考虑浆液自重的盾构隧道管片注浆浆液渗透扩散模型

为研究盾构隧道管片注浆的渗透扩散模型,以宾汉姆浆液流体为研究对象,基于广义达西定律(毛管组理论),并运用相关流体力学理论,推导了考虑浆液自重的盾构隧道管片注浆渗透扩散模型的计算公式,并分析了其适用范围及各参数的确定方法。结合具体计算案例,讨论了注浆参数(注浆压力、注浆时间)、地层特性(地层渗透系数)等主要因素对浆液扩散半径的影响及浆液对管片总压力的影响。结果表明:考虑浆液自重后,浆液的扩散范围呈椭球形;相同的注浆压力下,顶部注浆孔的浆液扩散范围小于底部注浆孔浆液扩散范围(顶部注浆孔出现最小扩散半径,底部注浆孔出现最大扩散半径);注浆压力、注浆时间及地层渗透系数增大,浆液扩散半径也增大,但其增长速率均减小;注浆压力增大,管片所受的注浆压力增大,单位管片所受的浆液压力呈线性增长,考虑浆液自重后,上部单位管片所受的浆液压力大于下部单位管片所受的浆液压力;注浆压力越大,注浆时间越长,地层渗透系数越大,最大扩散半径与最小扩散半径的差值越大,即浆液自重对浆液扩散半径的影响越大。     

盾构隧道管片注浆幂律流型浆液渗透扩散模型

为研究盾构隧道管片注浆的渗透扩散模型,以幂律流型浆液为研究对象,运用流体力学理论及毛细管组理论,推导了盾构隧道管片注浆渗透扩散模型的理论计算式,分析了其公式的适用范围及各参数的确定方法。结合具体计算案例,讨论了注浆压力、浆液性质(水灰比)、地层条件(地下水压力和地层渗透系数)等因素对浆液扩散半径的影响及浆液对管片总压力的影响。结果表明:注浆压力与浆液扩散半径成线性关系;注浆压力、水灰比及地层渗透系数增大,浆液扩散半径也增大;地下水压力增大,浆液扩散半径减小;注浆压力、水灰比、地层渗透系数增大,浆液对管片的总压力增加;地下水压力的变化不会影响管片所受的总压力。     

基于宾汉体浆液的黄土可控劈裂注浆研究

浆脉在土体的分布在很大程度上影响注浆效果,为了在黄土中实现浆脉可控劈裂注浆,采用平板窄缝模型推导了宾汉体浆液在黄土中的扩散理论,得出扩散半径与注浆压力差、裂缝参数、浆液性质等参数有关。以此为出发点,设计现场注浆试验,结果表明:通过控制注浆参数和施工过程可基本实现浆脉尺寸、间距等与设计值偏差在±40%以内;浆液压力较低时在黄土中主要以挤压作用为主,挤压扩散半径约为注浆管直径的1.2~2倍,压力较高时以劈裂为主;试验最终形成的复合地基桩芯结实体在深度越浅处强度越低,实际注浆中应考虑提高地表处结实体强度,为实际注浆工程中注浆参数的设计提供一定参考。     

基于赫巴流体的盾构同步注浆三维扩散机理

盾构施工中复杂的地质环境和各种类型的开挖断面使得注浆施工控制较为困难。本文基于赫巴流体本构模型,分析了同步注浆阶段的浆液充填扩散与渗透扩散过程。建立了涵盖充填扩散与渗透扩散过程的盾构隧道壁后同步注浆浆液3D扩散理论模型,并分别推导了相对应的计算公式。使用工程实例和注浆试验结果验证了该模型,并对影响浆液扩散的主要因素：浆液密度、盾尾间隙厚度、注浆压力、注浆率和地层渗透系数进行了敏感性分析。研究表明：在环向充填阶段,浆液在注浆孔两侧的消散速率随着浆液密度的增大而减小,而盾尾间隙厚度几乎没有影响;在轴向充填阶段,浆液充填压力随着时间的推移而消散,消散速率随着盾尾间隙厚度的增大而减小。在径向渗透扩散阶段,浆液径向渗透扩散深度随着地层渗透系数和注浆压力的增大而增大,而浆液密度和盾尾间隙厚度几乎没有影响。     

