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。     

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。     

扬州瘦西湖隧道全黏土地层泥水盾构施工开挖面稳定性研究

扬州瘦西湖隧道地处全黏土地层,在该类地层中使用泥水盾构施工的案例较少,全黏土地层在盾构施工下的土体力学性质与变形规律尚未得到充分研究。为了解决全黏土地层在盾构施工下开挖面稳定性与各项盾构参数之间的关系问题,采用室内试验与计算模拟相结合的方法对瘦西湖隧道泥水盾构施工停机状态下的开挖面稳定性进行研究分析。研究结果表明:1)盾构停机时,随着停机时间的增长,泥水不断浸入开挖面前方土体,开挖面附近土体应力表现出一定的拱效应,导致开挖面稳定性不断降低;2)在泥水浸润时间相同的条件下,随膨胀土膨胀力取值的增高,开挖面极限支护压力呈现增长趋势;3)根据开挖面失稳原因,提出了开挖面稳定性控制措施,并通过模型计算进行验证。     

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。     

超高水压越江海长大盾构隧道工程安全

随着中国交通建设和城市建设的迅猛发展,越江跨海盾构隧道工程大量增加,而且工程规模(隧道的直径和长度等)和水压条件也在增加。现阶段,仍未明确定义高水压,但一般以0.5 MPa作为高水压的分界线。近期,中国在长江、黄河以及珠江等所建设的高铁、公路以及地铁等盾构隧道工程水压均超过了0.5 MPa,正在筹划建设的琼州海峡隧道等水压更大,将高达2.0 MPa,面临巨大挑战。为此,国家决定针对超高水压(2.0 MPa)越江海长大盾构隧道工程安全问题展开“九七三”计划基础研究。研究采用理论分析、物理试验(室内、室外试验和模型试验)、数值模拟分析和监控测量等多种手段,针对其中涉及的多元、多相和多场耦合物理本质,对高水压水土与结构静动相互作用机理、盾构掘进中的动静力学机理、隧道结构特性及防水特性动态演化机理等核心问题进行深入系统的基础研究,提出了高水压下考虑渗流条件下的水土荷载计算理论和深水盾构隧道地震分析方法,建立了“机-土”动态作用力学模型,提出了盾构姿态、刀具磨损、开挖面稳定和高压成膜及闭气控制方法,提出了高水压大直径盾构隧道衬砌结构设计理论和高水压盾构隧道接缝长期防水安全与监控技术,最终形成超高水压越江海长大盾构隧道工程安全控制理论体系。为确保超高水压越江海长大盾构隧道工程安全提供设计理论依据,为实现大直径泥水盾构在超高水压等复杂条件下安全长距离施工提供理论支持。     

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。     

高水压泥水平衡盾构掘进模型试验平台的研制与应用

为了实现可在2.0 MPa高水压环境下开展盾构试验研究的基础试验条件,结合拟建的琼州海峡隧道工程背景,充分调研了国内外盾构模型机研究成果,并根据试验研究的需求,研发了高水压多功能泥水平衡盾构模型试验平台。试验平台研制过程中攻克了在缩尺盾构模型机中实现泥水循环功能的问题,解决了高水压(2.0 MPa)下盾构机以及土箱整体强度和密封问题,实现了盾构姿态改变、变覆土高度等功能。按照一定的试验先期准备步序,在不同水压条件下,对泥水平衡盾构开挖过程中盾构姿态动态变化规律进行了模型试验研究。试验平台包括模型土箱、盾构模型机、液压泵站、电控柜、控制台、泥水循环系统等部分,可在200 m水头的高水压条件下进行泥水盾构施工的模型试验。研究结果表明:自主研发的泥水平衡掘进模型试验平台可在高水压条件下正常进行工作,并可进行与泥水盾构施工相关的模型试验;盾构姿态角改变量与盾构掘进距离的线性拟合结果表明,二者的拟合精度较高;随着试验水压的升高,在水平方向以及竖直方向上盾构姿态调整的难度逐渐增大;通过有土环境与无土环境的对比可知,高水压与地层反力的双重约束对盾构姿态控制提出了更高的要求。     

