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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

废弃黏土在泥水盾构泥浆配制中的再利用研究

南京纬三路过江通道在竖井施工和盾构始发段掘进过程中产生了大量废弃的黏土,如何经济环保地处理废弃土成为工程面临的一大难题。工程盾构段约40%的地层是粉细砂地层,该地层对泥浆指标要求较低,考虑利用废弃黏土来配制掘进泥浆。采用填土、淤泥质粉质黏土、膨润土分别与泥浆增黏剂混合配浆,使用自制的泥浆渗透仪测定泥浆的滤失量和成膜质量,最后结合现场施工监测数据验证泥浆配比的可行性。结果表明,采用始发段废弃淤泥质粉质黏土配制的泥浆稳定性较好,形成的泥膜致密、泥浆失水量小,能够满足粉细砂地层的盾构掘进。     

灰水-土体长期相互作用诱发地面塌陷机理

通过以灰水为渗透液进行溶滤试验,测试和分析了土样的渗透系数、含水量的变化规律;同时进行渗透破坏试验测试了不同密实程度土样经灰水浸泡后的临界坡降;运用土力学原理,分析了土样含水量、渗透性和水压力变化引起地面塌陷的机理。结果表明：溶滤后土体的含水量明显增大,且其渗透系数随溶滤次数的增加呈增大趋势;当溶滤次数超过4次后,渗透系数的增大变缓;当土样含水量相同时,临界坡降随着土样密度增大而明显增大;灰水将从减小土体的抗剪强度、增大土体的重度等方面引起地表塌陷,此外,土体中动水压和渗流引起土中的空洞也诱发了地表塌陷的形成。     

超大直径泥水盾构带压进舱换刀技术研究与应用

对于复杂地质条件下的盾构掘进,刀具更换往往不可避免。由于地质的复杂性、多变性和周边条件的局限性,常常无法实施盾构周边土体加固常压进舱换刀。带压进舱换刀技术以无需地层加固、地质适应性强、对周边环境要求低和影响小等特点,解决了苛刻条件下的换刀难题。为了能实现强渗透地层气压状态下开挖面稳定,采用室内试验对进舱泥膜的气密性进行了研究,研究结果表明： 进舱泥膜不仅要在开挖面形成一层致密的不透气泥皮型泥膜,还需在地层中形成均匀的透渗带泥膜,方能达到最佳的闭气效果。基于研究成果,南京纬三路过江通道N线工程实现了泥水盾构开挖面大面积气压支护进舱作业,并采用压缩空气作业与饱合潜水作业完成了盾构刀盘的维修和刀具的检查与更换。     

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%。     

泥水盾构隧道开挖面被动破坏研究进展

泥水盾构施工过程中,压力舱内泥浆压力梯度很难与地层土水压力梯度保持一致,尤其是大断面时,其顶部泥浆压力显著大于地层土水压力,致使开挖面面临严峻的被动破坏风险,因此有必要对盾构隧道开挖面被动破坏的研究进展进行总结和分析,指出泥水盾构砂土地层开挖面被动破坏研究中存在的问题。从极限分析法等理论研究、数值模拟及模型试验3个方面总结盾构隧道开挖面被动破坏研究进展,并分析研究中存在的问题。主要结论如下： 1）目前缺少砂土地层中泥浆冲破泥膜、发生劈裂破坏及其对开挖面稳定性影响的相关研究; 2）受到试验条件的限制,尚未开展大直径开挖面被动破坏,尤其是气压支护-带压开舱等危险工况下开挖面稳定的离心模型试验; 3）离心模型试验采用刚性板模拟盾构开挖面,与土体实际的受力和变形情况存在较大的差异。最后,对今后的主要研究方向提出建议。     

非饱和黄土渗透系数对其强度的影响

基于非饱和土渗透系数与其强度相关的特性,将黄土视为非饱和土,分析研究不同压密状况对其渗透系数的影响规律。在试样土体初始含水量相同的情况下,采用水气运动联合测试仪进行渗透试验,测定5种不同干密度试样土体的渗透系数。试验研究证明,试样土体干密度不同,其渗气系数变化趋势相同;干密度的变化对土体渗气、渗水系数的影响较大,土体渗气系数和渗水系数均随干密度增大而减小;土体干密度减小,渗水系数随渗气系数的增大而增大。     

