过改进滤失试验研究泥水盾构动态泥膜的渗透特性,提出泥水舱泥浆密度的计算方法,获得时间与泥浆滤失量的关系曲线和泥膜的本构参数（孔隙比-渗透系数-压力的相互关系）,推导动态泥膜平均厚度的计算公式. 由试验压力增长引起的泥膜孔隙比的减小,可以降低泥膜的渗透系数. CMC-Na对泥浆的改性效果最好. 添加高分子材料的泥浆形成的泥膜厚度变小,泥膜厚度与泥膜平均渗透系数存在正比关系. 在盾构掘进过程中,泥膜厚度会发生周期性变化,动态泥膜的周期时间取决于刀具的布局和刀盘的转速. 动态泥膜的平均厚度约为最大泥膜厚度的2/3.     

钱塘江粉土对泥浆和泥膜渗透特性影响

杭州未来规划33条过江通道,多数采用泥水盾构技术,因为泥浆会在开挖面形成阻止地下水的泥膜。在实际工程中,钱塘江粉土会混入泥浆导致泥浆和泥膜的特性发生变化,可能导致工程事故的发生,针对这一现象,系统探讨钱塘江粉土对泥浆性能和泥膜渗透特性的影响,通过滤失试验分析比较16种不同压力下的泥浆试样,获得了泥膜的孔隙比-渗透系数-压力的相互关系参数,并计算了不同压力下不同泥浆形成的泥膜渗透系数。加入钱塘江粉土后,含有PAA-Na(1200)的泥浆粘度增大最明显,增大了1.79倍;而含有CPAM的泥浆所生成的泥膜平均渗透系数增大172倍,含有APAM的泥浆渗透系数缩小为原来1/20。钱塘江粉土的加入可能导致同样压力变化下渗透系数变化更小,为预防相关工程问题提供科学依据与解决方案。     

盾构刀盘结泥饼问题相关研究

盾构掘进时刀盘结泥饼是工程界不可忽略的世界性难题。为了解泥饼形成机制和不同因素对其影响，针对泥饼成因和泥饼防治进行总结。文中通过总结国内外学者关于刀盘结泥饼问题的成果，和对国内外关于泥饼成因、防治和处置的研究动态和研究方法。从液相迁移和“固体桥”的微观角度对泥饼形成机制进行解释，讨论了现有泥饼防治技术及其应用情况，泥饼处置的相关研究。在对关键问题分析的基础上，总结了已有研究的思路和方法及存在的局限性。展望了盾构穿越黏土地层结泥饼问题的发展方向，指出了复合地层结泥饼问题将会是未来研究的重点，提出了孔隙比在直剪试验中的重要性。