考虑浆液稠度变化的盾构壁后注浆扩散模型

盾尾脱离管片后,在土体与盾构隧道管片间形成一个环形柱状空隙,对盾尾空隙进行壁后注浆是控制地层应力释放和地层变形的重要手段。以幂律型浆液为研究对象,建立恒定注浆速率条件下盾构隧道壁后注浆渗透扩散模型,分别推导浆液渗透扩散区内稠度时空变化与空间稠度不变时的压力时空分布方程及因注浆造成的管片压力计算公式;结合具体工程算例,分析浆液压力与注浆时间、浆液扩散半径之间的关系,讨论注浆压力、幂律型浆液水灰比和注浆时间等因素对管片所受压力的影响。并对浆液扩散区内稠度时空变化与空间稠度不变的计算结果进行相应的比较,说明盾构壁后注浆考虑稠度时空变化的必要性。研究成果为盾构隧道壁后注浆参数的选择提供一定的计算依据。     

基于浆液黏度时变性的盾构壁后注浆模型研究

研究目的:盾尾同步注浆是盾构施工过程中重要环节之一,其浆液包裹促使管片处于"悬浮漂移"状态,稍有不慎极易造成隧道结构上浮或错台,进而引起管片开裂破损。基于Magg柱面扩散理论,推导考虑浆液黏度时变性与否两种情况下盾构隧道壁后注浆浆液扩散半径和注浆压力公式,通过算例对比分析注浆过程中隧道管片压力随时间、同步注浆浆液初始压力、扩散半径变化规律,为盾构管片设计施工提供理论基础。研究结论:(1)无论考虑浆液黏度时变性与否,管片所受压力及浆液扩散半径均与时间呈正向增长关系;(2)浆液扩散半径与初始注浆压力呈正向增大关系,管片所受到的压力与初始注浆压力呈指数增长关系;(3)不考虑浆液时变性的计算结果均高于考虑浆液时变性的计算结果的5%～10%,最大可超过70%,实际盾构同步注浆应予以重视;(4)实际工程可以通过调节初始浆液黏度比来降低管片压力,其初始浆液黏度比有效调控范围在2～6之间;(5)本研究成果可为盾构隧道结构设计和施工提供参考。     

考虑滤过作用及黏度时变性的盾构壁后注浆扩散模型研究

为研究盾构隧道壁后注浆扩散机理,探讨壁后注浆浆液运动机制。基于线性滤过定律,建立恒定注浆速率下考虑滤过作用与浆液黏度时变性的盾构壁后注浆柱形扩散模型,推导浆液黏度时空分布控制方程和浆液扩散运动方程。并结合实例,分析相关注浆参数对壁后注浆浆液扩散运动的影响。研究结果表明：考虑滤过作用与黏度时变性时,浆液黏度在前期变化与仅考虑黏度时变性的黏度空间分布曲线相一致,在扩散半径大于0.6 m时,浆液黏度增长速率减小,浆液黏度受到滤过作用与时变性的双重影响;注浆压力较小时,3种情况下的浆液扩散半径均随注浆压力的增大而缓慢增加;注浆压力较大时,浆液扩散半径的增长速率依次为：仅考虑浆液黏度时变性>仅考虑滤过作用>考虑滤过作用与黏度时变性;相较于浆液黏度时变性,围岩土体的滤过作用在浆液渗透扩散的过程中所产生的渗透阻力更大,浆液压力的空间分布曲线衰减更为明显。实际盾构壁后注浆施工中,要结合具体施工条件,充分考虑围岩土体的滤过作用与浆液本身的黏度时变性,为注浆扩散规律的研究提供新思路,也对工程实践起到一定指导意义。     

