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。     

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。     

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。     

超大直径泥水盾构在砂土中的开挖面稳定性分析

超大直径泥水盾构近年来在国内外得到越来越多的应用,其开挖面的稳定性受到高度关注,而泥水支护压力控制则是保证开挖面稳定的关键。对超大直径盾构在砂土地层中的开挖面稳定性进行三维数值分析,重点研究在不同摩擦角下开挖面的失稳模式和极限支护压力,揭示了由泥水容重导致的支护压力不均匀分布对于预测结果的重要性。同时,还将三维数值模拟结果与基于极限平衡理论的楔形体模型进行对比,指出楔形体模型对于分析超大直径盾构开挖面稳定性的局限性。本项研究可为超大直径盾构在砂土中掘进时合理确定泥水支护压力和保持开挖面稳定提供参考。     

泥水平衡盾构掘进泥膜参数对地表沉降影响研究

沈阳地铁四号线劳动路站—望花屯站区间隧道穿越富水粉质黏土地层,采用泥水平衡盾构掘进模式.针对传统的泥水平衡盾构掘进模拟方法存在的缺陷,提出了一种考虑泥浆渗透及泥膜形成过程的泥水盾构掘进模拟方法,并建立了计算模型.计算结果表明,考虑泥浆渗透及泥膜形成过程,地表沉降比传统模拟方法要大;地表沉降随泥水支护压力的增大而减小;泥...     

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     

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。     

复合砂性土层中盾构掘进面稳定性分析

盾构在复合砂性土层中掘进时容易发生开挖面失稳事故,因此掘进过程中开挖面保持合理支护压力尤为重要。考虑到砂性土的摩擦特性,采用上限分析原理并建立适合复合砂性土层的三维破坏机动场模型对开挖面失稳进行分析,最终得到该类地质条件下开挖面最小支护压力计算公式。给定穿越土层参数条件下,考虑覆土层为均一土层和双层土2种工况,分析研究盾构直径,埋深比,覆土层黏聚力,覆土层内摩擦角,地表荷载和覆土层相对厚度比等因素变化对支护压力的影响。该公式为复合砂性土层下开挖面支护压力设置提供了较为精确估算方法,为类似实际工程提供重要理论依据。     

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%。     

高水压条件下泥水盾构开挖面稳定离心模型试验研究

开挖面稳定是越江跨海盾构隧道工程安全的关键,尤其是高水压条件下,开挖卸荷导致开挖面稳定控制更加困难。以越江跨海盾构隧道为背景,研制了一套包含材料和设备的高水压泥水支护形式的开挖面稳定模拟试验装置,通过大型离心模型试验研究了高水压下开挖面坍塌失稳破坏模式和土、水应力变化规律。研究结果表明:①高水压条件下开挖面失稳具有突发性,土体呈现由局部–整体形式急速发展破坏,极小的泥水压力变化幅度即可导致土体迅速发展为整体破坏并传至地表,失稳过程中可观测到滑移倾角减小、破坏范围扩张;②随着泥浆压力的降低,开挖面前方土压力呈现先减小后增大最终趋于稳定值,开挖面失稳可以划分为微观变形、局部破坏、土拱形成、整体失稳四个阶段;③开挖面发生主动破坏时,孔隙水压会发生突然降低现象,这是由于高应力条件下密砂具有剪胀效应,从而引起负孔压导致孔隙水压力急剧下降。这种孔压波动会对开挖面失稳带来不利影响,加速开挖面失稳进程、导致失稳区域的扩大。研究成果对越江海水下隧道工程具有指导意义。     

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.     

