跨海隧道泥水盾构泥浆劣化试验研究

为解决泥水盾构在海底掘进时海水及含盐地层侵入导致泥浆性质劣化的问题，以厦门地铁3号线五缘湾站—刘五店站（五刘区间）海底隧道工程为依托，通过膨胀指数试验分析淡水、海水及NaCl溶液膨化造浆的区别，并通过海水混入淡水泥浆试验分析海水对泥浆性质的影响。试验结果表明： 1）相较于淡水造浆，利用海水或NaCl溶液造浆会使膨润土泥浆的电位显著降低，膨润土的膨胀性变差，甚至几乎不能膨化； 2）向膨水质量比为1∶10的淡水泥浆中添加海水，当海水添加质量达到泥浆质量的10%时，泥浆便分层离析、泌水； 3）添加羧甲基纤维素钠（CMC）和HS－3均能提高泥浆稳定性，增加泥浆黏度，降低海水混入时泥浆泌水率。基于以上研究成果，厦门地铁3号线五刘区间采用CMC和HS－3复合改性泥浆实现安全顺利穿越富水高渗透地层。     

泥浆颗粒级配和地层孔径对泥水盾构泥膜形成的影响

为了研究影响泥水盾构开挖面上泥膜形成质量的主要因素,通过三维颗粒流程序(PFC3D)模拟了不同颗粒级配和不同密度的泥浆在泥浆压力作用下向不同孔径的地层中移动和泥膜的形成情况。模拟结果表明:增大泥浆d_(85)和泥浆密度有助于在地层表面形成良好的泥膜;地层孔径较大时,不易形成良好的泥膜,需要选择与之匹配的泥浆颗粒级配和泥浆密度。数值模拟得到了与室内试验一致的3种泥浆颗粒堆积形态:泥皮型、泥皮+渗透带型和渗透带型。当泥浆d_(85)与地层平均孔径Dp的比值d_(85)/D_p和泥浆密度较大时,堆积形态为泥皮型;当d_(85)/D_p和泥浆密度较小时,堆积形态为渗透带型。3种泥浆颗粒堆积形态中地层水压力从大到小排序为渗透带型、泥皮+渗透带型、泥皮型,而地层水平应力从大到小排序为泥皮型、泥皮+渗透带型、渗透带型。泥膜的支护机理为由泥浆和地层的水压力差对泥膜的作用力平衡地层的侧向土压力来保持开挖面的稳定。因此,形成的泥膜质量越好,泥膜的渗透系数就越小,泥膜处产生的水压力梯度就越大,可以提供的维持开挖面稳定的水平有效应力也就越大。影响泥膜形成质量的主要因素是泥浆颗粒级配、泥浆密度和地层孔径;在泥水盾构施工时,可以根据地层孔径调整泥浆颗粒级配和泥浆密度,使开挖面上能够形成良好的泥膜,从而保证开挖面的稳定。     

海水环境下盾构泥浆性能试验研究

为解决泥水盾构在海水地层中掘进时的泥浆配制问题，以苏埃通道工程为依托，采用室内试验的研究方法，进行淡水泥浆和海水泥浆的性能对比试验和海水渗入淡水泥浆试验，以及海水泥浆的不同添加剂和固相材料配比试验，并开展淡水泥浆在海水地层环境中的成膜试验，得到以下结论： 1）无添加剂时淡水基浆中膨润土比例宜取为18%~24%，对于质量分数为30%的基浆可通过添加纯碱来降低黏度； 2）随着膨润土含量的增加，不同海水渗入量对淡水泥浆胶体率的影响降低、对黏度的影响提高； 3）HPMC可提高海水泥浆的胶体率，降低离析速率，但会使泥浆黏度增大； 4）固相比例不变时，加入黏土可改善膨润土与HPMC反应黏度过大的问题，但会提高海水泥浆的滤失量； 5）18%比例的膨润土淡水泥浆在苏埃通道工程海水环境下的砂性地层中成膜效果较好。     

反压条件下泥水盾构开挖面泥膜致密性评价试验

为了准确评价泥水盾构存在反向水压条件下开挖面形成泥膜的致密程度,利用自制的可施加反压的泥浆渗透装置,开展6组不同压力条件下的泥浆渗透试验,通过测试试验过程中的滤水量和地层孔压的变化,以及形成泥膜的厚度和含水量,计算泥膜渗透系数、干密度及有效泥浆压力转化率等指标,分析有、无反压条件下泥膜的致密程度差异及其形成机理。研究结果表明,反压的存在降低了有效泥浆压力转化率,使得形成的泥膜孔隙比和渗透系数更大,干密度更小,即泥膜结构更为疏松;采用滤水量与泥膜体积的比值较单独采用滤水量可以更准确地评价泥膜的致密程度,其比值越大表示单位体积的泥膜内含有的土颗粒越多,泥膜结构越致密。研究结果对实际工程中泥膜质量的评价及开挖面稳定性分析有重要意义。     

