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.     

浅析地铁泥水盾构施工

在广州地铁某区间施工中,由于地质条件变化而需要在软弱土层中对盾构机刀具进行更换,通过采取优质泥膜、封堵漏气通道等措施及保压实验、合理的作业流程等,顺利实现了气压开舱作业,是软土施工中的一次突破。本文通过在砂层浅覆土段盾构气压开舱施工实践,对在不良地层进行气压开舱作业的问题进行简单的探讨。     

复合地层泥水盾构开挖面失稳破坏宏微观机理

针对复合地层泥水盾构开挖面稳定性问题,采用试验研究和数值仿真分析相结合的方法,并结合宏观及微观研究手段,对泥水盾构施工过程中周围土体力学特性及地层变位,进行了定量分析,揭示了该地层条件开挖面的失稳破坏模式.在此基础上建立了完善的开挖面稳定性三维解析方法,主要得到以下结论:对于常见上软下硬复合地层情况,低应力水平条件下泥浆的渗入能在一定程度上提高土体的强度,减缓侧向变形的发展,因此,有效泥浆支护压力宜控制在较小的区间取值,且不宜过大,并应充分利用盾构本体正面挡板来保持地层的稳定;上软下硬复合地层中开挖面失稳破坏模式与砂性土地层的失稳破坏模式相似,即表现为开挖面前方为楔形体,破坏区域顶部为烟囱状,最大沉降量发生在开挖面前方顶部附近.     

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.     

泥水盾构泥膜破坏实验及颗粒流数值模拟研究

以南京纬三路过江通道N线盾构带压开舱为工程背景,针对泥水盾构泥膜在气压荷载作用下破坏过程,结合现场施工工艺,进行了室内试验的分析研究。在此基础上利用颗粒流方法,考虑了地层颗粒形状、级配等细观参数,对泥膜破坏过程进行了模拟分析。结果表明:泥膜破坏是因为在气压作用下产生拉应力导致泥膜开裂透气。以0.45 MPa为节点,气压小于0.45 MPa时,随着气压的增加泥膜破坏稳定时间急剧减小;气压值大于0.45 MPa时,随着气压的增加泥膜破坏时间趋于稳定。相应研究结果可为工程实践提供参考。     

咸水环境下泥水盾构泥浆配比试验研究

在水下盾构掘进过程中出现带压开舱检修情况时,如何在高渗透性地层形成质量较好的泥膜从而保证开挖面稳定,是保障工程安全与进度的重要前提.以青岛地铁跨海段隧道掘进工程为依托,自主设计试验装置开展咸水泥浆配比及渗透成膜试验,并设置淡水泥浆作为对照组.采用控制变量法和析因分析法研究膨润土、羧甲基纤维素(CMC)、碳酸钠等不同制浆...     

泥膜对软土泥水盾构隧道施工的影响

泥水盾构施工中有三种机理对泥膜的形成起作用.泥膜阻止隧道掘进流体自由流入剪切区域,造成泥浆粘度增高和含泥浆的土的渗透性降低.不管泥膜的贯入深度大小,覆盖泥浆的饱和土所需的切削力比无泥浆覆盖的饱和土所需的切削力比无泥浆覆盖的饱和土所需的切削力至少高一倍.气窝也更容易在覆盖泥浆的饱和土内出现.     

断层破碎带泥水盾构绿色泥浆试验研究

为解决大部分泥水盾构所用泥浆难以降解、污染性强、废浆量大、制浆成本高等问题,提出几种价格低廉、绿色环保的泥浆添加剂,并通过试验分析各添加剂对泥浆性能指标的影响,最终建议将麦芽糊精作为泥浆添加剂代替传统泥浆添加剂.根据断层破碎带的特点,提出一种绿色经济、适用性强的泥浆配比,即水:黏土:膨润土:无水碳酸钠:麦芽糊精=700...     

泥水平衡盾构开挖面平衡控制系统仿真设计研究

在分析工作原理的基础上,建立了泥水平衡盾构开挖面平衡控制系统的数学模型,为该系统中的气泡舱气压力调节回路和泥水液位调节回路设计了不同的控制器,分别在气泡舱气压力单回路调节模式和气、液双回路调节模式下就所设计的不同控制器的控制效果进行了仿真对比,得出了不同干扰对系统的影响情况,针对影响较大的干扰,提出了相应的控制对策,给出了根据不同的实际应用要求和场合所应选择的最佳控制方式和自动切换方法,由此设计出该系统的数字化统一控制模型.     

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。     

砂卵石地层盾构泥浆渗透成膜细观分析及离散元模拟

为研究泥水平衡盾构在砂卵石地层成膜困难的问题,采用自制设备,开展泥浆渗透试验,观察泥浆在卵石地层中形成泥膜的过程,对泥浆颗粒在地层中的堆积形态进了细观分析,探究泥浆渗透成膜机理。基于FLUENT-EDEM耦合方法,建立泥浆渗透数值模型,结果表明：泥膜的三种渗透状态取决于泥浆地层颗粒比;相同条件下泥浆的渗透深度随泥浆密度增大而减小,随着泥浆压力的增大而增大,但泥浆压力的影响较小。数值模拟结果可反映室内试验现象,结论可为盾构施工参数的选取提供参考。     

