泥浆密度对形成泥膜所需泥浆量的影响

在泥水盾构施工中,为平衡掌子面前方土水压力,通常采用喷洒泥浆,使得泥浆向开挖面地层渗透,从而形成泥膜.本文通过实验室内模拟泥浆成膜,开展了一系列不同泥浆密度下的泥浆成膜试验.试验表明:当泥浆成膜时,所需泥浆量随着泥浆密度的增大而减小.     

卵石土及泥岩侵入地层中泥浆配比试验研究

泥浆支护是泥水盾构实现安全掘进的关键,泥浆压力是否能快速有效的传递到开挖面将影响地层的稳定性控制,而泥浆的配比将直接影响泥浆压力的转化。为保证泥浆在卵石土及泥岩侵入地层中的支护效率,本文以成蒲铁路紫瑞隧道工程为依托,开展了一系列泥浆渗透成膜试验以确定泥浆的合理配比。研究结果表明：泥浆的配比对盾构掘进的效率有明显影响,密度和粘度偏小的泥浆会导致泥浆滤失量过大,泥浆压力不能及时形成;而密度和粘度偏大的泥浆会导致刀盘泥饼的产生,降低盾构掘进效率。本文通过泥浆渗透试验与现场实测,在有效成膜和防结泥饼之间确定了最佳的泥浆配比。该泥浆配比的确定及调整方案在现场取得了良好的效果,以期为泥水盾构在类似地层中施工提供参考。     

跨海区域砾砂地层泥水盾构泥浆成膜效果试验研究

为揭示泥水盾构开挖面泥浆成膜规律,以青岛地铁8号线泥水盾构掘进的跨海区间为工程背景,阐述不同级配下泥浆的渗透成膜过程,分析高聚物、处理剂作用下3种泥膜形成机理,并结合特定砾砂地层设计成膜装置,采用控制变量法开展室内试验,选用2种粒径细砂调节泥浆级配,分析不同掺量制浆材料（NSHS-3）作用下的泥浆性质。试验结果表明：与粒径小于0.01mm的细砂相比,粒径小于0.25mm的细砂形成的渗透带抓抱效果较好且更适配砾砂地层。地层的颗粒级配相同时,泥浆黏度越高,其稳定性越高,泥膜容易形成且厚度较薄、质密、滤水量低,但添加剂过量会引起部分土颗粒聚沉,未加压时便附着在开挖面,进而堵塞盾构管道运输系统,泥膜稳定性较差且造成资源浪费。B6号泥浆加压过程中滤水清澈,滤失量较小,形成的“泥皮+渗透带”型泥膜强度较高,能保证开挖面稳定且絮凝较少,经济性较好。研究结论为类似地层泥水盾构施工改良提供参考。     

泥水盾构圆砾地层开挖面泥膜闭气过程试验研究

针对武汉越江地铁泥水盾构在江中高渗透性圆砾地层带压开舱时泥膜闭气问题,开展不同配比泥浆渗透-成膜-闭气试验,测试泥浆成膜及闭气过程中泥膜性质及内部孔压变化.结果表明,泥浆密度的增大会使闭气前后泥膜压缩量及闭气值逐渐增大,而泥膜含水率、孔隙比及渗透系数逐渐减小;小密度泥浆(≤1.1 g/cm~3)形成的泥膜在小于0.2 MPa气压下被击穿,表现为圆孔透气,且内部孔压降低明显;大密度泥浆(1.15～1.2 g/cm~3)形成的泥膜均能在0.4 MPa气压下保持稳定.对本工程而言,可采用密度为1.15～1.20 g/cm~3的膨润土-黏土混合泥浆并渗透成膜8 h的方案,以满足带压开舱时开挖面稳定性要求.     