中国泥水盾构使用现状及若干问题

近十年来,泥水盾构隧道技术在我国应用越来越广泛,已成为大型越江海隧道和城市地铁建设不可或缺的关键技术。我国的泥水盾构技术,尤其是大直径泥水盾构工程技术不断成熟,工程的建设量和大直径盾构数量已居世界前列;然而,在泥水盾构技术快速发展中出现一些问题。在收集我国泥水盾构施工技术使用现状的同时,对施工中遇到的复杂地层、泥水舱构造、刀具过量磨损、频繁开舱作业、泥浆材料的使用及处理、盾构重复使用等特点进行梳理。结合代表性的泥水盾构工程实例,深入分析施工遇到的刀具磨损、开舱检修关键技术、泥膜闭气开挖面稳定、泥浆携渣及处理等问题,总结已有的施工经验及技术特点,明确我国泥水盾构技术发展的方向,以期推动世界泥水盾构技术的发展。     

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。     

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%。     

考虑流-固耦合效应的异形盾构开挖面稳定性极限分析

为有效评估含水地层异形盾构隧道开挖面的稳定性,解决异形盾构隧道开挖面稳定性预测和控制等关键问题,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,研究了主动破坏模式下含水地层中异形盾构隧道开挖面发生失稳破坏的演化过程以及开挖面极限支护力的确定方法。运用FLAC3D有限差分软件,建立了考虑流-固耦合效应的异形盾构隧道开挖面主动破坏数值模型,通过FISH语言编程提取了异形隧道开挖面附近地层的孔隙水压分布。基于空间离散化技术和极限分析上限定理,采用线性插值方法计算了异形盾构隧道开挖面附近地层渗透力做功率,建立了含水地层考虑流-固耦合效应的异形盾构隧道开挖面稳定性分析模型,揭示了断面形状、地层参数、地下水位等因素对隧道开挖面极限支护力和三维破坏模式的影响规律。研究结果表明：流-固耦合情况下的地层孔隙水压力要明显大于单渗流情况下的孔隙水压力;隧道开挖面附近的孔隙水压力梯度明显大于其他区域;在同等工况下,矩形、五心马蹄形隧道开挖面的极限支护力相对较大,椭圆、三心马蹄形隧道开挖面的极限支护力相对较小;各断面形状下的隧道开挖面的极限支护力随黏聚力、内摩擦角和地下水位的增大而增大;随耦合时间的增大极限支护力先是不断增...     

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。     

南昌地铁泥水盾构穿越赣江浅覆盖透水层施工关键技术研究

结合南昌市轨道交通1号线一期工程秋水广场站—中山西路站区间隧道工程,对泥水盾构穿越赣江浅覆盖透水层时易出现的掌子面失稳、刀盘结泥饼、掘进姿态难控制等工程难题展开针对性研究。首先,从泥浆参数选择、切口水压计算、掘进控制技术3个方面对开挖面稳定控制技术进行分析;其次,在统计分析刀盘结泥饼现象及原因的基础上,提出严控泥浆指标等针对性的防控措施;最后,对NFM-07、S367这2台泥水盾构掘进前100环(第165~265环)的掘进参数进行统计分析,进而得出了泥水盾构在浅覆盖透水层掘进时的盾构主要控制参数,以期为类似工程施工提供参考。     

扬州瘦西湖盾构隧道工程施工关键技术

扬州下穿瘦西湖盾构段采用直径为14.93 m的泥水盾构施工,成功穿越1 275 m硬塑膨胀性黏土地层,有效解决盾构刀盘结泥饼、泥水舱及管道易堆积堵塞、刀盘扭矩大、盾构推进速度慢、泥水分离困难等一系列施工难题,是我国迄今为止在膨胀土地区进行的最大直径的泥水盾构施工工程。从扬州瘦西湖隧道的工程重难点出发,结合现场具体情况,系统总结隧道盾构施工中的全断面黏土地层高效环流及出渣技术、膨胀土地层盾构适应性改造技术、硬塑黏性土地层的盾构施工技术与开挖面稳定性控制技术,0.42 MPa高压气环境下动火焊接技术、小半径曲线精准接收技术和双层大直径隧道内部结构快速施工技术等,对我国膨胀性黏土地区大直径泥水盾构技术的发展具有重要的参考意义。     

