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。     

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。     

粗粒材料粒径及含量对高渗透性地层泥浆成膜效果的影响

泥水盾构工程遇到高渗透性地层时，会发生泥浆大量流失的情况，从而使泥膜形成困难，进而导致开挖面失稳，而粗粒材料的添加可有效改善泥膜难以形成的情况。为探究粗粒材料的添加对泥膜形成的影响，选用密度小的蛭石作为粗粒材料，通过改变其粒径和含量（体积分数），在自制的泥浆渗透试验设备中开展泥浆渗透成膜试验。以滤失量和成膜时间作为评价指标，分析粒径与含量对成膜效果的影响，并提出合理的粗粒材料粒径范围。结果表明： 1）地层平均孔径D0〖TX-〗对粗粒材料的添加具有参考意义，控制粗粒材料粒径在D0〖TX-〗/2～2D0〖TX-〗时有助于泥膜的形成，随着粗粒材料粒径的增大，成膜效果出现先增大后减小的现象； 2）当粗粒材料含量在20%～40%时，含量越大，成膜效果越好，但随着含量继续增大，这种效应会减弱； 3）当粗粒材料含量在20%～60%时，粗粒材料粒径的影响程度要大于含量，粒径的增大会削弱含量带来的增益效果； 4）实际工程中建议主要考虑粗粒材料粒径的选择。     

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。     

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。     

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。     

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%。     

砂卵石地层土压平衡盾构渣土改良难易分类机制研究

针对砂卵石地层中卵石含量高、粒径大、强度高等特点导致土压平衡盾构掘进施工故障多、渣土改良难度大问题，首先，将砂卵石粒径分为≤2 mm细粒和＞2 mm卵砾石粗粒2部分，建立砂卵石渣土中细粒填充并包裹粗料形成的孔隙的二相体物理模型，推导细粒填充包裹粗粒孔隙的临界细粒质量分数；其次，根据该细粒临界质量分数和室内砂卵石渣土改良试验，将砂卵石渣土分为改良容易型、改良较困难型、改良困难型3类，并分别建议相应的渣土改良措施： 稳定性泡沫剂单掺方式、膨润土泥浆+泡沫剂复合掺入方式、泡沫+膨润土泥浆+聚合物复合掺入方式；最后，结合成都地铁17号线某区间盾构掘进渣土改良指导前、后渣土状态和掘进参数对比，初步验证建立的砂卵石渣土改良难易分类机制的合理性。     

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。     

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。     

泥水盾构水平直管内石碴起动速度研究

泥水盾构环流系统是将开挖下的石碴从掘进界面输送出来的核心系统,石碴在环流管道内的流动特性是决定石碴能否顺利输送的关键。论文基于计算流体力学和离散单元法建立泥水盾构环流系统水平直管内石碴运动模型,研究石碴形状系数、等容粒径和数量对石碴起动速度的影响。仿真研究结果表明： 在石碴等容粒径相等情况下,不同形状的石碴起动速度大小顺序为： 椭球体>扁平状>近球形;当石碴等容粒径为38.5、42.5、53.3、56.2、58 mm时,石碴起动速度分别为0.48、1.06、1.26、2.36、4.7 m/s,随等容粒径的增大呈指数增大;随数量的增多呈对数增长,多颗粒起动速度随数量的增多增幅较为平缓,最大增幅为21%。     

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。     

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。     

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。     

桂林红黏土干湿循环条件下饱和渗透系数及孔隙特征变化试验

以桂林红黏土为研究对象，采用抽真空饱和法、恒温干燥法对重塑土样作干湿循环，研究对渗透系数与干湿循环次数的关系，并结合压汞和电镜扫描分析不同循环次数下孔隙分布的变化特征。试验结果表明:桂林红黏土具有明显的片状结构，经过反复干湿循环，在孔隙水压力的作用下，孔隙孔径由双峰逐渐变为和原状土相似的单峰，中微孔隙都会向0.1～1.0 μm的小孔隙靠近，孔隙孔径分布范围变小，在此过程中，游离土颗粒会被吸引在团聚体周围，使土粒孔隙形态更加平滑，且迂曲度与循环次数呈对数关系逐渐减小。压实重塑土样在经过3次干湿循环后，孔径结构变化基本稳定，渗透系数与同条件下原状土样相同，可替代无法获得符合试验条件的原状土样的结果。     

泥水平衡盾构施工对地层孔隙水压力的扰动规律研究

为研究泥水平衡盾构施工对地层孔隙水压力的扰动规律，针对3种典型地层开展流固耦合分析，研究盾构施工期间不同阶段地层孔隙水压力的纵向和横向变化规律，提出孔隙水压力扰动比的概念并对其施工扰动的程度进行评价。研究结果表明： 1）泥水平衡盾构在经过软土地层时，孔隙水压力会有明显的下降趋势； 2）泥水平衡盾构掘进会对开挖面前方土体孔隙水压力产生不同程度的水力堆积效应，该堆积效应的产生是泥膜产生的必要条件之一； 3）不同地层中泥水平衡盾构施工对孔隙水压力造成的扰动不同，拱顶位置孔隙水压力扰动最大，拱腰次之，拱底最小； 4）施工中注浆压力的施加与孔隙水压力的扰动程度密切相关；不同地层在不同的开挖阶段横断面渗流场的分布规律和形状不同，拱顶处均表现为水流压力集中点；同时，泥水平衡盾构在施工期对孔隙水压力的扰动有残余效应。     

不同密实度下砂砾土的渗透系数试验分析

通过不同单粒径砂、砾和级配砂砾与中砂组成砂砾土，在不同的砂石比和孔隙比下进行常水头渗透试验。结果表明:单粒径砂砾土的渗透系数随孔隙比增大而增大，随砂砾粒径的增大而减小，随砂石比增大而减小，砂石比大于等于5:5后，砂石比对其渗透系数影响不明显；级配砂石土的渗透系数随孔隙比增大而增大，随砂石比从4:6到5:5显著降低，而砂石比6:4到7:3其渗透系数变化趋于稳定；单粒径砂砾土的渗透系数明显大于级配砂砾土，级配砂砾土的渗透系数离散性更高，说明其影响因素更复杂。