盾构隧道壁后注浆浆液时变性对围岩应力与变形的影响机理

为探究盾构隧道壁后注浆浆液在围岩内的渗透扩散行为,基于达西定律和流体力学,建立考虑与不考虑黏度时变性的浆液渗透扩散方程,并根据弹性力学原理,推导渗透压力作用下围岩的径向有效应力、切向有效应力和径向位移的计算方程;基于长沙地铁4号线盾构施工实测数据,借助Matlab软件对方程进行计算分析,提出壁后注浆对围岩的影响机理。结果表明：壁后注浆浆液在围岩中的扩散半径随注浆压力和注浆时间的增加而增大;当考虑浆液的黏度时变性时,浆液扩散半径会缩小,特别是在长注浆时间（40 min）情况下,浆液的扩散半径相对于不考虑黏度时变性时缩小34.9%;随着注浆压力的增大,渗透区土体的径向有效应力增大,切向有效应力减小,且随着围岩距隧道中心距离的增加,最终均趋于原位围岩有效应力;壁后注浆渗透压力使围岩产生的径向压缩变形量随注浆压力的增大而增大,当注浆压力为0.42 MPa时,围岩内部最大位移达7.81 mm。     

考虑迂曲度的水泥-水玻璃双液浆柱形渗透机制研究

目前,水泥-水玻璃双液浆在工程中的应用日益增多,但对考虑迂曲度的双液浆扩散机制研究较少。假定水泥-水玻璃双液浆为具有黏度时空效应的宾汉姆流体,考虑迂曲度的影响并认为浆液沿柱形渗透扩散,推导得到水泥-水玻璃双液浆的浆液扩散半径计算公式。对比浆液扩散半径的计算值与工程案例试验值,两者吻合较好,从而验证了计算公式的可靠性。分析注浆终压、注浆管内浆液流速和柱形加固区高度对不同水泥-水玻璃双液浆配比的浆液扩散半径的影响。研究结果表明：当水泥-水玻璃双液浆配比不变时,浆液扩散半径随注浆终压和注浆管内浆液流速的增加而增加,随柱形加固区高度的增加而减小;当水灰比为1时,保持注浆终压、注浆管内浆液流速、柱形加固区高度不变,水泥-水玻璃体积比为1∶1时的浆液扩散半径较2∶1和3∶1时大,应优先选用水泥-水玻璃体积比为1∶1的双液浆,此时为达到1 m的浆液扩散半径,考虑迂曲度时所需注浆终压约为不考虑迂曲度的1.4倍,因此有必要考虑迂曲度对双液浆渗透扩散的影响;考虑迂曲度后,浆液渗透扩散能力降低,且随着注浆终压、注浆管内浆液流速的增大和柱形加固区高度的减小,考虑迂曲度和不考迂曲度的浆液扩散半径的差值逐渐增大,...     

基于颗粒流的围岩注浆动态过程模拟研究

研究目的:富水地层隧道开挖易发生突水突泥,注浆为一种有效防范措施。本文基于颗粒流离散元方法,研究围岩注浆对富水地层隧道开挖的影响,通过对岩体注浆过程进行细观动态模拟,研究不同注浆压力和注浆孔布设方式下的注浆效果,从而为优化注浆方案提供参考。研究结论:(1)注浆压力的大小决定了最终浆液扩散形式,即注浆压力增大,注浆形式由渗透注浆变成劈裂注浆;(2)通过颗粒流软件模拟出的动态效果及数据分析,验证了劈裂注浆是压密→劈裂→压密→劈裂的动态过程,直至浆液的扩散压力不足以再劈裂围岩颗粒时趋于稳定;(3)多孔同时注浆时浆体很难进入到中心位置;(4)基于本文的研究对象,劈裂注浆的效果优于渗透注浆,考虑过大注浆压力对岩土体的冲击作用,工程应用时可尽量采用起劈压力进行劈裂注浆,且注浆时并不是较多的注浆孔同时注浆就能得到更好的效果,要针对实际地质情况,合理安排注浆孔以及注浆顺序,避免地层薄弱点出现在多孔同时注浆的中心点处;(5)本研究成果可为软弱地层注浆孔的布置原则及注浆质量控制提供参考。     

软土地区类矩形盾构隧道同步注浆填充扩散压力空间分布模式

为解决类矩形盾构隧道同步注浆时易发生的浆液淤积问题,研究浆液在类矩形盾构隧道盾尾间隙内的填充扩散过程.根据流体力学原理,推导浆液在宾汉姆流体条件下的压力环纵向分布模式,得到软土地区类矩形盾构隧道同步注浆环向填充与纵向扩散的力学模型及计算方法;结合宁波市轨道交通3号线陈婆渡车站出入段线隧道工程实测数据,在验证理论模型合理...     

