双圆盾构隧道同步注浆扩散及环向压力研究

假定双圆盾构盾尾注浆浆液为牛顿流体,并考虑到浆液粘度随时间变化的特性,提出双圆盾构的管片同步注浆的两阶段扩散机理。浆液首先在盾尾注浆孔附近呈球形扩散,继而沿着盾尾间隙范围内弧形扩散。推导了双圆盾构管片同步注浆的浆液扩散半径及其沿管壁的环向压力计算公式。     

基于透明土技术的泥水盾构开挖面泥膜渗透特性研究

为了更直观的观测盾构泥浆成膜试验中注浆扩散和泥膜形成过程,开发了一套泥水盾构开挖面可视化注浆试验系统,采用透明土和透明浆液结合光学技术开展多种变量下泥水盾构泥浆渗透过程的可视化试验,记录各横纵断面渗透图像,并对图像进行二值化处理,探究了地层粒径与浆液粘度对泥浆扩散形态的影响,并评估了所形成泥膜的渗透特性,研究结果表明:浆液在地层中的渗透距离是评估泥膜形成质量的重要标准,而地层的孔径和泥浆粘度是影响浆液渗透距离的重要因素。在高渗透性土层条件下,减小盾构机刀盘开口率和注浆压力有助于形成泥皮型泥膜。试验结果对盾构的泥浆工程具有重要的指导意义。     

变态混凝土施工中浆液的渗透机理

首先分析了变态混凝土混合物(MC)的特性,认为碾压混凝土拌合物(RCC)可视作各向同性、孔隙分布均匀的多孔介质,MC浆液可视为幂律型流体.通过仿真发现在重力作用下,MC浆液在RCC中的渗透近似柱形扩散.因此基于柱形扩散理论,假设浆液渗透流动为层流,建立了变态混凝土施工中的注浆模型.运用渗流力学基本定律,推导出浆液扩散半径与注浆压力、渗透系数、稠度系数、流变指数、注浆管半径、注浆时间和孔隙率之间的关系.通过因子分析,研究了各参数对浆液扩散半径的影响,结果表明:注浆压力、流变指数对扩散半径的影响最大,渗透系数的影响次之,稠度系数和孔隙率的影响相对较小.本研究为多管插入式压力注浆施工方法提供了理论依据.     

软土地层浅埋盾构施工的精细化数值模拟

为研究盾构隧道浅埋施工过程中多种因素对地层的扰动影响,基于有限差分平台建立模拟盾构动态开挖的精细化数值模型,考虑刀盘摩擦力、开挖面支护力、盾尾注浆压力和盾壳摩擦力对周围土层的综合作用,并将盾尾注浆时压力消散和浆液凝固的对应关系分阶段、分区域赋值,实现了对施工过程的精细模拟。利用厦门地铁1.0D埋深盾构隧道工程现场监测结果对数值模型进行验证,计算并总结了浅埋开挖引起软土地层的扰动变形规律,进而研究了各施工因素对扰动效果的影响。结果表明：软土地层盾构施工过程中,以刀盘顶推作用为主的机械开挖使前方土体径向扩张,开挖空间上方土体隆起,两侧土体外移;盾尾注浆阶段,在开挖空间两侧各1.0D范围内形成沉降槽,且随注浆压力消散逐步加深,隧道侧面土体水平位移在注浆层凝固期间,出现近场回弹和远场扩张现象;刀盘驶过目标断面3.0D后地层变形趋于稳定。刀盘摩擦力和盾壳摩擦力的增大会进一步加剧地层扰动变形,而开挖面支护力及盾尾注浆压力增大时,地表沉降有所减缓,侧面水平位移显著增加。因此,施工参数的选取应考虑对隧道周边地层扰动程度的均衡。     

基于颗粒吸附概率模型的渗透注浆滤过机制研究

滤过效应对悬浊液渗透注浆扩散具有重要影响,滤过系数为渗透扩散关键影响参数,现有研究多将该系数假定为常数,具有较大局限性。考虑渗流域内各组分质量守恒,引入线性滤过定律,采用颗粒沉积概率模型描述水泥颗粒在多孔介质内沉积吸附行为,建立了考虑渗滤效应的水泥浆液渗透注浆柱形扩散理论模型。基于一维渗透注浆试验过程信息,提出了柱形扩散理论模型参数反演确定方法。开展了三维渗透注浆柱形扩散模型试验,结合理论模型计算结果,对比分析了孔隙率及浆液压力时空变化规律,探讨了注浆速率及浆液水灰比对滤过机制影响规律,并对理论计算模型准确性进行了验证。结果表明,注浆速率越小,注浆口处孔隙率衰减量越大,同时孔隙率沿浆液扩散方向衰减越剧烈;浆液水灰比越小,孔隙率衰减越快,滤过效应越显著。与试验值对比,所建立模型孔隙率最大计算误差小于12%,注浆压力最大计算误差小于14.2%,所建立模型可较好地描述水泥浆液多孔介质柱形扩散过程。     

盾构隧道同步注浆的压力分布及其影响因素

结合城市地铁盾构法隧道工程实际,以盾尾同步注浆浆液环向填充过程为研究对象,选取环向任意一点建立注浆压力力学模型.假设浆液符合宾汉姆流体,应用流体力学与极限平衡法的基本原理,推导盾构壁后同步注浆环向填充压力分布统一计算模型,并将此模型推广到多孔注浆情形.工程实例分析表明,推导的盾构同步注浆压力分布统一模型合理;小径盾构隧道宜采用四孔注浆,大径盾构隧道宜采用六孔或多孔注浆方式;注浆孔位置、盾尾间隙和截面流量对浆液压力分布有重要影响,应在盾构施工中予以重视.     