考虑重力和黏度时变性的隧道围岩水泥浆液扩散规律研究

浆液重力和黏度时变性对浆液有效扩散范围及扩散形态的影响显著,而浆液扩散范围对隧道安全性起着决定性的作用。基于流固耦合理论和渗流力学理论建立了考虑浆液重力与黏度时变性耦合效应下的注浆浆液扩散方程,依托多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics实现了在建旧寨隧道工程中风化板岩管棚注浆扩散过程的数值模拟,并由此分析了注浆压力、浆液黏度时变性与注浆时间对浆液有效扩散范围及注浆加固圈形成的影响规律。研究结果表明：考虑水泥浆液重力后,浆液在岩土体中的扩散形态呈椭球型,注浆压力越小且注浆时间越长,浆液重力对扩散形态的影响越显著;在注浆孔水平面以上浆液扩散范围远小于注浆孔水平面以下浆液扩散范围,且在注浆孔左、右两侧浆液扩散范围呈对称分布,与重力作用机制相符;浆液黏度时变性对浆液扩散距离的影响效果显著;注浆加固圈的分布形态与注浆管的埋设角度密切相关,注浆管埋设角度越小,注浆加固圈的厚度越大,合理布设小导管是获得有效注浆加固圈的关键。     

粉细砂地层泥水盾构渣土回收利用及性能优化

以南京地铁10号线越江盾构隧道工程为依托,采用现场渣土作为同步注浆砂源,通过室内试验测量同步注浆浆液的强度、初凝时间、流动度、稠度、泌水率及渗透性等指标,研究粉细砂地层中泥水盾构渣土作为同步注浆浆液中砂源的可行性,并通过调整配比对浆液性能进行优化.结果表明:粉细砂地层中采用泥水盾构渣土所配置的浆液能够满足同步注浆浆液性能要求,改变胶砂比、粉灰比,同步注浆浆液性能提高明显.     

基于流体时变性的隧道劈裂注浆机理研究

水泥复合浆液流变参数的时变性对注浆扩散范围计算值影响很大。基于宾汉体流变方程和平板裂缝理想平面流模型,推导了考虑流体时变性的土体劈裂注浆扩散半径计算公式。由公式可知,土体劈裂压力、裂隙宽度、浆液流速、流变参数的时变性是影响扩散半径的重要因素。计算分析了劈裂注浆过程中劈裂压力随缝隙宽度的变化以及流变参数对扩散半径的影响规律。结果表明,忽略流体时变性注浆扩散半径计算值明显偏大,会给注浆工程设计带来隐患。结合厦门机场路隧道全风化花岗岩地层注浆试验,发现水泥复合浆液劈裂注浆加固效果良好,扩散半径理论计算值基本符合工程实际;研究成果对风化花岗岩地层劈裂注浆的设计和施工具有一定的指导意义。     

盾构同步注浆浆液固结及压力消散两相渗流理论模型研究

盾构隧道同步注浆过程中,由于浆液注入盾尾间隙后的压力高于地层静水压力,所以浆液会扩散到地层中发生渗流,并随着时间发生固结,浆液压力随之消散。在现有的分析模型中,浆液在地层中的渗流被看作单相流问题,忽略浆液与地下水在地层中渗流的差异性。在现有解析公式的基础上,将浆液在地层中的压力消散和渗流视为二维的两相流模型,分析浆液渗流以及驱替作用下地下水渗流引起的水头损失,并且考虑浆液黏度时变性的影响,推导盾构同步注浆浆液固结及压力消散的两相渗流理论模型。研究结果表明,浆液黏度时变性对浆液固结及消散的压力稳定值和体积损失率等计算结果有较大影响,浆液固结及压力消散理论模型中应根据固结时间和浆液扩散范围考虑浆-水两相渗流过程。     

高水头砂卵石地层水砂突涌注浆止水加固技术研究

为实现非降水条件下高水头砂卵石地层水砂突涌的有效治理,结合北京地铁16号线20标联络通道CT2注浆止水加固工程,制备出了止水效果好、凝固时间短的注浆止水加固材料,研究出了高水头砂卵石地层水砂突涌注浆止水加固技术,以设置诱导孔的方式定向驱使浆液向作业区外扩散,有效保证了注浆止水加固范围,避免了浆液过盈填充对成型管片造成挤压破坏,通过对比理论注浆量与实际注浆量,将扩散半径作为注浆止水加固效果的理论评价指标,并将浆液的失水收缩特性综合考虑在内。注浆止水加固施工后的地层满足开挖施工条件,相关工程实践以及理论研究可为类似工程提供参考。     