盾构隧道同步注浆浆液压力扩散模式研究

基于典型的四孔注浆,将盾构隧道同步注浆中的浆液看作惰性浆液,以单位时间内形成的盾尾空隙为浆液充填的横断面,以横断面内浆液压力的扩散过程为研究对象,借助于牛顿流体模型,运用流体力学与极限平衡法的基本原理,推导出盾尾空隙横断面内浆液压力的分布模型。通过工程实例分析表明:采用推导的浆液压力分布模型得到的计算结果与实测值吻合良好;在浆液刚注入盾尾空隙时,浆液重度对浆液压力初值分布具有决定性作用;后期浆液黏度(时间)的增长将导致浆液压力急剧降低;四孔注浆宜用于半径约为3 m的地铁盾构隧道;浆液压力随着盾尾空隙厚度的增大先呈抛物线形式增大,后逐步趋于稳定。     

黄土高速铁路路基注浆扩散范围模型试验研究

为研究黄土高速铁路路基注浆加固中浆液扩散规律,以大西高速铁路沿线典型湿陷性黄土路基为研究对象,开展注浆模型试验及Edem-Fluent耦合数值仿真,得到黄土注浆扩散范围及注浆盲区参数。试验结果表明：随着注浆压力的增大,浆液的扩散范围逐渐扩大,加固体长度与注浆压力近似幂指数关系。Edem-Fluent耦合仿真分析得到的注浆扩散范围与试验相符合。力链分析表明注浆压力越大,土体间的微观作用力作用越分散,在浆液劈裂方向上,注浆压力是呈消散分布。在此基础上推导了黄土注浆浆液扩散范围及注浆扩散盲区计算公式。     

盾构隧道壁后注浆球孔压滤扩散模型

假设饱和软土地层中从管片注浆孔进行壁后即时注浆时,浆液直接接触周围土体,形成以注浆孔为中心的半球形浆体,与周围土体发生压滤效应,应用达西定律和弹性理论对球形浆体扩散过程进行理论推导,建立盾构隧道壁后注浆球孔压滤扩散模型。计算分析壁后注浆时隧道周围土体孔隙水压力、有效应力及注浆对管片产生的附加压力。分析结果表明:孔隙水压力随着远离注浆孔而逐渐消散;土体径向有效应力随着远离注浆孔逐渐减小,土体切向有效应力随着远离注浆孔先增大、后逐渐减小;注浆对管片产生的附加压力随着注浆压力的增大而增大。     

盾构隧道同步注浆浆液压力分布规律模型试验研究

基于盾构隧道典型4孔同步注浆的特点,建立盾构-浆液-土体相似系统和模型试验平台,开展不同注浆方式下的室内相似模型试验,研究盾尾空隙内浆液压力的分布规律及消散过程、浆液的流动路径及扩散方式。结果表明:注浆方式对浆液压力的有效影响范围主要集中在盾尾后方2倍隧道直径范围内;利用上部注浆孔或下部注浆孔单独注浆都是不科学的;上部或下部浆液流量大于等于60%时,其流量变化对浆液压力初值的分布具有决定性作用;上部浆液流量在60%~80%之间才能确保浆液压力初值较好地适应地层应力;盾尾空隙最佳充填模式为,单孔注浆时应采用上部注浆孔,双孔同步注浆时应采用上下双孔注浆且上部浆液流量约占总流量的80%,4孔同步注浆时上部浆液流量应占总流量的60%~80%;刚注入的浆液主要分布在注浆孔附近区域,单位时间内新形成的盾尾空隙主要由原来盾尾处呈流塑状的浆液进行充填;建议在拱顶附近预留专用注浆孔进行二次补注浆。     

