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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

海水侵入条件下泥水盾构泥浆及泥膜性质变化试验研究

为探究采用泥水盾构进行海底隧道建设时,海水易从开挖面进入泥水舱并与泥浆混合,导致泥浆泌水率等参数发生变化,进而影响泥膜的性质和开挖面的稳定性问题,配制不同海水添加量的泥浆,测试泥浆的泌水率、黏度和ζ电位等参数变化,并对泥膜的孔隙比、渗透系数等参数进行测试。试验表明： 1）海水的侵入明显增大了泥浆的泌水率,降低了泥浆的黏度和ζ电位。 2）随着海水添加量的增加,泥膜的孔隙比降低,渗透系数由10-9 cm/s增大到10-7 cm/s。 3）导致泥浆泌水率及泥膜渗透系数变化的根本原因是随着海水的添加,泥浆的ζ电位逐渐降低,泥浆颗粒间斥力减弱,宏观上表现为快速沉淀、析水; 同时,由于泥浆颗粒吸引的阳离子增多,结合水膜变薄,形成泥膜的有效孔隙变大,宏观上表现为渗透系数增大。     

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。     

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。     

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。     

级配对粗粒土力学特性影响的颗粒流模拟研究

运用三维颗粒流软件PFC3D的内置FISH语言,进行二次开发,模拟粗粒土真实级配,建立一个研究高铁填方路基粗粒土力学特性的颗粒流模型,标定了表征粗粒土细观力学性质的模型参数,并验证了模型的有效性。考虑粗粒土曲率系数和不均匀系数对颗粒级配的影响,模拟并研究了五种不同级配下粗粒土在三种不同围压下的力学特性。结果表明:当粗粒土有效粒径与中值粒径及限制粒径的差距过大时,粗粒土中颗粒填充及致密性将变差,变形增大,强度降低;级配良好且不均匀系数较大,其力链分布越均匀,颗粒的挤压效果越显著,力的传递和分配也越均匀。     

南京纬三路过江通道工程技术难点分析

结合南京纬三路过江通道工程特点和地质条件,分析长距离穿越高渗透、高水压的砂卵石复合地层所面临的开挖面稳定性控制、泥浆成膜、刀盘刀具磨损严重、带压换刀等工程难题,并针对这些难题提出需要开展的高渗透性地层中泥膜的形成、盾构带压开舱方案、泥膜形成机制、高压下泥膜的稳定性和气密性等关键科研课题,为高水压和特长水下隧道的建设提供借鉴。     

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。     

含盐地层顶管润滑泥浆抗盐及抗渗性能试验研究

为解决高含盐地层盐侵顶管润滑泥浆造成滤失量过大、黏度下降、动塑比下降，导致管周摩阻力增大，影响顶管施工的问题，依托山东省黄水东调二期工程的地质勘察结果，选用凹凸棒土、HV-CMC等抗盐材料，通过配浆试验得到配浆水+5%加量凹凸棒土+5%加量膨润土+0.35%加量NaOH+0.8%加量HV-CMC的泥浆配方。采用抗盐试验和抗渗试验测试盐侵前后黏度、滤失量、抗渗性等指标，得到结论如下： 1）钙镁离子由于价位高、水化能力差，盐侵影响大于钠离子； 2）润滑泥浆的黏度随盐侵增大而表现出先迅速减小后趋于稳定的现象； 3）地层粒径对泥浆抗渗性影响很大，建议泥浆使用前增设原状土中的抗渗性测试。     

