盾构掘进过程中防止泥水劈裂的泥水压力设定

泥水盾构掘进过程中,泥水压力是其重要的掘进参数。特别是在过江越海隧道修建过程中,泥水压力设定不当易发生泥水劈裂、喷发到江底引发江水倒灌等工程事故,如Heinenoord第二隧道。为防止泥水劈裂的发生,结合已有研究成果给出了地层劈裂抗力的估算方法、测定原理和现场测定方法。讨论了控制泥水压力、提高隧道上覆土层强度、增加隧道覆土厚度和提高泥水的黏性和比重等防止泥水劈裂的方法,并指出控制泥水压力具有实时、有效和经济的特点。在此基础上,结合工程施工中的一般条件和特殊条件,对泥水压力的设定范围进行了研究。研究结果表明:①一般掘进条件下,使用地层静止土压力作为泥水压力的设定上限是安全的,不会发生泥水劈裂地层现象。②在盾构穿越建筑物等超载条件下,由于局部超载的存在导致其泥水支护压力增加,此时可以运用地层劈裂抗力的余量,适当提高泥水容重和支护压力。③在特殊情况下,如盾构带压换刀等,需要提高泥水压力时,宜使用所提供的现场泥水劈裂仪对地层的劈裂抗力进行精确测定后设定泥水压力上限。     

水底盾构掘进泥水喷发现象研究

泥水式盾构工法是水底软土隧道施工的首选工法,施工时泥水压力过大可导致开挖面前方地层劈裂,引发泥水喷发、河(海)水倒灌事故。以此类现象为研究对象,研究地层劈裂发生、伸展机制及不同泥水压力对地层劈裂的影响。研究结果表明:水底隧道泥水式盾构施工时,开挖面前方地层微小劈裂纹不可避免,但泥水喷发现象能否发生与盾构掘进参数、泥水性质、地层特性及盾构覆土厚度密切相关,通过理论分析和盾构掘进模型试验,得出了泥水喷发半经验公式,在此基础上提出了防止泥水喷发现象发生的相关措施。     

盾构掘进黏土地层泥水劈裂伸展现象研究

在泥水盾构隧道施工中,防止因泥水压力设定不当而导致泥水劈裂地层产生泥水喷发和开挖面坍塌,是至关重要的。土力学领域中劈裂伸展现象的研究成果甚少。软黏土地层中泥水劈裂有其发生和发展的过程,由于试样尺寸较小,这个过程在室内实验中难以完全捕捉到,而且实际地层中劈裂现象的发生与室内实验的现象有所不同。为准确掌握黏土地层中,泥水劈裂发生和发展的机理,使用自主研制的实验仪器,进行了现场深孔泥水劈裂实验,研究实际软黏土层中的泥水劈裂问题。现场实验再现了泥水劈裂及伸展过程,通过实验结果的分析和总结,得出了泥水盾构泥水劈裂持续压力、劈裂伸展速度计算公式及伸展流量的经验计算公式。     

泥水盾构支护压力设定范围及其影响因素分析

与土压平衡盾构对掘进面的被动支护不同,泥水盾构是依靠液态介质实现对掘进面的主动支护。泥水支护的关键是选择合适的泥水和支护压力从而形成并维持泥膜的完整性。基于泥水劈裂(渗透破坏)和仓筒理论给出了泥水支护压力的上下限。结合静水压力、土体特性、盾构直径和覆土厚度等因素研究了支护压力区间特性(可设定范围)。研究表明:支护压力下限主要受静水压力和土体摩擦角的影响,其中静水压力起决定性作用。一般情况下,泥水压力设定可以取为静水压力+20 kPa;支护压力上限为泥水劈裂(渗透破坏)压力,主要受静水压力和覆土厚度的影响。增加覆土厚度可以提高地层的泥水劈裂(渗透破坏)抗力,从而改善地层的泥水支护特性,增大泥水支护压力区间长度。然而,增加静水压力只可以平移泥水支护压力区间,而不能使其增大。泥水支护压力区间长度还受土体摩擦角的影响,而其它因素影响较小。考虑泥水支护区间长度的影响,实施带压换刀的隧道覆径比不宜小于0.8～1.0。     