不同渗透系数地层中泥浆渗透成膜试验研究

为了改善泥浆在高渗透性地层中难以成膜的问题,给泥水盾构工程中泥浆的配制提供参考,针对膨润土泥浆在砂土地层中渗透成膜的过程,以某高铁隧道砂卵石地层中泥水盾构施工为背景,开展了泥浆在不同渗透系数地层中的成膜试验。试验采用自行设计的内径为300 mm的泥浆渗透装置,利用分级加压的方式使泥浆压力转化为地层的有效支护压力,分析了地层渗透系数、泥皮厚度、泥浆滤失量三者的关系以及成膜的判断方法。研究结果表明:泥皮厚度随着地层渗透系数的变大表现为先增大后减小,而泥浆滤失量随之不断增大,在泥皮厚度增大阶段厚度与滤失量成正相关,在泥皮厚度减小阶段厚度与滤失量成负相关,泥皮厚度最大值点是泥浆渗透有效成膜的转折点;过泥皮厚度最大值点的k线可为泥浆适应性判断提供参考,k线左侧是泥浆渗透成膜的稳定区域,而在k线右侧区域,泥浆颗粒的消耗量与滞留量呈负相关,泥浆的适应性较差;采用D₁₅/d₈₅的值能大致地划分泥浆的渗透成膜类型,D₁₅/d₈₅在10附近是成膜是否有效的过渡区,该区域对应k线右侧临近区域,泥浆渗透可以形成泥皮,但稳定性较差,故泥皮不能作为有效泥膜形成的标志;增大泥浆中颗粒的粒径能提高泥浆的成膜能力,使泥浆k线向右移动,能有效解决泥浆在高渗透性地层中成膜难的问题。     

砂性地层中盾构泥浆粗粒材料对成膜效果的影响

为了解决泥水盾构工程中高透水地层开挖面上泥膜形成困难的问题,从改善泥浆成膜性能的角度出发,在泥浆中添加轻质砂作为粗粒材料,开展加砂泥浆在砂性地层中的渗透成膜试验研究。改变泥浆中粗粒材料的粒径和添加量,测定不同加载条件下的成膜滤失量。根据成膜时间和冲破压力等成膜指标,分析粗粒材料对泥膜形成效果和修复能力的影响,探明加砂泥浆的成膜空间分布特征,揭示粗粒材料在不同孔隙尺寸的砂性地层中的堵塞机制。结果表明：泥浆粗粒材料可有效堵塞地层孔隙并提高成膜效率,提高泥膜冲破压力和修复能力;泥膜形成区域可以分为前端扩散区、初始形成区及后端形成区,初始形成区和后端形成区的泥膜承担了大部分水土压力;粗粒材料粒径与地层孔隙直径的比值关系决定了初始形成区的分布区域、分布形态及发展方向;粒径较小的粗粒材料（0.3 mm或0.5 mm）与泥浆颗粒能产生良好的协同作用,形成稳定的架桥结构,泥膜更为致密,质量较好;而添加粒径较大的粗粒材料（0.75 mm或1.0 mm）将产生较大的滤失量,或者难以形成泥膜;加砂泥浆的成膜效率随着粗粒材料添加量的增加而大幅提高,但添加量增加到一定程度后,这种提升效果显著减弱。特定粒径的粗粒材料具有一定的适用范围,因此需要根据地层孔隙特征合理选取粗粒材料的粒径和添加量以达到最佳的成膜效果。     

泥水盾构带压开舱时泥浆配制及泥膜形成实验研究

在水下盾构隧道的建设中难免会出现盾构停机进行开舱检修的情况,带压开舱是目前水下隧道开舱常用的方法之一。然而,如何调整泥浆使其在开挖面上形成泥膜对开挖面稳定更有利,是工程界极为关注的问题。结合南京长江隧道工程在砾砂地层中的带压开舱作业,开展泥浆配制及成膜实验研究。提出先以低密度、低黏度的泥浆形成渗透带,再以较高密度、高黏度的泥浆形成泥皮型泥膜的2步调整的泥浆方案,并在现场带压开舱作业中进行了应用,形成了气密性良好的泥膜,保障了开挖面的稳定,对今后类似的泥水盾构开舱时的泥浆配制有重要参考意义。     

