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.     

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。     

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.     

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.     

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.     

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。     

基于流固耦合的泥水盾构隧道施工引发地表变形

利用泥水盾构隧道开挖面平衡稳定原理,对泥水介质渗透的微观机理进行分析.同时,以具体工程为研究对象,结合流固耦合基本原理对由于开挖面泥水渗流所引起的隧道开挖位移场进行计算分析.研究结果表明:泥水介质向开挖面前方土体渗流时,将引起隧道地表附加沉降,且泥水压力大于主动土压力时,泥水压力越大,附加沉降量越大,但总沉降量越小;泥膜渗透系数越小、泥膜厚度越大附加沉降越小;适当增加施工进度有助于减少附加沉降.因此,在高渗透性地层条件下采用泥水盾构施工时,应确保泥水介质的质量,适当提高施工进度,尽量减少泥水渗透对开挖面稳定性及地表变形的小利影响.     

高渗透地层土压盾构渣土改良试验研究

土压平衡式盾构施工在砾砂地层中容易出现螺旋排土器喷涌等问题,为了维持开挖面稳定,使盾构顺利掘进,需要对土压舱内的渣土进行改良.传统的渣土改良方案如加膨润土泥浆和气泡很难满足改良要求,文章通过对砾砂地层土颗粒的级配特征进行分析,发现砂砾地层缺少0.075~0.05 mm和0.25~0.01 mm粒组,通过粉土补充该粒组即在膨润土泥浆中掺入粉土对渣土进行改良,渣土的渗透系数大幅下降,改良效果良好.     

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.     

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.     

顶管施工废弃泥浆的泥水分离特性研究

泥水平衡盾构、顶管工程施工过程中会产生大量的废弃泥浆，将泥浆进行快速泥水分离是解决泥浆堆置场地短缺的必要途径.开挖地层的变化以及泥浆掺加剂的变化，导致了盾构、顶管工程废弃泥浆性质的多变，易降低后续的泥浆脱水效率.针对此问题，本文以典型顶管施工废弃泥浆的脱水工程为研究对象，测定并研究了该工艺中顶管废弃泥浆的泥水分离特性及脱水产物的物理化学特性.研究发现，絮凝-过滤工艺处理废弃泥浆得到泥饼的含水率与泥浆初始粒径及过滤压力有关，未来的相关工程可以基于废弃泥浆的初始粒径，选取相应的过滤压力；顶管废弃泥浆的性质随着开挖地层的变化而发生大幅度变化，其絮凝-过滤工艺需要根据地勘报告进行设计，考虑泥浆脱水过程中的最不利情况.提出了絮凝-过滤工艺未来的优化及发展方向.     

佳木斯市江北水源工程松花江穿越隧道盾构施工泥浆性能研究

在泥水平衡盾构施工过程中,针对佳木斯地质条件的具体情况,经过对泥浆的反复调配、试验,找出了适合本地层的泥浆配比。解决了在富水砂砾石地层中采用膨润土加粉质粘土混合浆液充当砂石输送载体、土体开挖面护壁支撑介质的难题,为泥水平衡盾构在富水砂砾石地层中施工提供了一些思路。     

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.     

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。     

富水砂卵石地层泥水盾构施工技术

成都地质以地下水位高、含水量大、卵石含量高硬度高、漂石含量高且局部密集成群著称,是否适合盾构法施工或采用何种类型盾构施工,一直存在争论。就此以成都地铁一号线盾构4标右线线隧道施工为例,从盾构选型、泥浆配置、开挖面稳定技术、进泥水舱技术和大漂石处理等方面,对泥水平衡盾构在富水砂卵石地层中的掘进技术进行了初步探讨。     

灌注桩绿色泥浆制备及泥皮的渗透特性

泥浆在地基处理、泥水盾构等工程中起重要角色,增稠剂是泥浆质量的关键所在。传统泥浆使用的增稠剂主要为羧甲基纤维素钠(CMC),这种泥浆降解难度大,很容易污染环境。针对以上问题,采用瓜尔胶和黄原胶来取代传统泥浆添加剂进行绿色泥浆配置。通过配比实验和改进滤失实验研究泥浆的最优配比以及其新型泥皮的渗透特性。结果表明：瓜尔胶：黄原胶最优配比为1：5。通过增加试验压力,可以减小泥皮孔隙比,从而有效降低泥皮的渗透系数。CMC和新型添加剂对泥浆改性效果大致相同,在膨润土添加2.5g瓜尔胶与0.5g黄原胶得到的泥皮渗透系数比同质量分数纯膨润土泥浆小3个数量级。新型天然添加剂对泥浆的改性效果较好,添加高分子材料会使形成的泥皮厚度变小。试验和理论分析结果证明了新型绿色泥浆在桩基工程应用的可行性,可推广应用。     

粉质黏土替代膨润土改性泥浆配比试验

为解决土压平衡盾构及车站基坑开挖过程中产生大量废弃粉质黏土的现状,提出一种利用废弃粉质黏土调制泥浆改良盾构渣土的新方案。以沈阳地区粉质黏土为研究对象,通过添加不同的外加剂对粉质黏土泥浆进行改性,研究泥浆土水比、外加剂种类及掺量变化对改性泥浆的漏斗黏度、酸碱度、滤失量和胶体率的影响。通过扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)研究了粉质黏土泥浆的微观改性机理。结果表明：纯粉质黏土泥浆自身稳定性差、泌水量大,无法有效改良渣土;碳酸钠和焦磷酸钠对粉质黏土泥浆的改性效果较好,合理掺入量为1%～3%;改性后的粉质黏土泥浆可有效改良砾砂地层渣土的塑流性,合理粉质黏土泥浆土水比为9∶11、焦磷酸钠掺量为3%,注入比为24%～28%。研究结果验证了粉质黏土泥浆用作盾构渣土改良剂的可行性,为废弃粉质黏土再利用提供了新思路。     

土压平衡盾构改良渣土力学行为及其地层响应特征

基于土压平衡盾构改良渣土的力学行为直接影响着土舱压力传递性、地层沉降和开挖面稳定性,以南昌地区泥质粉砂岩和砾砂作为试验材料,采用泡沫剂和膨润土泥浆为改良剂,对渣土进行三轴快剪(不固结不排水)试验,并基于三维数值模拟,分析渣土改良对地层响应的影响。研究结果表明:改良和未改良渣土的应力-应变曲线都近似于硬化型曲线,并且硬化曲线特征不受改良剂的影响;改良后渣土的抗剪强度大幅度减小,改良剂添加率越高,渣土抗剪强度越低,改良效果越好;泡沫和膨润土泥浆对渣土的改良机理存在一定差异,采用泡沫改良渣土能降低渣土内摩擦角和黏聚力;采用膨润土泥浆改良渣土能减小渣土内摩擦角,而其黏聚力小幅度增大;考虑改良渣土和盾构机刀盘的影响时,开挖面支护应力曲线呈现出非线性,其分布受刀盘开口分布位置的影响;开挖面的支护应力和地层响应均受到渣土改良的影响,改良效果越好,开挖面支护应力越小,开挖面前方地层沉降越大;与采用膨润土泥浆改良渣土相比,采用泡沫改良渣土后开挖面支护应力较小,地层沉降较大。     

泥浆护壁机理的研究

本文从泥浆的性能和土层的特点出发,对混凝土帷幕凿井法泥浆护壁机理进行了研究。首先从泥浆渗透作用与泥皮的形成过程研究了泥浆的性能对槽壁稳定性的作用,然后研究了泥浆对整个槽壁稳定性的作用以及泥浆对单个土颗粒的作用进行了研究。