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。     

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。     

黏土地层盾构隧道开挖面稳定性的离心模型试验研究

在盾构施工过程中，软黏土地层开挖面的变形机理和稳定性研究仍处于经验阶段。利用离心模型试验，研究了上海黏土地层盾构开挖面稳定性问题。试验分析了盾构开挖过程中开挖面前方土体土压力的变化规律和支护应力与地表沉降的关系。给出了主被动破坏的极限支护应力值以及施工参考范围，这对黏土地层盾构开挖面稳定性控制至关重要。     

泥水盾构开挖面稳定性研究

针对不断推进越江海大断面隧道建设的现状,分析了盾构开挖面稳定性对盾构安全掘进的重要性,同时对泥水盾构开挖面稳定的研究方法、研究理论以及拟解决的主要问题等方面进行分析。通过综述国内外泥水盾构隧道开挖面稳定性的研究发展历程及近期新的发展趋势,讨论了已有的泥水盾构开挖面失稳经典理论及模型试验的局限性,介绍了泥水劈裂失稳的判定标准和模型试验等相关研究,同时分析了泥膜及刀盘对开挖面稳定的作用,最后展望了水下隧道,特别是高水压越江海大直径泥水盾构开挖面稳定性问题未来的研究及发展方向。研究主要从经典理论、泥水劈裂和泥膜等方面讨论盾构开挖面稳定等问题,也涉及合理覆土厚度等工程问题。研究结果表明:由于泥水盾构本身的复杂性以及地层的多样性,使盾构与土相互作用下的开挖面稳定问题的研究更为困难;尚没有更具普遍意义的泥水动态成膜评价标准以及刀盘对开挖面的支护作用的研究成果,特别是高水压、复杂地层等条件下的开挖面稳定问题属交叉领域颇多,更需深入研究,方可为工程所用。     

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。     

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。     

清华园盾构隧道复杂互层地层下的掘进参数研究

为探明北京地区大直径泥水平衡盾构在复杂互层地层下的掘进参数变化情况,依托北京地区目前最大直径泥水平衡盾构工程清华园隧道,使用数理统计的方法针对盾构由粉质黏土掘进至卵石土、砂、粉质黏土互层地层时盾构掘进参数的变化规律及波动情况进行研究。研究结果表明： 泥水平衡盾构在粉质黏土区域掘进时,盾构刀盘转矩及盾构推力波动情况不明显;泥水平衡盾构在复杂互层地质条件下掘进时,盾构刀盘转矩及盾构推力分别增长46.43%和46.03%,同时盾构刀盘转矩的波动情况较粉质黏土区域有所增长,而盾构推力的波动情况与粉质黏土区域类似。     

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...     

复合地层中超大直径泥水盾构施工开挖面泥水压力确定方法研究

在超大直径泥水盾构施工中,泥水压力的控制是保证开挖面稳定的关键。依托正在新建的上海北横通道工程,利用三维数值分析方法,总结出适用于软土复合地层超大直径泥水盾构施工的开挖面泥水压力确定方法,并根据北横通道现场实测数据对该方法进行对比分析。研究结果显示: 1）超大直径泥水盾构泥水压力最佳平衡计算点位主要与土层厚度比和上下土层有效内摩擦角差值有关; 2）在近似均一地层中可以取盾构中心点作为平衡点位,这与以往工程经验相吻合; 3）复合地层中可通过理论计算确定最佳平衡计算点位。     

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。     

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。     

城际铁路大直径泥水盾构施工风险及对策——以佛莞城际铁路狮子洋隧道工程为例

盾构直径过大,其成本和安全风险也将成倍增加。结合佛莞城际铁路狮子洋隧道工程地质特性和工程重难点,分析大直径盾构在高水压、强透水性、复合地层施工过程中设备选型、长距离独头掘进、穿越软硬不均地层与断层破碎带等存在的风险。具体从常压刀盘、泥浆环流系统选型设计以提高设备适应性,制定开挖管理与泥浆管理并重的掘进参数控制方法,针对上软下硬和断层破碎带地层的施工风险控制等方面提出相应对策,规避地质重大风险,确保大直径水下盾构隧道的施工安全。     

无水砂层土压平衡盾构长距离掘进施工技术

在石家庄典型地质全断面无水砂层及无水粉质黏土与砂层组成的复合地层,土压平衡盾构掘进施工中易出现“盾构推力扭矩大、盾构出土不顺利、地表沉降量较大、刀盘螺旋输送机磨损严重、盾构掘进姿态控制不易控制”等施工难点。以石家庄市轨道交通1号线和平医院站-烈士陵园站区间施工为背景,通过盾构选型、掘进参数统计及分析,得出盾构在全断面砂层中掘进时必须向改良土体注入膨润土泥浆和泡沫,以达到改良和建摩的作用;盾构在粉质黏土和中粗砂组成的复合地层中掘进时,单独使用泡沫改良土体就能满足掘进要求,膨润土泥浆将不以改良渣土为第一目的,而以润滑为第一目的;在这种地层掘进时,不应只注重掘进是否顺利,还应保护盾构构件,因此在黏土地层和砂层的复合地层掘进时,加入水或膨润土泥浆是必要的。     

土压平衡盾构全断面富水砂层带压进舱地层气密性封堵及其检测技术

富水砂层与黏性土地层等普通地层相比,其孔隙率大、渗透性强、含水量大,在此类地层中带压进舱作业的难点是地层气密性封堵难度大。在高压环境中,为了尽量减小气体的逃逸,以西安地铁3号线土压平衡盾构在全断面富水砂层中成功带压进舱为依据,通过采用盾体外部膨润土泥浆封堵、掌子面用高效能泥浆形成泥膜封堵、盾尾采用加大同步注浆量和盾尾油脂注入等方法,以及一系列气密性检测等措施,成功进行了带压进舱作业,并得出土压平衡盾构全断面富水砂层气密性封堵的方法及气密性合格的判定方法。     

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。