现场泥水劈裂试验及应用研究

采用泥水平衡盾构进行过江越海隧道施工时,重要的技术难点就是特殊小覆土区间盾构掘进保证开挖面稳定以及防止泥水劈裂的发生。对于泥水劈裂现象的室内试验研究,有一定的基础资料。但是,由于尺寸和边界条件限制,使其研究成果不能直接应用到工程中去。在理论分析的基础上,研制了现场泥水劈裂仪,确定了劈裂试验的具体实施步骤和劈裂压力的断定方法。并在南京某在建过江隧道工程中进行了现场劈裂试验。（1）试验结果表明：由于劈裂过程为突变过程,采用总应力法时,地层劈裂模型能很好的预测地层劈裂压力,也更符合实际工况;由理论分析得出,掘进模式模型的地层劈裂压力更小,几乎与地层静止侧向土压力相当;增加泥水黏度能够增加地层劈裂压力,但增加量有限。（2）运用现场劈裂试验结果给出了防止泥水劈裂的泥水压力设定上限值,并运用盾构机在始发不远处进行了原位泥水劈裂试验,在一定程度上验证了预测模型的准确性。     

软弱复杂地层泥水盾构泥水循环系统控制技术研究

以某地铁盾构区间为例,对软弱复杂地层下泥水盾构泥水循环系统控制技术要点进行了研究,研究结果表明:在淤泥质土等黏性较大的地层,应适当降低泥水压力,提高压滤效率,控制跑浆现象的发生;在砂性地层,应适当提高泥水压力,并提高泥水循环系统的造浆能力。相关结论可为类似工程提供参考。     

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。     

北京地下直径线泥水盾构泥浆特性参数确定

北京地下直径线是北京地区首次在砂卵石地层中采用大直径泥水盾构.为保证施工过程中隧道开挖面的稳定,必须科学确定盾构泥浆特性参数.根据砂卵石地层特点,同时考虑泥水盾构设备输送碴土能力,综合确定盾构泥浆特性参数.此外,北京地下直径线泥水盾构泥浆特性参数的确定还借鉴了类似工程盾构泥浆特性参数的取值.     

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.     

泥水盾构中劈裂压力影响因素研究

泥水盾构在软弱含水地层中掘进时,泥水支护压力过大容易导致掌子面发生水力劈裂,从而引起掌子面坍塌。研究掌子面劈裂压力的影响因素对防止水力劈裂的发生有重要意义。由于现场试验实施困难、风险高,故设计制作了一种水力劈裂装置,并采用盲孔试样模拟隧道劈裂的发生。通过正交试验配制不同强度的人造黏土用于研究劈裂压力与强度的关系,并采用不同黏度的泥浆进行盲孔试样劈裂试验,分析泥浆黏度对劈裂压力的影响。研究结果表明：在两种加载条件下,劈裂压力随着无侧限抗压强度的增大线性增大。当泥浆黏度小于27s时,劈裂压力随泥浆黏度增大而增大,但随时间增长,增大速度变缓;当泥浆黏度大于27s时,随着黏度的增大,劈裂压力稳定在一定值基本不再增大;盲孔试样破坏后具有明显的劈裂面,且不同泥浆黏度时试样的劈裂面基本一致,均自盲孔底端斜向上延伸。     

水底泥水盾构开挖面稳定机理分析研究

总结了开挖面稳定性的各种分析方法,对高水压小覆土泥水盾构开挖面稳定机理进行了研究,分析了泥水平衡机理,提出了泥水压力设定的方法和适用条件,分析结果为完善盾构隧道开挖面稳定理论及指导现场实践提供了有益的方向。     