大断面异形盾构同步注浆两阶段复合扩散机制及压力时空分布模式

异形盾构在隧道断面形式多样化发展的情势下越来越多地出现在地铁建设中，因其自身几何形状特性所对应的非常规盾尾间隙和复杂的浆液流动路径让注浆施工控制较为困难，长时间的拼装过程亦使得浆液压力重分布更难明晰。在分析盾构同步注浆充填运动特征和渗透扩散机理的基础上，通过考虑浆液的非预定填充轨迹、黏度时变性以及驱替/渗滤效应，建立更加符合实际情况的浆液填充与渗透复合扩散模型，推导浆液压力和时空扩散距离的理论计算式。由此统一注浆过程中浆液的填充扩散与渗透扩散两阶段，整合浆液压力的传递和消散过程，依托类矩形盾构工程实例获得压力沿管片的3D时空分布规律。研究表明：浆压的传递与消散对管片总的及单位面积受力均有显著影响，填充扩散的计算结果呈上小下大，重力主导的趋势，竖向梯度约为16kPa/m,压力曲线更加饱满，压力槽现象不太明显；该地层和参数条件下的渗透消散计算结果呈非线性变化特征，前期较快后期较慢，达到稳定时间更短，不透水层的形成使得最终浆压与静水压力的差值达到初始渗透压差的46%左右。文中提出的两阶段注浆扩散模型与现场实测结果更加接近，浆液压力分布的局部趋势、波动特征及消散规律与传统方法计算出的结果有显著...     

全风化花岗岩地层脉动灌浆控制防渗机理研究

针对全风化花岗岩地层的基础防渗加固,传统灌浆工艺限制于结构松散难以成孔起压,加剧了地基处理的难度。提出采用"钻灌一体,脉动灌浆"技术工艺;并利用数值模拟实现了不同脉动周期压力、钻灌时间控制参数下浆液渗透扩散规律及脉动周期压力下地层应力–应变的过程分析,通过脉动和稳压灌浆的浆液扩散与防渗影响范围对比,揭示了脉动灌浆防渗控制机理,得出了灌浆参数;结合黏土水泥浆灌浆材料进行了现场工程试验,现场试验验证了控制参数的合理性。试验表明,1.5~2.0 MPa脉动灌浆压力下,单排孔布设间距1 m,常规吕荣试验检查孔段次统计,透水率<2 Lu的占70%;疲劳吕荣试验透水率<3 Lu的比例为97%,透水率稳定区间为0.5~2.4 Lu;破坏吕荣试验透水率稳定区间为2~8.5Lu。灌浆后全风化、强风化地层的岩体完整性均有不同程度的提高,声波提升幅度范围为17.3%~52.5%。检查孔取出的芯样较完整,芯样抗压强度平均达7.3 MPa,且灌浆过程地层抬升小。研究成果对于全风化花岗岩以及同类地层具有较强的应用性,为此类地层防渗处理提供了一个可借鉴的工程案例。     

富水地层盾构隧道同步注浆惰性充填材料配比与试验研究

为解决富水地层盾构同步注浆普通单液浆存在的易冲散、留存率低、凝结时间长、输送离析堵管等问题,依托长春地铁2号线西延线盾构隧道工程,开展富水地层盾构隧道同步注浆惰性充填材料配比与试验研究。为兼顾同步注浆管片壁后的高充填与浆液在管道中的高流动要求,选择低水泥、高骨料的惰性浆液,并研发一种同步注浆专用充填剂,能够有效减小浆液泌水和离析并加快凝结速度,提高壁后充填强度。试验结果表明,浆液泌水率随充填剂掺量TIR的提高呈现先减小后增大的变化规律,1h后泌水率曲线全部位于泌水合理区IV区的浆液满足工程要求。TIR=1.2%为最优掺入比,TIR过大会增加泌水,同时浆液流动性、凝结速度及早期强度也会得到一定的减弱。通过BC1201E型三维数字视频显微系统对不同龄期的试块进行细观分析,结果表明充填剂可提高浆液的均匀性,减小表面细小孔隙,更有利于管片壁后充填。另外新配比浆液保证现场工程盾构顺利通过风险源地段,最大地表沉降最终控制在12mm以内。     

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。     

考虑封孔浆体黏度时空变化的止浆机制研究

封孔止浆技术是松软地层注浆防渗加固的重要手段,而封孔浆体自下而上的注入方式及其黏度时变特性导致浆体在止浆段长内黏度呈现出空间分布不均匀。通过流变试验获取封孔浆体流变参数与流型,建立考虑黏度时空变化的宾汉流体同心环状劈裂封孔浆体止浆模型,推导出黏度时空变化的封孔浆体止浆的控制方程,并定量分析封孔浆体的止浆能力,最后将研究成果成功应用于河堤防渗加固注浆工程。研究结果表明,封孔浆体黏度时空变化对浆体封孔止浆能力影响较大,其止浆能力与浆体流变参数、浆体塑性强度、封孔高度等有关;封孔浆体所能承受的极限注浆压力随封孔浆体固化剂掺量的增加或封孔浆体塑性强度的增大而增大,且这种变化随封孔高度的增高而表现的越明显,综合考虑注浆堵管、后续拔管等问题,封孔浆体水固比宜控制在1∶1左右,且黏土含量不宜超过50%,固化剂掺量宜控制在1.2%～1.8%;现场钻孔取样、压水试验均反映注浆后地层连续性和整体性得到了显著提高,已达到设计防渗加固标准,理论计算推导虽与实测结果存在一定误差,但可满足实际工程要求。研究结果有利于封孔浆体止浆技术的进一步推广应用,可为工程实践提供理论指导。     