盾构隧道壁后注浆充填模型

在明确浆液流变特性及流变参数的基础上,基于宾汉姆流体方程推导了壁后同步注浆充填模型.通过参数敏感性分析表明,随着浆液流变参数增大、盾构掘进速度加快、注浆压力减小、管片外半径增大、注浆孔数量减少,浆液对盾尾空隙的注浆充填率均呈非线性降低趋势.     

盾构隧道壁后注浆浆液组分对其渗透性影响研究

在盾构施工中,选用浆液配比时往往根据经验,造成浆液性质和地层不匹配,得不到理想的注浆效果。从浆液配比方面入手,采用单因素分析法,做变水头试验测出浆液的渗透系数,得到不同浆液配比时,浆液自身渗透性的变化规律,并进一步分析浆液与地层的匹配关系。试验结果表明,当浆液其它成分不变时,浆液自身的渗透性随水泥、粉煤灰、膨润土用量的增多而减小,随砂、减水剂用量的增多而增大。     

促凝材料对同步注浆凝结时间的影响

为消除普通同步注浆浆液凝结时间过长对盾构施工的不利影响,通过在普通同步注浆浆液中掺入促凝材料(AB料)配制新型同步注浆浆液,研究AB料用量对同步注浆浆液凝结时间的影响,确定新型同步注浆浆液的最优配比;采用偏光显微镜观察硬化同步注浆的微观结构,分析AB料对同步注浆微观结构的影响;将普通同步注浆浆液和最优配比的新型同步注浆浆液应用于合肥轨道交通4号线伊宁路至巢湖路区间隧道右线。结果表明:掺入AB料的同步注浆浆液凝结时间大幅降低,新型同步注浆浆液各材料最佳用量为水410 kg/m3、水泥220 kg/m3、粉煤灰330 kg/m3、砂850 kg/m3、膨润土60 kg/m3、A料20 kg/m3、B液25 kg/m3;掺入AB料使硬化同步注浆的表面结构更致密,渗透性能得到改善;与普通同步注浆浆液相比,新型同步注浆浆液有效降低了盾构管片的上浮量,降幅达70.5%。     

浆液性质对注浆压力及扩散方式的影响规律

为研究浆液性质对于注浆压力及浆液扩散模式的影响规律,设计了注浆扩散模拟试验系统。该系统通过采用整体填土压实,相比常规人工分层填土压实,可有效避免土体内部层间界面的产生,从而避免层间界面对于浆液扩散的影响。通过上述注浆扩散模拟试验系统开展了羧甲基纤维素钠浆液(模拟渗透注浆)、水泥单液及水泥-水玻璃浆液的土体注浆试验,分析注浆压力及浆液扩散特征,并针对注浆压力进行理论分析验证。研究结果表明:浆液性质对于注浆压力增长及劈裂特征点具有显著影响,通过分析注浆压力增长趋势及劈裂特征点特征可判定浆液扩散模式。     

三面围合盾构隧道底板注浆对地下通道结构的影响

通过理论推导得出在三面围合状态下盾构隧道施工时,地下通道底板下注浆压力的分布规律,计算确定了合理的注浆压力,并探讨了注浆压力对地下通道结构的影响。结果表明底板注浆能抵消隧道推进引起的结构变形,甚至产生新的附加变形。当土体损失率越大时,底板注浆对地下通道结构的影响越大。     

Experiment on the silica sol imbibition of low-permeability rock mass: With silica sol particle sizes and rock permeability considered

It’s a universal engineering problem to seal micro-cracks of low-permeability argillaceous rock mass by grouting in the fields of civil engineering and mining. This paper achieved the grouting sealing of low- permeability artificial rocks with the permeability of 0.1–40 mD by adopting silica sol imbibition grouting. The variation characteristics of particle size, viscosity, and contact angle of silica sol during solidification and the pore size distribution of low-permeability artificial rocks were measured, and spontaneous imbibition tests of the artificial rocks were carried out. Finally, combined with the imbibition theory, percolation theory, and fracture medium grouting principle, the silica sol imbibition mechanism of low-permeability rocks and soil was discussed. The results show that: (1) Silica sol can be injected into artificial rocks with the minimum permeability of 0.1 mD through spontaneous imbibition; (2) The particle size increase of silica sol leads to decreased wettability, affinity, and injectability in grouting materials; and (3) In the range of 0.1–40 mD, the grout absorption first increases and then decreases with increased permeability. The number of large pores and fractures in the rock mass is related to injectability, and the number of small and medium pores is related to the internal driving force of imbibition. This study provides a theoretical basis for silica sol grouting sealing of low-permeability argillaceous rocks and is, therefore, an important reference for application.     