泥水盾构泥浆在砂土地层中的渗透特性及对地层强度的影响

对于泥水盾构隧道施工,在有压泥浆渗透到地层的情况下,开挖面表面会形成渗透系数极小的泥膜.通过作用在不透水的泥膜上的泥浆压力来平衡掌子面前方的土水压力,以保证开挖面的稳定.以南京纬三路过江通道工程为背景,选择粒径及级配不同的3种地层,进行室内有压泥浆渗透地层模型试验,探讨有压泥浆在不同地层中的渗透特性及泥浆渗透对地层强度的影响规律.研究发现,对于砂土地层,其渗透系数是影响泥浆渗透深度及泥膜质量的重要因素,渗透系数分别与泥浆渗透深度及滤水量呈线性相关关系,而渗透到地层中的泥浆也会随着地层粒径的变化对砂土地层的剪切强度产生不同且有规律的影响.本文的研究成果可以为泥水盾构合理的泥浆支护压力提供相关参考.     

越江泥水盾构隧道泥浆改性及泥膜渗透性状试验研究

为指导越江泥水盾构隧道施工过程中的泥浆性质动态调节，以羧甲基纤维素钠(CMC)和粉细砂为主要调控材料，对不同配比泥浆进行密度、黏度、胶体率测试，并基于API滤失试验研究各配比泥浆的滤失性状及泥膜的渗透特性.结果表明：钠基膨润土-粉细砂-CMC泥浆体系具有良好的分散性，泥浆胶体率普遍在98%以上；对于生成泥皮+渗透带型的砂砾地层，虽然通过掺加粉细砂可有效堵塞地层，减小滤失量，但其形成的泥膜渗透系数和滤失量则相对较大；对于需要快速在开挖面形成泥皮型泥膜的地层，增加CMC的掺量可以有效减小泥膜形成时的滤失量，降低泥膜渗透系数；但CMC掺量过大后所成泥膜孔隙比增大，结构疏松，渗透系数反而呈增长趋势.施工过程中可结合实际需求对泥浆性质进行动态调整，以保障泥水盾构掘进和开舱安全.     

一类特殊的泥水盾构掘进绿色泥浆实验研究

采用普通水、增效土(天然黏土)、淀粉和微量固体碱,利用淀粉的凝胶化特性,发明了一类特殊的泥水盾构穿越砂质地层的绿色泥浆.利用真三轴仪和研究级智能数字全自动立体显微镜,研究了复杂应力状态下绿色泥浆土的力学特性,并对泥膜的细观结构进行了观察,发现该绿色泥浆具有形成泥膜时间短、结构致密、抗渗透能力强和有效泥浆支护压力范围广的特性.对不同复杂应力水平下泥浆土的应力—应变关系实验研究表明:在排水和不排水的条件下,泥浆渗入对砂质地层土体的强度和变形均有较大影响,且不同的泥浆均存在有效泥浆支护压力上、下限值.     

富水砂卵石地层中大直径泥水盾构同步注浆技术

通过统计分析盾构掘进相关技术资料,综合考虑富水砂卵石地层中泥水盾构掘进参数、泥浆参数、盾构姿态、地层变形机理等信息,确定泥水盾构在砂卵石地层中掘进时,同步注浆主要技术参数间的经验公式,指导类似工程施工。     

盾构克泥效浆液成分与渗透扩散研究

克泥效工法常在盾构隧道近接既有建筑物穿越工程中被引进作为控制地层位移的一种辅助工法,克泥效浆液在地层的渗透扩散性对盾壳与地层间环向间隙填充效果有着重要影响,克泥效浆液的流变性能与其微观成分对其流动性有着重要影响。本文基于对克泥效浆液流变性能与微观成分分析,研究了浆液性能变化。进一步结合宾汉姆流体砂土渗流公式与数值计算模型,分析了浆液性能对渗透效果的具体影响,并验证数值模型可靠性与合理性。结果表明:(1)各组克泥效浆液样本在宾汉姆本构下的非线性回归系数均大于0.95,塑性黏度与屈服强度会随着水粉比的减小而增大。(2)克泥效浆液主要成分为石英、斜长石、伊利石、钾长石,随着A液水粉比的增加,克泥效水化产物斜长石增加,而伊利石的含量减小。(3)克泥效浆液会在25s左右占满环向间隙,而后再向地层中发生渗透扩散,地层中浆液体积分数增速随时间而减小,直至增速降为0。(4)随A液水粉比增大、地层渗透系数增加、注浆压力增加,克泥效在地层渗透距离均会增加。理论渗透值与数值模型计算值误差在各工况下的平均误差控制在10%以内。     