PAM类有机絮凝剂对高黏粒含量废弃泥浆脱水性能影响研究

针对泥水盾构长距离穿越粉质黏土地层时产生的大量高黏粒含量泥浆难以快速脱水的问题，开展PAM类有机絮凝剂与泥浆混合后的絮凝沉降试验，研究泥浆中颗粒沉降速率的变化，通过颗粒粒径、上清液浊度和Zeta电位等性质变化分析絮凝沉降效果的差异，并通过比阻试验评价其脱水性能。结果表明： 1）阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）添加量为0.12%~0.15%、阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）添加量为0.06%~0.09%时絮凝沉降效果较好，可在2 h之内降低泥浆约10%的水分； 2）非离子型聚丙烯酰胺（NPAM）无法有效降低泥浆含水率； 3）PAM类絮凝剂通过团聚泥浆中黏土颗粒形成大尺寸的絮团，是实现泥浆快速絮凝沉降的关键因素，APAM对泥浆Zeta电位影响较小，CPAM添加量的增加使Zeta电位逐渐减小； 4）PAM类絮凝剂可加快泥浆的前期排水速率，使泥浆比阻值降低至1013 cm/g数量级。     

盾构静-动态泥浆渗滤成膜及支护效率控制方法

近年来，泥水盾构在越江跨海隧道中被广泛应用，隧道开挖面“泥浆-土水”相互平衡作用是工程安全的关键。盾构泥浆能否成膜、动态掘进泥膜是否存在、动态泥膜如何发挥支护作用等问题受到广泛关注，理清这些问题是保障开挖面稳定的基础。对此，基于多相流理论提出了泥浆“渗滤-成膜-生长”瞬态力学模型，探明了泥浆的流体特性和地层的水力传导性质的时空变化规律，揭示了盾构停机静态成膜和掘进动态成膜机制，并通过静、动态成膜2个实例计算验证了理论方法的适用性。研究结果表明：盾构静态停机状态下通常为全断面泥膜，泥浆以面力形式进行支护，盾构掘进时表现为动态局部泥膜，泥浆压力可较长距离前向传递，以渗透力的形式发挥作用；盾构掘进时开挖面泥膜分布为多辐扇形的局部泥膜，可分为泥膜渐变区和无泥膜区，无泥膜区域靠近先行刀臂，随着刀盘转速的增加，泥膜的厚度和泥膜面积逐渐减小；实际工程中，可以从泥浆材料和掘进参数两方面提升泥浆的支护作用，一方面根据地层-泥浆粒径比和泥浆黏度双控指标进行泥浆配置，另一方面宜降低盾构刀盘转速，同时适当增加掘进速度，充分发挥局部泥膜的支护作用，提高泥浆的支护效率和开挖面的稳定性。研究成果对泥水盾构施工安全有一定的指导意义。     

衡盾泥在带压开舱时的闭气保压效果研究

为研究衡盾泥在带压开舱时的闭气保压效果,通过室内试验及理论计算的方法对衡盾泥的泥膜气密性进行分析。结果表明： 1）3 d龄期的衡盾泥泥膜中自由水所占比例约为10％; 2）在0.292 MPa压力下,改良黏土浆体泥水质量比为1∶2、塑化剂掺入质量比为1/20、成膜龄期为3 d的衡盾泥泥膜,仅1.7％的孔隙可能出现渗气; 3）衡盾泥泥膜渗气系数为10-8~10-7 cm3/s,换算到直径为6 m的隧道开挖断面上,泥膜的渗气量为2~3 m3/h,盾构开舱时配置的空压机完全满足补气条件。     

不同渗透系数地层的泥水盾构泥浆成膜性能试验研究

泥水盾构在高渗透性地层施工时,泥浆在泥浆压力与地下水压间压力差的作用下,容易渗透进入地层,形成较大的滤失量,甚至是完全滤失,而不能在开挖面上形成质量良好的泥膜,这对维护开挖面稳定很不利。针对这一难题,本文基于泥浆与地层的匹配性展开了泥水盾构泥膜形成规律的研究,旨在通过室内高压泥浆渗滤试验获得泥膜的形成类型与分类、不同地层影响泥膜形成质量的主要泥浆特性参数,以及泥浆在各地层的成膜规律,该研究成果在工程中得到了成功应用。     