砂卵石地层盾构隧道掌子面稳定性理论分析

盾构隧道穿越砂卵石地层掘进施工时,由于砂卵石的地层特性及施工扰动,隧道掌子面容易失稳而引发事故。为研究砂卵石地层盾构隧道掌子面稳定所需的最小支护力,结合砂卵石地层的掌子面失稳模式,在三维Murayama模型的基础上,将掌子面前方土体的滑动面形式假设为对数螺旋滑移线,结合上部松动区域的破坏机制,引入椭球体放矿理论,对传统的棱柱体筒仓模型进行改进,进一步通过极限平衡法推导出砂卵石地层的掌子面极限支护力求解公式;最后通过离散元数值模拟验证所推公式,两者的误差为3.1%。结果表明所得公式可对砂卵石地层的掌子面极限支护力进行较为精确的求解。研究成果以期为砂卵石地层掌子面极限支护力计算理论提供依据。     

富水黏土地层盾构隧道开挖面稳定性

富水黏土地层盾构隧道施工过程中,确定合理的开挖面支护力对于安全掘进至关重要。针对富水黏土地层盾构隧道,对不排水条件下的开挖面稳定性展开了研究。通过数值模拟研究,分析了直径D、埋深比C/D与内聚力c对极限支护力的影响规律;推导已有的适用于不排水分析的开挖面主动破坏模式并分析其功率构成,结合黏土不排水离心试验得到破坏区域范围,对极限分析法获得的极限支护力进行了修正。最后,利用理论解析法与数值模拟方法对常州地铁工程某标段区间盾构隧道段进行开挖面稳定性分析,结果表明,理论解析法与数值模拟所得极限支护力相互印证,但理论解析法计算更为便捷。研究结论为富水黏土地层盾构隧道的工程实践提供借鉴与指导。     

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.     

表面型低温过滤器的滤饼特性实验研究

通过搭建的低温不锈钢丝网过滤器过滤特性实验台,采用液氮为待净化的液体,二氧化碳为杂质成分.进行了过滤器表面的滤饼特性测试,实验测试了不同的工况下,恒速过滤和恒压过滤时的液氮流量和过滤器前后压降.根据过滤理论,分析了恒速和恒压过滤的特点,并根据达西定律推导出压降公式和t/V-V曲线,分别计算恒速和恒压过滤阶段的滤饼比阻和过滤介质阻力.结果表明,不锈钢丝网过滤器能有效净化液氮中的二氧化碳颗粒,且所得的滤饼可视为不可压缩的,滤饼比阻和过滤介质阻力在各个阶段均可视为定值,其计算值弥补了低温下滤饼特性数据的不足.     

干砂盾构隧道开挖面主动极限支护压力计算

隧道开挖面支护压力的合理选取是维持开挖面稳定性的重要条件,本文基于筒仓理论与三维楔形体计算模型,假设开挖面破坏区滑动块为一个由部分球体与半圆台组成的弧形楔形体,滑动块上部为半圆柱体.采用Terzaghi松动土压力与Rankine主动土压力计算方法和滑动块受力平衡,推导出干砂条件下开挖面主动极限支护力计算公式.由案例分析可知,该公式计算结果小于魏纲和三维楔形体模型计算结果,且更接近Chambon 离心模型试验结果,并针对计算误差探讨了该计算公式局限性因素.     

雾化施液CMP工艺及实验设备

针对传统化学机械抛光的平坦化制程中抛光液使用量大和环保等问题,提出了一种利用超声波雾化抛光液进行抛光的工艺方法。介绍了试验台架搭建、工艺处理方法、工作原理和抛光工艺,并与传统化学机械抛光效果进行了比较。研究表明,在表面质量上,雾化工艺能够达到传统化学机械抛光的量级,其使用量是传统化学机械抛光的1／10。     

基于计算流体动力学的盾构刀盘开挖面土体分析

针对土压平衡盾构掘进过程中土体、刀盘及土舱控制等复杂的耦合作用关系,利用经改良的切削渣土的"塑性流变状态",建立了包括土体、刀盘、土舱和螺旋输送机在内的CFD模型,研究了刀盘开口率和埋深等因素对刀盘开挖面土体压力及速度分布规律的影响.建立了土体压力及其速度分布的拟合数学模型,揭示了刀盘拓扑结构特征对掘进过程的重要影响.利用实际工程掘进数据对比验证了CFD模型计算结果的正确性与方法的可行性,可对高效、稳定掘进的刀盘拓扑结构的优化设计提供分析支持.     

硬岩地层地铁暗挖车站施工过程力学分析

地铁暗挖车站因其埋深浅、开挖尺寸大,隧道围岩应力演化剧烈且复杂,塌方事故风险大,隧道支护设计面临极大挑战。为精细化模拟地铁暗挖车站分部开挖及初期支护全过程,以青岛地铁6号线海港路站为对象,建立三维数值模型,结合现场监测数据,研究硬岩地层暗挖大跨隧道施工过程力学特征。结果表明：拱部上导洞开挖造成围岩强度储备显著降低,引起拱顶及地表沉降量占最终值的54%和56%,左、右导洞开挖对应的拱顶围岩应力变化较小,引起拱顶沉降分别占最终值的30%和13%,直墙部等后续施工影响更小,从总体过程来看上导洞开挖对隧道沉降控制最为关键。全部贯通后,拱顶围岩强度储备值高于其他部位,边墙围岩强度储备值接近极限状态,从隧道各部位围岩强度储备角度上看,边墙最为关键需支护。总体上,地铁暗挖车站虽跨度大、埋深浅,但由于硬岩地层围岩强度高而几乎没有产生塑性区,锚喷格栅初期支护即可使隧道达到较高的稳定状态。