基于颗粒流的桩端后压浆细观机理模拟研究

研究目的:目前,桩端注浆的理论研究主要采用理论分析、有限元模拟等手段从宏观现象出发分析注浆机理、加固效果等,存在假设过多、本构模型选取困难和内在作用机理认识不清等诸多弊端。针对现有研究的不足,采用颗粒流方法模拟桩端注浆过程,从细观角度分析桩端注浆扩散机理、压力分布及衰减、土体改性作用、土体位移场和应力场变化、桩身受力特性和桩体-浆液-土体耦合作用等,从而进一步完善注浆理论的研究。研究结论:(1)注浆压力是影响注浆扩散范围和桩周土体改性最重要的因素,注浆压力越大,浆液扩散半径越大,土孔隙率变化越大,土颗粒运动和重新排列越明显;(2)由于桩体的阻碍,注浆压力在桩端平面上下分布不同,导致土体孔隙率变化、应力场和位移场在桩端上下差别明显;(3)桩端注浆可分为三个阶段,前期土体应力和桩身受力增长明显;中期持续增长,趋势放缓;后期基本不变;(4)桩端注浆本质上是桩体-浆液-土体三者相互作用的过程;(5)本文可为注浆理论的研究发展提供新的思路。     

考虑注浆压力的泥岩地层管片上浮特性与控制

盾构隧道穿越富水泥岩地层时,受盾尾注浆压力和地下水的共同作用,其衬砌管片会出现上浮现象.为研究盾构管片上浮时的位移与力学特性,分析速凝型浆液与管片堆载的抗浮效果.依托南宁地铁5号线下穿邕江段区间,利用有限差分软件FLAC3D,考虑流固耦合及管片的纵向拼装效应,对盾构施工全过程进行模拟.计算结果表明:(1)盾尾同步注浆压...     

盾构隧道管片上浮机理及控制技术

基于Maag球面扩散公式,通过引入等效孔隙率替代土体本身的孔隙率,对盾构隧道壁后注浆的渗透范围及对管片造成的上浮力进行了理论推导,并从注浆方法、浆液选择、注浆参数控制、管片上覆土及盾构姿态等多方面提出了控制隧道管片上浮的针对性措施.     

复杂条件下地铁盾构施工过程的影响因素分析

研究目的:在盾构施工过程中,盾构机与岩土体相互作用间具有强烈的耦合关系,如何通过仿真技术分析各因素对盾构施工过程中隧道受力和地表沉降的影响,是保障隧道施工安全的必要条件。本文以大连地铁202标段为例,对盾构开挖进行模拟,并结合工程实际地质情况和现场监测数据,进行三维仿真分析,研究其施工过程的影响因子及效应。研究结论:分析结果表明:(1)随着土舱压力的增大,地表沉降呈减小趋势,掌子面上的应力呈增大趋势,且塑性区范围增大;(2)注浆量增大,地表沉降减小,当注浆量过大时,破坏土体的自稳性,地表沉降变大;(3)盾构机在穿越不同土层时,地表变化是不同的,可根据模拟结果调整参数;(4)本研究成果可用于复杂环境下地铁盾构隧道的监测。     

砂层压密加固效应室内试验研究

研究目的:在隧道工程砂层劈裂注浆或压密注浆工程中都伴随着砂层的压密现象,被压密砂层性能的提升幅度对于注浆加固体的整体性能具有显著影响。基于此,以黏聚力、内摩擦角、渗透系数作为表征砂层压密加固效应的性能指标,以青岛地区含黏性土砂层为典型砂层介质,测试不同黏性土含量条件下砂层性能随压密程度的增长情况,获得砂层各项性能指标与所受压力的定量关系,在此基础上分析黏性土含量对被压密砂层性能提升幅度的影响,提出以临界黏性土含量为指标的砂层压密加固有效性评价标准。研究结论:(1)注浆压密作用可显著提升砂层的各项性能指标,在室内试验条件下,砂层黏聚力增长了30. 8～87. 6 kPa,内摩擦角提高了13°～15°,渗透系数降低了2～5个数量级;(2)被压密砂层性能提升幅度与黏性土含量正相关,当砂层黏性土含量小于临界黏性土含量时,砂层无法通过压密手段进行有效加固;(3)该研究结果可应用于隧道工程穿越砂层注浆加固领域,对注浆设计有一定借鉴作用。     