基于环向失稳的浅埋盾构隧道极限支护压力分析

基于数值模拟和理论分析,从环向角度对浅埋盾构隧道开挖面稳定性及极限支护压力进行了研究。通过弹塑性有限元数值模拟,获得了开挖面支护力与变形的关系和最终破坏模式,发现破坏模式主要受内摩擦角和埋深比影响较大,而受黏聚力影响较小。根据得到的破坏模式,建立了一种基于单参数变量的极限平衡模型,通过优化分析得到最危险破坏面和极限支护力。将极限支护力表示为黏聚力、上覆荷载、土体重度与其影响系数乘积的叠加形式进行了分析,其呈现为随内摩擦角、埋深比、侧向支护压力比增大非线性减小、随黏聚力增大近似呈线性减小的规律。通过与数值模拟和离心试验结果对比,验证了所建模型计算极限支护力的合理性。     

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。     

地下水渗流作用下的盾构隧道开挖面安全系数上限分析

利用数值模拟技术对地下水渗流情况下盾构隧道开挖面的渗流场进行模拟,获得了隧道开挖面周边各节点的孔隙水压力。基于极限分析上限定理,利用各节点孔隙水压力计算出隧道开挖面上限破坏机制中的孔隙水压力功率,并将其视为一个外力功率代入虚功率方程中,构建出考虑渗流影响的开挖面安全系数目标函数。通过非线性序列二次规划法对该目标函数进行优化计算,得到开挖面安全系数上限解。利用强度折减法验证了该方法的有效性,并将其用于考虑地下水渗流作用的盾构隧道工程实例分析。研究表明:在考虑地下水渗流的情况下,开挖面安全系数随土体黏聚力、摩擦角、开挖面支护力的增大而增大,随地下水位的升高而减小;开挖面的破坏范围随摩擦角的增大而显著减小,但地下水位线的位置对开挖面的破坏范围影响较小。     

盾构隧道开挖面极限支护压力研究

针对盾构隧道开挖面稳定的极限支护压力,通过理论计算与现场实测的对比分析,提出了不同地层隧道上覆土压力的计算原则,将条分法的思想引入盾构开挖面的稳定性分析,导出了开挖面稳定的极限状态方程,据此可求得盾构隧道开挖面稳定的极限支护压力。最后,结合具体的工程实践,将前述理论和方法应用于临界滑动面的搜索和极限支护压力的计算。上述研究成果对于指导盾构隧道的设计与施工具有重要的作用。     

Evaluation of tunnel face stability by transparent soil models

Accurate estimation of tunnel face support pressure is necessary for economical and safe shield tunneling in cohesionless soils. This paper presents measurements of tunnel face support pressure and associated soil movements obtained using a transparent soil model that simulates shield tunneling in medium dense saturated sand. The use of a transparent soil surrogate permits measuring the internal soil deformations within the model soil. Soil deformations associated with various face support pressures are presented for 4 cover-to-diameter (C/D) ratios. Failure is found to be sudden with sand flowing into the tunnel leading to a prismatic wedge in front of the tunnel face and a vertical chimney of soil above. A minimum support pressure was achieved with support pressures as low as 10 ± 1% of the effective vertical stress at the tunnel axis. The stability of the tunnel face was related to the coefficient of active earth pressure with C/D ratio having a small effect on the magnitude of required pressure at collapse.     

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。     

考虑渣土特征的盾构施工力学动态耦合仿真研究

土压平衡盾构渣土作为开挖面支护力与土仓压力之间的传递介质,其力学性能直接影响到土仓压力的控制、开挖面支护力大小和地层变形等。通过编制离散元和有限差分耦合程序,模拟了土压平衡盾构机动态掘进过程,分析了渣土改良对土仓压力传递性和开挖面地层响应的影响。研究结果表明:盾构掘进过程中土仓压力会出现一定的波动幅度,越靠近刀盘,压力的波动幅度越大。刀盘转动角度对土仓压力有一定的影响。刀盘面板转至监测点水平线上时土压力较大,刀盘开口转至监测点水平线上时土压力较小。渣土改良能增大土仓压力传递系数,降低土仓压力的离散性。压力传递系数不是一个稳定值,而是一个受刀盘转动角度影响的变化值。