不同含石量条件下砂卵石土特性试验研究

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层,盾构在此类地层施工中常遇到出土困难、刀盘磨损和地下水喷涌等问题.针对此类地层物质组成和结构的复杂多变性,选择洛阳地铁2号线某站点附近砂卵石地层进行取样,进行不同含石量下砂卵石土的大型直剪试验、坍落度试验和渗透试验,系统地研究了含石量对砂卵石土抗剪强度、流动性和渗透性的影响.试验结果表明:砂卵石土抗剪强度和内摩擦角均随着含石量的增加而呈非线性增大,且含石量小于30%时抗剪强度和内摩擦角增大较小,含石量位于30%～70%时抗剪强度和内摩擦角增大显著,含石量大于70%时抗剪强度和内摩擦角变化不明显;砂卵石土坍落度随着含石量增大而减小,且存在一个减小速率明显不同的分界含石量约为50%;砂卵石土渗透系数随着含石量的增加而增大,且表现出与抗剪强度和内摩擦角一致的规律.     

泡沫稳定性对土压平衡盾构砂卵石渣土改良效果

为确保土压平衡盾构在砂卵石地层施工时切削的渣土具有良好的工程特性,以成都轨道17号线明九区间2号风井—九江北区间为背景,采用不同稳定性的泡沫剂分别掺入卵砾石含量为20%、40%和60%的砂卵石渣土中,开展室内坍落度试验、渗透试验和喷涌试验,研究各种泡沫土流动性、渗透性和时效性的变化规律,探讨泡沫剂稳定性与砂卵石渣土的适应性。结果表明：稳定性好的泡沫能够适应卵砾石含量低于60%的砂卵石土层,即泡沫稳定性的提高有利于扩大砂卵石地层的适用范围;稳定性好的泡沫剂能够保持改良砂卵石渣土掘削排渣全过程良好的流动性、抗渗性;过量的泡沫掺入改良的砂卵石渣土易发生离析,造成改良后的渣土难以达到良好的和易性;泡沫改良砂卵石渣土的喷涌压力可作为检验改良效果的重要指标。     

含建渣回填土渗透性能的现场注水试验研究

确定回填土的渗透性能对建筑物的抗浮设计极为重要。建渣成分复杂、极不均匀,回填土中混入建渣会改变其水力特性,渗透系数难以确定。在含建渣的回填土(黏土、砂卵石土)中根据其不同的建渣含量分别布置8个试验点位,利用改进的双环注水设备对含建渣回填土的渗透特性进行现场双环注水试验研究。测定了不同建渣含量时回填土的渗透系数,并分析回填土中混入建渣对其渗透性的影响。试验结果表明,建渣混合回填会显著增加回填土渗透性,且砂卵石土渗透系数受混入建渣的影响要大于黏土;回填土渗透系数与建渣含量之间存在正指数关系,并提出了一个简明的含建渣回填土渗透系数计算公式,为回填施工提供参考依据。     

考虑注水温度及储层堵塞的注水破裂压力计算

 长期注水造成的储层温度变化和堵塞都会影响注水破裂压力。基于多孔介质弹性力学理论, 得到了考虑储层温度变化及堵塞时的井壁处有效应力分布规律, 建立了相应的注水破裂压力计算模型, 并分析了储层温度变化及堵塞程度对注水破裂压力的影响规律。计算结果表明:注水破裂压力随注水温度的降低而降低, 且成线性变化关系, 弹性模量和线膨胀系数越大, 注水破裂压力的变化幅度越大;与储层内部的污染带相比, 滤饼厚度及其渗透率对破裂压力的影响更大, 随着滤饼厚度的增加及其渗透率的降低, 破裂压力将会升高;井壁存在滤饼时, 污染带范围的增加将降低破裂压力, 而其渗透率对破裂压力则影响很小, 当滤饼不存在时, 储层内部污染带不会影响注水破裂压力。     