地铁叠线隧道盾构掘进对地表沉降影响研究

研究目的:地铁叠线隧道由于掘进过程中上下线相互影响且大部分埋深较浅,其对地层的扰动相比常规隧道更为剧烈。本文以佛山地铁3号线某区间叠线隧道为工程背景,利用数值模拟软件建立有限元模型,研究叠线隧道掘进过程中横剖面上土体移动规律以及地表沉降规律,并探讨掘进面压力以及注浆压力对地表沉降的影响,从而为现场选择合理的地铁叠线隧道盾构掘进施工参数提供理论依据。研究结论:(1)叠线隧道掘进引起的地表沉降具有叠加效应;(2)上线隧道掘进时会引起下线隧道的上浮;(3)浆液处于软化阶段时,地表沉降会急剧增大,从注浆到浆液硬化,这一过程对地表沉降的贡献约40%;(4)增大盾构机掘进面压力以及注浆压力可以有效减小地表沉降,但当注浆压力大于200 k Pa时其作用不再明显;(5)本研究结论可为叠线隧道盾构施工时控制地表沉降提供理论指导。     

节理裂隙岩体注浆渗透模型分析

在分析岩体注浆作用的物理机制基础上,通过建立浆液在节理中的渗透概化模型,分析浆液渗透规律,研究注浆对节理岩体的加固效应。研究表明:岩体注浆混合结构形成"注浆岩桥"和"注浆岩楔",使得节理面的裂隙损伤得以弥补,与原节理结构相比,其抗剪强度和抗剪刚度得到大幅提高;将注浆视为在平行板中渗流时,从注浆孔到渗流边界,注浆压力服从线性递减分布规律,且在渗流场中等压线和流线呈均匀网格形态;将注浆视为柱面扩散渗透时,从注浆孔到注浆边界,岩层中的渗透压力坡降按对数关系分布,渗流场中等压线为1组同心圆,流向线为1组径向射线,而且愈靠近注浆孔处,等压线和流线越密集。     

基于地表位移控制的浅埋盾构管片壁后注浆压力确定方法北大核心

采用考虑卸载模量的硬化土小应变模型,模拟分析了不同埋深盾构隧道施工时地表竖向位移随管片壁后注浆压力的变化规律,并从盾构施工微扰动控制角度探讨了壁后注浆压力的确定方法。结果表明:随壁后注浆压力增大,不同埋深下地表竖向位移均可分为沉降敏感阶段、稳定阶段和隆起敏感阶段;壁后注浆压力应在隧道顶部上覆土自重应力的基础上进一步增大,以顶起上覆土,弥补超挖引起的地表沉降;当地层损失补偿率与地层损失率接近时,可达到盾构施工微扰动控制要求,据此提出一种综合考虑地表竖向位移、地层损失率、地层损失补偿率的壁后注浆压力范围确定方法。     

深厚软土地区盾构管片上浮特性数值分析

深厚软土地区盾构管片上浮是较为普遍的现象,对盾构过程和周围环境安全影响较大。结合福州某地铁盾构工程,考虑地层损失和软土扰动影响,建立了深厚软土地区盾构过程中管片上浮的数值模拟方法,并利用实测数据对该模型进行验证。利用已验证的数值模拟方法分析了同步等效注浆压力、注浆量、浆液压缩模量、土仓压力和隧道埋深等对盾构参数对管片上浮量和上浮规律的影响,并建立了管片上浮量的经验计算公式。研究表明数值模拟结果与实测值吻合度较高,能够较真实反映盾构管片的上浮特性;随着注浆压力、土仓压力、注浆量、浆液模量的增大,管片上浮量增大;随着埋深的增加,管片上浮量降低。