Experimental study on slurry-induced fracturing during shield tunneling

Facial support in slurry shield tunneling is provided by slurry pressure to balance the external earth and water pressure. Hydraulic fracturing may occur and cause a significant decrease in the support pressure if the slurry pressure exceeds the threshold of the soil or rock material, resulting in a serious face collapse accident. Preventing the occurrence of hydraulic fracturing in a slurry shield requires investigating the effects of related influencing factors on the hydraulic fracturing pressure and fracture pattern. In this study, a hydraulic fracturing apparatus was developed to test the slurry-induced fracturing of cohesive soil. The effects of different sample parameters and loading conditions, including types of holes, unconfined compressive strength, slurry viscosity, and axial and circumferential loads, on the fracturing pressure and fracture dip were examined. The results indicate that the fracture dip is mainly affected by the deviator stress. The fracturing pressure increases linearly with the increase in the circumferential pressure, but it is almost independent of the axial pressure. The unconfined compressive strength of soil can reflect its ability to resist fracturing failure. The fracturing pressure increases with an increase in the unconfined compressive strength as well as the slurry viscosity. Based on the test results, an empirical approach was proposed to estimate the fracturing pressure of the soil.     

泥水平衡盾构中海水泥浆性质试验研究

采用泥水平衡式盾构开挖海底隧道,考虑地层富含海水,泥水仓泥浆可采用海水泥浆和淡水泥浆。利用海水配制泥浆可以大大降低施工成本,但海水富含的离子成分引起海水泥浆性质降低。为明确海水泥浆性质与不同影响因素的定量关系,笔者开展了不同膨润土类型、膨润土含量、不同海水掺入量及静置时间对海水泥浆性质的影响试验,认为:海水离子对海水泥浆的黏度和胶体率的影响巨大,分析不同影响因素对泥浆性质指标的影响规律,提出了膨润土与海水离子的中和作用关系,采取增加膨润土而改善海水泥浆性质的措施并不经济;同时,采用海水泥浆时不可停止泥浆搅拌与循环,防止海水泥浆离析。研究成果明确了海水泥浆性质与不同影响因素的定量关系,对于泥水平衡盾构采用海水泥浆的认知与配制具有重要的指导作用。     

富水砂层泥水盾构施工孔隙水压反应研究

依托长沙市南湖路湘江大型江底盾构隧道工程,对大直径泥水盾构掘进引起的富水粉细砂地层孔隙水压力反应进行了分析研究。基于孔隙水压力测试数据,分析了大直径泥水盾构在富水粉细砂地层掘进时地层孔隙水压力的分布情况及变化规律。采用ABAQUS有限元软件建立了三维流固耦合数值模型,对泥水盾构施工引起的富水粉细砂地层孔隙水压变化进行模拟计算,对比现场测试数据,验证了本文三维流固耦合数值模型的合理性;将三维流固耦合模型应用于地层不同渗透性条件下孔隙水压力反应模拟计算,分析地层注浆加固后孔隙水压力扰动规律,评价加固效果,得出富水粉细砂地层盾构施工对孔压的扰动可采取预注浆加固进行有效控制结论。     

水力压裂裂缝穿层及扭转扩展的三维模拟分析

 应用并行有限元程序对水力压裂过程进行真三维数值模拟,实现对压裂裂缝起裂、扩展及扩展中的穿层、扭转行为的全过程分析;数值计算中无需假定压裂裂缝的起裂位置和扩展路径,即可根据实际岩体水力学模型的力学、水力学等边界条件,自动标定出压裂裂缝的三维扩展模式,并显示出该并行有限元程序对复杂地质力学条件下水力压裂过程三维模拟分析的适用性。通过对压裂裂缝扩展过程中孔隙压力分布、裂缝几何形状和尺寸的演化进行了解读,显示出压裂裂缝的扩展模式与地层分布密切相关。当生产层很薄或生产层与上下阻挡层岩性差别较大时,裂缝穿层现象突出,可能会出现压裂实际缝长远远小于设计缝长的现象;近场地应力差异、地层分布特征及岩体细观非均匀性都有可能诱发压裂裂缝扭转扩张。分析结果对水力压裂施工设计具有一定的参考价值。     

浅谈凿井施工中泥浆的测定和配制及调整

详细分析论述了针对不同的地层结构特点,对泥浆中的主要指标进行测定,并采取不同的配制方法和不同的泥浆处理方法来改变泥浆的内在性质,以适应地层对泥浆性能指标的要求,最终达到高速优质钻进的目的。