盾构施工盾尾注浆硬化过程数值分析研究

简要介绍了盾尾注浆的目的及类型.在假定其他参数已知的条件下,通过实例,用有限元程序GTS模拟考虑盾尾注浆硬化过程和未考虑硬化过程两种盾构施工情况.研究结果表明:盾构施工过程中,受浆液长期固结影响,地表会产生进一步的沉降.充分考虑浆体硬化作用,利用监控压注浆液的硬化情况控制后期沉降是一种有效的地层沉降控制手段.     

Comparative experimental investigation of chemical grouting into a fracture with flowing and static water

We present a series of experimental tests on chemical grouting into a fracture with flowing and static water, using a transparent fracture grouting experimental device. Variations of seepage pressure and grout propagation were compared in our investigation. The results show that flowing water results in drops of seepage pressure, development of penetration radii in the upstream side and drops of propagation area during the same period, compared with grouting in static water. The propagation area in static water is always round before grouts reach the joint boundaries. However, the propagation shape changes from round to an elliptic shape for grouting into a fracture with flowing water. A theoretical model for the grout penetration radius in a fracture considering flowing velocity was developed and validated by our experimental results. These results are helpful in improving understanding of fracture grouting mechanism and in guiding engineering practices.     

盾构隧道壁后注浆浆体变形特性

利用浆体变形单元体模型试验装置,研究了不同浆体压力、不同围岩土质条件以及不同地下水压作用下的盾构壁后注浆体的变形规律。试验研究表明,较高的浆体压力有利于加快浆体排水固结速率并增大浆体的最终变形量。土体的渗透系数是影响浆体变形的重要因素。在砂性土体中,地下水压对浆体的变形影响较大,在粘性土体中,浆体压力对浆体的变形影响较大。该装置可以用于研究浆液注入盾尾空隙后的受力状态、浆体的变形特性,有助于更深入地明确壁后注浆控制地层应力释放和地层变形作用。     

桩底灌浆分析

提出了一个在土骨架不可压缩假定下分析柱底灌浆压力场的方法。该方法在径向渗流理论基础上考虑了浆液与水之间的相互作用,求解了灌浆引起的超静水压力及其梯度、灌浆量及浆球半径关系、灌浆量的计算,并给出了同现场灌浆资料确定浆液渗透系数的方法。讨论了一些对灌浆压力场有重要影响的参数。     

盾构隧道同步注浆浆液配合比优化设计

盾构法施工过程中,盾尾同步注浆对控制隧道轴线上浮和地面沉降起着至关重要的作用.为使盾构隧道同步注浆浆液具有较好的工作性能,选用水泥、粉煤灰、膨润土、砂、水作为原材料,采用正交设计的方法进行试验,探讨了浆液各原材料对浆液稠度、凝结时间、泌水率、7d抗强度等指标的影响规律及同步注浆浆液配比的优化方向.试验表明:水泥是影响凝结时间和抗压强度的主要因素,水泥的加入能够缩短凝结时间、增大抗压强度和降低泌水率;粉煤灰能改善浆液和易性;膨润土有增稠、保水的作用,能提高浆液稳定性,但掺量要控制在一定范围内;砂作为浆液骨料起填充作用,主要影响浆液稠度,砂的用量与浆液稠度大小呈反比趋势;水是影响泌水率的主要因素,用水量增加导致浆液泌水率、稠度增大,凝结时间变长.最优的配合比为:水泥∶粉煤灰∶膨润土∶砂∶水为160∶400∶50∶830∶360,制备的浆液稠度为11~12cm,凝结时间为10~13h,泌水率不高于3%,7d抗压强度不低于2MPa.     

盾构隧道的近接施工对已建隧道产生的影响

为了研究天津市软土地区新建盾构隧道近接施工对已建隧道产生的影响,以天津地铁某区间最小净距为0.98 m的双线盾构隧道开挖工程为背景,采用有限元软件刚度迁移法,分析了在土体局部加固的情况下新建隧道掘进过程对已建隧道周围土体位移及衬砌内力与变形的影响,并将地表变形计算结果与实测数据进行了对比分析.结果表明:在注浆加固条件下,已建隧道的位移及内力都有较大程度的降低,但在加固区与未加固区交界附近可产生一定的突变,在现场施工时该段范围应重点监控.     

Chemical grout diffusion in porous rock based on response of geoelectric field

Porous rock chemical grouting simulation test was conducted using established large scale physical model. Chemical grout diffusing rule in porous media with different permeability was studied by monitoring the spontaneous potential and exciting current response during grouting. The results show that chemical grout spread evenly in all directions and diffusion areas are approximately concentric circles in the cross section of homogeneous transverse isotropic pore medium, the grout spread filling range can be quantitatively decrypted by the diffusion radius. The average diffusion speed and radius increase approximately as the square root with the permeability coefficient in different permeability media under the same conditions. Calculation results using Maag cylindrical diffusion equation show that the calculated value of diffusion radius is in good agreement with the test value under different grouting pressures and permeability conditions.