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。     

基于硬化泥膜的填舱换刀技术研究

为了解决砂土地层盾构刀盘换刀作业面易涌水、涌砂进而导致作业面失稳坍塌问题,采用水泥砂浆和膨润土浆液组成的混合浆液在土舱压力作用下,通过刀盘开口向砂土地层渗透,经固化后在原有稳定泥膜的基础上形成新型混合泥膜,在利用风镐清除土舱内硬化混合浆液的同时,保留刀盘前段形成的混合泥膜,即可进行盾构刀盘换刀作业。通过在广州某地铁盾构施工项目中的应用,表明本施工技术能为砂土地层盾构换刀提供高效且安全的解决方案。     

密砂地层盾构隧道纵坡开挖面稳定性理论分析

盾构开挖面支护压力计算属于隧道工程稳定性分析的核心内容之一。现阶段理论研究主要集中于水平隧道开挖面的失稳机理，未能充分考虑盾构机纵向倾角的影响。选取仰坡、水平和俯坡3种掘进工况，基于前期模型试验结果与极限平衡理论，构建了密砂地层盾构隧道纵坡开挖面三维理论模型，结合Terzaghi松动土压力理论推导出开挖面主动极限支护压力计算公式。采用有限差分软件Flac3D^5.0构建三维数值模型，分析了密砂地层不同纵坡条件下的开挖面失稳模式及支护压力的变化特点，结合模型试验结果，综合确定理论模型核心参数(对数螺旋线高度系数和滑裂面倾角)的选取方法。通过开展与其他理论方法的对比分析，验证了该理论模型的可行性。研究结果表明：隧道由俯角倾斜渐变至仰角倾斜的过程中，开挖面失稳区域逐渐扩大，且相应极限支护压力呈近似两阶段线性增加，支护压力的增加幅度在隧道由水平渐变至仰角倾斜期间显著提升；开挖面支护压力随隧道直径的增加同步增大，且在仰坡条件下，隧道直径对支护压力的影响更为显著。该研究成果对于盾构纵坡掘进施工具有一定的指导意义。     

超孔隙水压力对盾构隧道极限支护力影响研究

为探究盾构施工时地层中超孔隙水压力的变化、空间分布特征及对盾构开挖面极限支护力的影响程度,以提出泥水压力设定建议,依托大直径过江盾构隧道工程,并基于现场测试数据,对泥水盾构在富水粉细砂地层中施工引起的孔隙水压力空间分布及变化规律进行分析,运用极限平衡法求解有约束的非线性函数,计算分析超孔隙水压力对盾构隧道极限支护力的影响,并提出修正的极限支护力计算公式。研究表明:1)盾构施工时,孔隙水压力扰动区大致为开挖面前方2倍的开挖直径及开挖面两侧1.5倍开挖直径,且越靠近开挖面,扰动程度越大; 2)富水砂层中开挖面主动破坏极限支护力的设定,受盾构掘进引起的孔隙水压力变化影响较大,应适当提升泥水舱压力,或采用全泥水平衡模式保持开挖面稳定,以减小对孔隙水压力的扰动范围及扰动程度。     

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。     

沈阳地铁过河隧道盾构施工技术

沈阳市地铁二号线北起北陵北部，终点在浑南新区的21世纪大厦前的世纪广场，线路正线全长19.245km。五里河—奥体中心站区间下穿500m宽的浑河河道，根据隧道穿越地层的地质条件和水文条件，介绍了过河区间隧道盾构的选型、刀盘型式、刀具布置、刀盘开口形式、岩石破碎机、盾构的工作模式等主要设计特点与性能，同时论述了在施工过程中拟采取的开挖面稳定措施、泥水处理系统布置思路、换刀措施、联络通道施工思路、盾构施工接口、端头地层加固设计等。