压力灌浆微型钻孔桩施工技术

分析了压力灌浆加固地基的机理,并对其机具、材料、钻孔、灌注等施工工艺的全过程进行了介绍,通过压力灌浆微型钻孔桩的施工及其相关的荷载试验,表明了微桩在松散地质结构中良好的应用效果,对特殊地段地基加固处理具有一定的推广意义。     

盾构工程渠箱下端头水平加固技术

盾构工程在始发和到达施工中需要进行端头加固,如果市政渠箱妨碍了地面加固,则盾构工程可能面临涌水涌砂的风险。文中介绍了水平注浆工法,该工法有效加固端头土体,既保护了市政渠箱,也保证了盾构安全到达。     

Physical test of fracture development in the overburden strata above the goaf and diffusion process of permeable grout slurry

The massive mechanized and irrational coal mining has generated many goafs (i.e., mined-out areas) in China. To manage these goafs effectively, grouting technique has been commonly used to fill the fractures in the overburden strata. However, little is known about the development and distribution of fractures in the overburden strata above the goaf. The lab-scale simulation of fracture development, as well as the grouting process, can provide valuable information for managing a real goaf by the grouting technique. Based on the mechanical properties of rocks and soils in the goaf of Kangjiagou coal mine in Shanxi Province, an experimental system was designed to simulate the development of fractures in the overburden strata above the goaf and study the diffusion behaviors of the grout slurry under different conditions (such as grout volume, grouting pressure, porosity, and water-solid ratio). The physical model test showed that more fractures were found in the fractured and caved zones, with fracture porosity ranging from 15.05 to 40.79%. The grouting experiment showed that, when the water-solid ratio was smaller than 1.15 and the grouting pressure was lower than 0.3 MPa, the changes in diffusion radius were stable during the grouting process. To maintain the stable changes in diffusion radius and reach a high filling ratio, the grouting pressure should be controlled in the range of 0.2–0.4 MPa at the porosity of 24.8% and 0.5 MPa at the porosity of 35.1%. The findings derived from this study are widely applicable under real engineering contexts.

     

超大直径盾构下穿棚户区沉降控制技术研究

超大直径盾构下穿老旧棚户区微扰动施工控制是地下工程实践中面临的重要难题。本文以武汉地铁8号线黄浦路站—徐家棚站区间盾构下穿棚户区项目为工程背景,首先对提出全断面粉细砂层注浆加固工艺并进行浆液配比实验给出最佳浆液配比,并对盾构施工过程进行实时监测监控,根据工程具体情况对盾构机下穿掘进参数进行分析,最后提出超大直径泥水盾构穿越棚户区施工的控制措施。研究结果表明:袖阀管注浆加固工艺对超大直径盾构下穿的老旧棚户区具有较好的保护作用,现场试验确定最佳水灰配比为0.8∶ 1;盾构穿越过程中地表沉降纵向变化呈近似U型分布,横向变形出现明显沉降槽,加固棚户区老旧结构基础最大隆起值为15 mm,建筑结构整体先隆起后减弱,且沉降值控制在15 mm以内;盾构机总推力和刀盘扭矩、盾构机总推力和土舱压力、出土率和土舱压力具有变化规律一致性。研究结果为揭示超大直径盾构下穿老旧棚户区施工过程对地层和地面建筑结构的影响规律提供参考和依据。     

适应深厚复杂岩土层防渗灌浆的可控性黏土水泥稳定浆材及快速配制

深厚复杂岩土层同一钻孔的可灌性差异显著,灌浆材料要随机应变,灌浆工艺方法要适应性强。现有的灌浆材料可控性不足,可灌性单一;目前的灌浆方法在每一灌浆孔段,逐级变浆,浆材扩散难以控制,弃浆浪费严重,施工工效低。充分考虑灌浆施工工艺的实际要求、灌浆材料性能优化等,通过大样本室内试验,利用黏土的良好性能、水玻璃系浆液塑性黏度和屈服强度很低、水泥等的固化和强度特性以及改性剂,研制一种可控性黏土水泥稳定浆材,不仅性能指标满足一般工程的防渗要求,而且浆液流变参数、凝结过程、结石体参数等可在较大范围内调整。对于复杂地层,依据受灌岩土体性质的差异,选用研制的可控性浆材和相应的供料方式,可实现浆材的快速配制,变浆便捷,弃浆少,成本低。在托口水电站河湾地块防渗帷幕工程中,已完成的灌浆试验表明,与传统浆材和施工方法相比,注入量降低约65%,施工台月效益(m/(台.月))提高约30%,灌浆质量达到设计要求,研究成果可在该工程及类似工程中推广应用。