膨胀土地层泥水盾构停机时开挖面破坏原因及防治措施研究——以扬州瘦西湖隧道工程为例

为解决扬州瘦西湖隧道泥水盾构在膨胀性黏土地层停机时开挖面失稳和地面塌陷的问题,采用膨胀试验和崩解试验,研究下蜀黏土的膨胀特性和崩解特性。利用现场实测资料和数值模拟结果分析和论证膨胀性黏土地层停机时地表塌陷的原因： 泥浆持续渗透引起开挖面前方土体膨胀、崩解和剥落是导致开挖面失稳的原因; 开挖面的失稳过程可以分为4个阶段,分别是泥浆渗透阶段、开挖面前方土体膨胀崩解阶段和开挖面上方土体塌落阶段、塌落发展到地表形成地表塌陷阶段。提出控制盾构掘进参数、多次短停、适当提高泥水支护压力和适当增加泥浆密度、黏度等防止泥水盾构在膨胀性黏土地层停机时开挖面破坏的措施,并指导现场施工,取得较好的应用效果。     

导水夹泥断裂破碎岩内在结构与渗透性（双语出版）

造成深长隧道开挖过程中涌突水危害的主要灾害源为导水夹泥构造。研究断裂破碎岩体内在结构特征与不同构造单元渗透特性可以在一定程度上规避工程施工过程中事故的发生。以甘肃典型导水夹泥断裂带为背景,针对典型断裂破碎岩样进行XRD矿物分析、SEM岩体裂隙内在结构表征、不同构造单元原位压水试验及室内典型破碎岩体渗透试验,分析导水夹泥断裂破碎岩矿物成分、内在结构及渗透系数。研究结果表明：岩样裂隙内的充填物随次生矿物比升高,渗透系数增大;断层核部渗透系数较破碎带与完整花岗岩体大,断层核部粒径浅部比深部大,岩体浅部变质程度比深部破碎,有效孔隙度核部深部比浅部大,比表面积值核部也比影响损伤带及母岩大;横向上,断层核部裂隙密集带具有较高渗透性,随着裂隙密度的降低渗透系数明显降低,且距断层核部越远,渗透系数越低;纵向上,断层带不同构造单元的岩体,其渗透系数由小到大的分布规律为断层泥（<10^-9 m·s^-1）、碎砾、角砾岩（10^-5~10^-7 m·s^-1）、碎裂岩（10^-4~10^-7 m·s^-1）,完整围岩部分（<10^-9 m·s^-1）渗透系数又变小。研究结果可为隧道涌突水防治提供理论与工程指导。     

导水夹泥断裂破碎岩内在结构与渗透性

造成深长隧道开挖过程中涌突水危害的主要灾害源为导水夹泥构造。研究断裂破碎岩体内在结构特征与不同构造单元渗透特性可以在一定程度上规避工程施工过程中事故的发生。以甘肃典型导水夹泥断裂带为背景,针对典型断裂破碎岩样进行XRD矿物分析、SEM岩体裂隙内在结构表征、不同构造单元原位压水试验及室内典型破碎岩体渗透试验,分析导水夹泥断裂破碎岩矿物成分、内在结构及渗透系数。研究结果表明:岩样裂隙内的充填物随次生矿物比升高,渗透系数增大;断层核部渗透系数较破碎带与完整花岗岩体大,断层核部粒径浅部比深部大,岩体浅部变质程度比深部破碎,有效孔隙度核部深部比浅部大,比表面积值核部也比影响损伤带及母岩大;横向上,断层核部裂隙密集带具有较高渗透性,随着裂隙密度的降低渗透系数明显降低,且距断层核部越远,渗透系数越低;纵向上,断层带不同构造单元的岩体,其渗透系数由小到大的分布规律为断层泥(10~(-9) m·s~(-1))、碎砾、角砾岩(10~(-5)～10~(-7) m·s~(-1))、碎裂岩(10~(-4)～10~(-7) m·s~(-1)),完整围岩部分(10~(-9) m·s~(-1))渗透系数又变小。研究结果可为隧道涌突水防治提供理论与工程指导。