砂卵石地层中泥膜支护土压盾构施工试验

为了给盾构机在砂卵石地层中安全顺利的掘进提供参考,针对砂卵石地层中土压盾构掘进时开挖面稳定性难以控制、泥水盾构渣土排出困难的情况,提出一种使用泥膜支护开挖面,并使用螺旋排土器进行排土的新型盾构施工方法。考虑泥浆掺加量对泥浆砂卵石混合土在地层中的渗透及支护应力传递模式的影响,进行了不同泥浆掺加量下泥浆砂卵石土的渗透试验研究。在自制的渗透试验装置中,对6组不同泥浆掺加量的泥浆砂卵石混合土进行渗透试验,通过测定压力作用下地层及混合土中超静孔隙水压力及滤水量变化,分析泥浆砂卵石混合土的支护应力传递模式,讨论泥膜支护土压盾构的泥浆掺加量范围。结果表明:随着泥浆掺加量的增加,地层中的超静孔隙水压力消散速率在增加;存在3种应力传递模式,分别是孔隙水压力型传递、泥皮加渗透带型泥膜传递以及泥皮型泥膜传递;泥浆掺加量为23%~25%时可以实现泥膜支护。     

可替代膨润土制作泥浆的新型添加剂

正日本土木工程添加剂制造商Geox开发了一种添加剂"B-141",可以用少量的材料制造大量用于地下开挖工程的泥浆。泥水平衡盾构使用加压泥浆作为支护材料。泥浆被送入泥水舱后,在开挖面上形成不透水的泥膜,通过该泥膜作用于开挖面的水土压力以平衡开挖面,而且渣土也更容易排出。加压泥浆一般是由膨润土粉末和水混合制成(通常为膨润土悬浮液)。B-141添加剂是在制作纸尿裤的高分子聚合物基础上改良得到的液体化学物质。使用B-141添加剂制作泥浆,所需材料的质量只需膨润土制作泥浆时的1/50。     

南京纬三路过江通道泥水盾构泥浆配制试验研究

泥水盾构以其良好的适应性在过江过河隧道中得到了广泛应用。合理的泥浆配比及泥浆参数直接关系到盾构掘进的效率、安全及施工成本。以南京纬三路过江通道为背景,选取隧道穿过的4种砂性地层进行泥浆成膜试验,得到各地层的泥浆成膜参数;然后利用淤泥质粉质黏土地层中产生的废弃泥浆作为基础材料,向其中添加膨润土浆或CYHS-3型增黏剂溶液,得到满足4种地层施工需要的泥浆配方。结果表明:1)密度小于1.05 g/cm3的泥浆,不适于在砂性地层中成膜;2)膨润土浆和增黏剂溶液可以调节泥浆黏度;3)当泥浆黏度大于20 s时,膨润土浆对泥浆黏度有明显的调节作用;4)泥浆密度越大,增黏剂溶液对泥浆黏度的提高越明显,当泥浆密度小于1.10 g/cm3时,增黏剂溶液对泥浆的黏度几乎没有影响。     

土压盾构在富水粉砂地层中浓泥渣土改良技术研究

为解决土压盾构在富水粉砂地层掘进过程中存在的刀盘转矩过大、开挖面稳定难以控制及排土困难等问题,提高该地层盾构施工的安全性及稳定性,以无锡地铁3号线富水粉砂地层盾构区间为依托,提出土压盾构浓泥渣土改良技术,并开展土压盾构浓泥渣土改良现场试验,研究掘进过程中开挖面前地层中孔隙水压力、盾构掘进参数及地层沉降的变化规律。结果表明： 1）向开挖面注入4 m3/环泥浆后,能够将渣土的坍落度由原来的7.5 cm提高至14.5 cm,降低盾构闭舱和喷涌风险,且能减小土压、推力及转矩的变化波动; 2）浓泥浆在开挖面形成泥膜效应,可以有效降低掘进过程引起的孔隙水压力,最大可减小20 kPa。掘进完成地层稳定后,与未添加浓泥渣土改良掘进的地层相比,地表沉降值减小26.7%。     

废弃泥浆在盾构壁后注浆中的应用

在泥水盾构施工过程中不可避免地会产生大量的废弃泥浆,处理泥浆一是需要较高的资金投入,二是可能会对环境造成严重污染。利用废弃泥浆配制壁后注浆砂浆,利用盾构弃浆代替砂浆中的膨润土和水,研究弃浆对壁后注浆砂浆工程性能的影响。结果表明:1)相对体积质量为1.16、黏度为22 s的泥浆配制壁后注浆材料可得到较好的流动性和稠度,并且泌水率优于原配比;2)相对体积质量为1.27、黏度为24 s的泥浆会明显降低砂浆的流动度,对砂浆可泵送能力有一定的影响;3)适当调整水胶比和泥浆相对体积质量,配制壁后注浆材料各方面性能均能达到壁后注浆材料的要求;4)废弃泥浆配制砂浆是一种既经济又环保的弃浆处理回收再利用的工艺工法。     