流体流动和岩石变形耦合对井壁稳定性的影响

无论是过平衡钻井,还是欠平衡钻井过程,都可能导致井周围地层孔压力改变,这样就使我们通过假定地层孔隙压力恒定而得到的井周应力分布和地层的安全钻井液密度范围与实际偏离。滤饼质量直接影响到井周围流体流动的情况和井壁附近地层的孔隙压力。定量地计算分析了滤饼质量和流体流动对井周地层径向应力、周向应力、轴向应力和剪应力的影响,结果表明,一方面,随着滤饼质量的提高,井筒内流体在正压差下向地层中流动的能力和程度逐渐减小,井壁地层孔隙压力逐渐趋于原始地层孔隙压力,井壁岩石所受到的径向应力逐渐增大,井壁的稳定性逐渐变好;另一方面,地层颗粒间的接触应力逐渐增大,岩石抵抗张性破裂的能力增强,地层的破裂压力提高,井壁稳定性变好。滤饼质量好坏对低渗透地层的影响尤其显著。     

MTC固井液二界面胶结强度实验研究

常规水泥浆体系固井二界面胶结强度较低，为了解决这一问题，进行了MTC固井液二界面胶结强度实验研究。结果表明，MTC固化体的体积收缩率远小于水泥石的体积收缩率。与低密度水泥浆体系相比，MTC固化体系与泥饼之间能够实现整体固化胶结，MTC固化体二界面胶结强度受井壁界面性质影响较小，尤其在有一定泥饼存在的情况下更是如此。但由于MTC固化体的抗压强度较低，在地层压力或注入压力较高的井中应谨慎使用。     

盾构隧道同步注浆纵环向整体扩散理论模型

针对目前现有的盾尾同步注浆扩散模型以浆液纵环向流动相互独立为前提,未考虑浆液流动的关联性问题,基于Bingham流体本构模型和流体力学原理,分析盾构隧道同步注浆扩散模式机理,建立了盾尾同步注浆纵环向整体扩散理论模型。基于时空离散概念,设计求解该理论模型的数值算法。结合工程实例,对理论模型和数值算法进行了验证,并与现有的环向独立扩散模型计算结果进行对比和分析。分析结果表明:纵环向整体扩散模型相较于环向扩散模型,改进了假定条件,不需引入环饼厚度等敏感假定参数,更加贴近工程实际情况;浆液压力整体上呈现着上小下大重力主导的趋势,竖向梯度约为16 kPa·m^-1,而在注浆孔附近局部区域浆液压力分布较为复杂,与注浆孔位、浆液流动方向以及注浆压力与环境压力之间的压力差等因素有关。     

基于上限定理的砂卵石地层盾构隧道开挖面稳定性分析

目前对砂卵石地层开挖面稳定理论模型的研究相对较少,施工过程中盾构机支护力的施加多凭借施工经验进行。为研究砂卵石地层开挖面失稳问题,运用极限分析法上限定理,结合椭球体放矿理论,建立盾构隧道开挖面极限分析模型的计算方法,研究开挖面前方土体变形未发展至地表与发展至地的表两种工况,得到了极限支护力的上限解析解。并选取五种典型的理论分析方法验证了计算结果的正确性。结果表明：所提出的对数螺线椭球体机制得到的开挖面极限支护力受地层内摩擦角、隧道直径以及土体重度的影响较大,埋深和黏聚力的影响较小,地表超载的影响最小;其中开挖面极限支护力均随着土体重度和隧道直径的增大而线性增大,随着摩擦角增大呈现非线性减小趋势;通过与旋转破坏机制、3D对数螺线机制、FLAC^3D数值模拟得到的开挖面前方塌落区域的对比,所提出的开挖面前方塌落机制与数值模拟能接近地层的失效形状。