掘进机黏性渣土结泥饼机制及聚合物改良研究

针对掘进机在黏性地层中施工刀盘结泥饼的问题，以无锡地铁4号线某矩形顶管工程为例，通过添加不同质量的聚合物对不同含水率的渣土进行改良，测试改良前后渣土的黏附强度、不排水抗剪强度及高温环境下渣土的保水能力，并通过液塑限变化分析渣土改良的机制，借助泥饼形成风险分区图评估泥饼形成的风险与改良效果。研究表明： 1）添加聚合物和水对渣土黏附强度有一定影响，增大含水率能显著降低渣土的黏附强度，当渣土含水率为35%~45%时，添加聚合物能有效降低渣土的黏附强度； 2）含水率的增大会降低渣土的不排水抗剪强度，而添加聚合物能有效增强渣土的不排水抗剪强度，当添胶比达到0.15%后增强效果显著； 3）聚合物能提高渣土的液限和保水能力，保证渣土的流塑性满足施工需要； 4）结合泥饼形成风险分区图，比较渣土-金属界面的黏附强度和渣土的不排水抗剪强度，可以综合判断黏性渣土结泥饼的风险和改良效果。     

级配对粗粒土直剪过程中抗剪强度与变形的影响研究

为了分析级配对粗粒土直剪过程中抗剪强度和变形的影响,开展不同级配试样的室内直剪试验,并根据试验结果标定细观参数,建立粗粒土数值直剪试验模型。从宏观和细观的角度探讨级配对粗粒土强度和变形的影响。结果表明:有效粒径、中值粒径和限制粒径相差不大时,空隙填充密实,结构性好,能够承受较大外力;粗颗粒含量多,颗粒间的挤压摩擦更剧烈,强力链增多;细颗粒含量越多,颗粒间孔隙填充不均匀,更易产生压缩变形,位移场越密集;空隙率随曲率系数、不均匀系数的增加先增大后减小。     

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。     

粘性粗粒土的击实试验研究

在对粘性粗粒土的大型击实试验过程中,着重分析了击实功、粗颗粒含量对击实效果的影响,发现最大干密度随着粗颗粒含量的增大而呈抛物线性变化,最佳含水量则随着粗颗粒含量的增大而呈线性减小,粘性粗粒土的最大干密度随击实功的增大而呈抛物线性增大,最佳含水量随击实功的增大而呈线性减小;同时通过大型击实试验与不同超粒径处理方法后的重型击实试验及振动台法试验结果对比发现:只有等量替代法后重型击实试验结果与大型击实试验结果基本一致,其它处理方法后的试验结果偏小,振动台法则明显偏大.     

泡沫-泥浆-聚合物组合改良粗粒土塑流性及渗透性特征研究

土压平衡盾构在富水粗粒土地层中掘进时易发生喷涌现象，仅采用泡沫改良往往无法满足渣土抗渗性要求，膨润土泥浆虽能增强泡沫堵水效果，且具有一定的稳泡作用，但在水压较高、颗粒较粗的条件下泥浆容易流失，需引入高分子聚合物进行组合改良。针对泡沫-膨润土泥浆-聚丙烯酰胺(PAM)组合改良砾砂，开展坍落度试验与渗透试验。试验结果表明：黏性较小的泡沫与膨润土泥浆难以稳定赋存在砾砂的较大孔隙中，改良土呈散粒状且易析浆、析泡沫；加入高分子聚合物能将土颗粒聚团并减小土体内摩擦角，从而提高改良土塑性及流动性，避免析浆、析泡沫。高分子聚合物含量较低时膨润土泥浆与泡沫在渗流过程中容易流失，改良土渗透系数将在短时间内突破10^-4 m·s^-1,不满足盾构掘进过程中渣土渗透系数小于10^-5 m·s^-1的持续时间要大于90 min的抗渗要求；增加高分子聚合物含量能延长渗透系数初始稳定期并显著减小渗流末期渗透系数，改良土渗透系数能长期稳定在10^-5 m·s^-1以下，且高分子聚合物含量越高，渗透系...     

浅谈PC/ABS电镀材料设计与其电镀性能的关系

通过试验研究了PC/ABS电镀材料中不同PC含量、橡胶含量和橡胶粒径对其电镀粗化质量和镀层剥离强度的影响。结果表明,橡胶含量为12%、PC含量为50%时,添加粒径为400 nm的大粒径橡胶粉,粗化质量较好,镀层结合力高达9.5 N/cm。