广深港客运专线狮子洋隧道泥水盾构泥浆综合管理技术

泥水盾构在穿越软弱不良工程地质及有高压涌水风险的地层施工过程中,确保泥浆系统高效运转、达到盾构快速掘进是当前泥水盾构施工面临的重要课题之一。介绍狮子洋隧道泥浆管理过程中泥浆配制、泥浆循环及泥水处理技术,并对盾构穿越特殊地层的泥浆管理技术进行总结。主要结论与建议如下:1)泥浆材料种类繁多,需要考虑经济因素及地层条件,合理选择泥浆配置主要材料及外加剂;2)泥水盾构穿越复杂地层时泥浆的各项性能指标必须根据地层变化情况及时进行调整;3)进一步开展泥浆黏粒含量、失水量及胶体率等参数现场快速测定试验研究。     

海洋环境基桩海水泥浆工程特性试验研究

福建琅岐大桥主桥为主跨680m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥,基础采用钻孔灌注桩,采用海水配制泥浆。为确定泥浆材料中膨润土及添加剂用量的最优比例,采用3因素5水平正交试验对海水泥浆的工程特性进行研究,分别针对膨润土、增黏剂和纯碱3个因素的5种含量开展泥浆性能试验,分析各因素含量对泥浆性能指标的影响。结果表明:膨润土含量增加,泥浆的比重、黏度、含砂率、泥皮厚度及胶体率均明显增大,失水量有所减小;增黏剂含量增加,泥浆的失水量迅速减小,黏度、胶体率、泥皮厚度显著增大;纯碱含量增加,泥浆的黏度、pH值和胶体率增大,失水量减小。该桥最终采用的泥浆配合比为落潮海水∶膨润土∶PAM∶纯碱=1 003∶100∶0.015∶2.5,泥浆各项性能指标均满足工程技术要求。     

胶州湾海底隧道穿越破碎带渗流有限元模拟

水下隧道最小覆盖层分析是设计过程中关系安全和经济的重要因素。以青岛胶州湾海底隧道工程为背景,建立不同覆盖层厚度的海底隧道渗流有限元计算模型,分别就隧道穿越f3-1破碎带时的涌水量、渗流速度、孔隙水压力以及注浆圈参数选取开展研究和讨论。研究表明： Park公式与有限元涌水量计算结果较为吻合;覆盖层厚度较大时,渗流最快区域出现在拱脚;覆盖层厚度较小时,拱脚和拱顶中心均渗流较快;边墙和底板的孔隙水压力变化梯度随覆盖层厚度的增加而增大,拱顶规律相反,并且覆盖层厚度超过22 m后孔隙水压力变化梯度基本保持不变;从可靠性和经济性两方面综合考虑注浆圈厚度和渗透系数参数选取,本文给出了注浆圈参数建议取值范围为： 注浆圈厚度为4～6 m,渗透系数为1×10-7～2×10-7 m/s。     

砂地层孔径分析及其对泥浆在地层中渗透性的影响

为明确砂地层孔径分布特征及其对泥浆在地层中渗透的影响，采用压汞试验对5组均一粒径的砂地层孔径进行实测，并参考谢拉德等计算砂砾料滤层孔径的方法，基于等直圆管对砂地层孔径计算方法进行改进。同时配制9组不同性质的泥浆在不同孔径的砂地层中开展泥浆渗透试验，依据渗透试验结果讨论地层平均孔径与泥浆颗粒粒径之间的对应关系。以泥浆在砂地层中形成泥皮+渗透带的渗透试验为例，通过测试泥浆在地层中渗透流量的变化，并计算地层渗透系数的变化分析砂地层孔径对泥浆在地层中渗透的影响。研究结果表明：基于等直圆管进行计算的地层平均孔径与压汞法实测的孔径结果相符，即为地层中频率最大的孔隙的孔径；该计算方法考虑了对达西定律中渗透流速和渗径的调整，适用于颗粒粒径较为均匀，孔径较为单一的砂地层；泥浆在高渗透性地层发生渗透时，地层孔径越大，形成泥皮或泥皮+渗透带所需泥浆颗粒的粒径越大，地层孔径大小直接决定了通过孔隙的泥浆颗粒的粒径大小；渗入地层孔隙中的泥浆颗粒在地层中形成稳定淤堵，改变了地层的物理结构，降低了地层的渗透性，阻碍了泥浆的渗透过程；地层孔径与泥浆颗粒粒径之间的对应关系是影响泥浆渗透结果的关键因素。