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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

海水环境下盾构泥浆性能试验研究

为解决泥水盾构在海水地层中掘进时的泥浆配制问题,以苏埃通道工程为依托,采用室内试验的研究方法,进行淡水泥浆和海水泥浆的性能对比试验和海水渗入淡水泥浆试验,以及海水泥浆的不同添加剂和固相材料配比试验,并开展淡水泥浆在海水地层环境中的成膜试验,得到以下结论： 1）无添加剂时淡水基浆中膨润土比例宜取为18%~24%,对于质量分数为30%的基浆可通过添加纯碱来降低黏度; 2）随着膨润土含量的增加,不同海水渗入量对淡水泥浆胶体率的影响降低、对黏度的影响提高; 3）HPMC可提高海水泥浆的胶体率,降低离析速率,但会使泥浆黏度增大; 4）固相比例不变时,加入黏土可改善膨润土与HPMC反应黏度过大的问题,但会提高海水泥浆的滤失量; 5）18%比例的膨润土淡水泥浆在苏埃通道工程海水环境下的砂性地层中成膜效果较好。     

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。     

海洋环境基桩海水泥浆工程特性试验研究

福建琅岐大桥主桥为主跨680m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥,基础采用钻孔灌注桩,采用海水配制泥浆。为确定泥浆材料中膨润土及添加剂用量的最优比例,采用3因素5水平正交试验对海水泥浆的工程特性进行研究,分别针对膨润土、增黏剂和纯碱3个因素的5种含量开展泥浆性能试验,分析各因素含量对泥浆性能指标的影响。结果表明:膨润土含量增加,泥浆的比重、黏度、含砂率、泥皮厚度及胶体率均明显增大,失水量有所减小;增黏剂含量增加,泥浆的失水量迅速减小,黏度、胶体率、泥皮厚度显著增大;纯碱含量增加,泥浆的黏度、pH值和胶体率增大,失水量减小。该桥最终采用的泥浆配合比为落潮海水∶膨润土∶PAM∶纯碱=1 003∶100∶0.015∶2.5,泥浆各项性能指标均满足工程技术要求。     

渗流作用下盾构隧道地表变形规律研究

在泥水平衡盾构工法中，通常会用密封舱的泥浆来平衡开挖面的水土压力，从而达到控制地表变形的目的，因此，泥浆压力的选取十分关键。为了解决工程中泥浆压力的选取问题，采用理论分析方法，结合泥水盾构隧道开挖面平衡稳定原理，对泥浆在开挖面上的3种形态进行对比分析，结果表明，“渗透模型”在工程中广泛存在，且渗透作用会导致开挖面稳定性减弱。基于“渗透模型”,采用FLAC^3D软件进行流固耦合计算，结果显示，渗流作用下地表最大沉降随泥浆压力的增大而减小，当泥浆压力达到一定限值后(本工程背景下为400 kPa),地表最大沉降值不再减小，该研究解决了合理确定泥浆压力控制地表沉降的难题；通过分析盾构掘进过程中岩土体应力状态分区和地表沉降云图，构建了地表沉降范围预测模型，模型理论计算结果与数值模拟结果吻合良好，该模型可用于泥水盾构隧道施工引起的地表沉降范围预测。此外，在泥浆压力为400 kPa时，采用数值计算方法进行了泥浆渗漏计算，结果表明泥浆渗漏上边界距水库底面7.5 m,不会对保护区水体造成污染。该研究结果可为泥水平衡盾构施工中泥浆压力的选取、地面沉降范围的确定以及泥浆渗漏的影响这3个施...     

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。     

火山灰沉积地区钻孔泥浆性能试验

水敏性火山灰沉积岩具有很强的吸水性和膨胀性,遇水后迅速软化崩解,钻孔施工时使用普通泥浆很难成孔。通过分析泥浆护壁性状,认为减少失水量和泥皮厚度是在水敏性土中成孔和提高桩侧摩擦阻力的关键。选取羧甲基纤维素（CMC）和纯碱（Na2CO3）作为减小失水量的添加剂,通过正交试验确定泥浆的最佳质量配比为：淡水∶膨润土∶CMC∶纯碱=100∶8∶0.1∶0.04。试验结果表明：膨润土质量分数越大,泥皮越厚,护壁效果越好,对桩侧摩擦阻力的消弱越大;CMC和纯碱对减少失水量和泥皮厚度效果明显;海水入浸会增加泥浆的失水量,造成泥浆恶化;铬铁木质素磺酸钠盐（FCL）对因海水入浸而恶化的泥浆改善效果不明显。     

广深港客运专线狮子洋隧道泥水盾构泥浆综合管理技术

泥水盾构在穿越软弱不良工程地质及有高压涌水风险的地层施工过程中,确保泥浆系统高效运转、达到盾构快速掘进是当前泥水盾构施工面临的重要课题之一。介绍狮子洋隧道泥浆管理过程中泥浆配制、泥浆循环及泥水处理技术,并对盾构穿越特殊地层的泥浆管理技术进行总结。主要结论与建议如下:1)泥浆材料种类繁多,需要考虑经济因素及地层条件,合理选择泥浆配置主要材料及外加剂;2)泥水盾构穿越复杂地层时泥浆的各项性能指标必须根据地层变化情况及时进行调整;3)进一步开展泥浆黏粒含量、失水量及胶体率等参数现场快速测定试验研究。     

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。     

南京纬三路过江通道泥水盾构泥浆配制试验研究

泥水盾构以其良好的适应性在过江过河隧道中得到了广泛应用。合理的泥浆配比及泥浆参数直接关系到盾构掘进的效率、安全及施工成本。以南京纬三路过江通道为背景,选取隧道穿过的4种砂性地层进行泥浆成膜试验,得到各地层的泥浆成膜参数;然后利用淤泥质粉质黏土地层中产生的废弃泥浆作为基础材料,向其中添加膨润土浆或CYHS-3型增黏剂溶液,得到满足4种地层施工需要的泥浆配方。结果表明:1)密度小于1.05 g/cm3的泥浆,不适于在砂性地层中成膜;2)膨润土浆和增黏剂溶液可以调节泥浆黏度;3)当泥浆黏度大于20 s时,膨润土浆对泥浆黏度有明显的调节作用;4)泥浆密度越大,增黏剂溶液对泥浆黏度的提高越明显,当泥浆密度小于1.10 g/cm3时,增黏剂溶液对泥浆的黏度几乎没有影响。     

土压平衡盾构在砂层中掘进的渣土改良技术

渣土改良技术是土压平衡盾构在砂层中掘进的关键。结合南昌、郑州和西安地铁区间隧道盾构施工实例,对土压平衡盾构砂性地层改良技术的应用进行系统的调查研究,采用膨润土泥浆、泡沫剂、聚合物等添加剂对不同的砂性地层进行渣土改良,分析膨润土泥浆、泡沫剂、泥浆与泡沫剂相结合、泥浆与聚合物相结合等对砂性地层改良的作用机制和特点,总结盾构在不同砂性地层中掘进采取的渣土改良技术措施,指出渣土改良技术目前的使用及研究现状,以期为今后类似工程提供参考和借鉴。