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。     

一般应力状态下泥浆渗入对泥水盾构开挖面土体剪切强度影响分析

 采用真三轴实验定量研究一般应力状态下泥浆渗入对泥水盾构开挖面土体剪切强度的影响,基于空间滑移面理论、三剪切角理论等考虑中主应力的破坏准则,研究天然土体一般应力条件下中间主应力对强度参数的影响规律。结合上海长江隧道工程,运用村山公式定量刻画同时考虑一般应力状态及泥浆作用时土体强度对泥水盾构开挖面有效泥浆支护压力设定值的影响程度。研究结果表明：对于砂质粉土,泥浆作用和中主应力的影响共同制约着有效泥浆压力的取值,且泥浆作用的影响更为显著,实验中有效泥浆压力相比天然土体情况提高了53%;而对于淤泥质黏土,泥浆作用及中主应力对泥水盾构开挖面的有效泥浆压力设定值影响较小,但中主应力系数的变化同样制约着泥浆作用对有效泥浆压力取值的影响程度。     

泥水盾构开挖面渗透带土体电阻率特性试验研究

泥浆渗透是泥水盾构开挖面成膜的关键过程,土体电阻率表征方法能够及时、有效反映泥浆渗透状态。采用二电极交流电法电阻率测试仪对泥浆 土体混合物的电阻率进行了测试,研究了孔隙水、CMC(羧甲基纤维素钠)、电极间距和泥浆浓度等因素对土体电阻率的影响。结果表明：土体电阻率随泥浆浓度增大而减小;海水和CMC的掺入将降低土体电阻率,但两者对膨润土颗粒的作用机理有所不同,海水的掺入导致膨润土颗粒发生絮凝和团聚,而CMC的掺入将使泥浆中离子的定向迁移能力增强;接触电阻亦对土体电阻率产生影响,为了获得可靠的土体电阻率测试值,应进行多次不同电极距离的测试。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

PSO-based Elman neural network model for predictive control of air chamber pressure in slurry shield tunneling under Yangtze River

The excavation face stability is crucial for safety and risk management in slurry shield tunneling, especially for the river-crossing tunnel. To avoid face collapse or blow-out, shield operators need to keep air chamber pressure balanced using their own experience, which would be difficult, discontinuous and less reliable in the process of construction. Considering the disadvantage of the manual control process, this paper presents a predictive control system for air chamber pressure in slurry shield tunneling using Elman neural network (ENN) model. It mainly contains a theoretical model, an ENN predictor and an ENN controller to set optimal control parameters automatically tracking the desired air chamber pressure. Moreover, to improve the learning capability of ENN model, a particle swarm optimization (PSO) algorithm is implemented. This system has been tested with collected data of slurry shield operation parameters in the Yangtze riverbed metro tunnel project in Wuhan, China. Analysis revealed that the predictive control system using PSO-based Elman neural network model in this paper has the potential for enhancing face stability in slurry shield tunneling.