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.     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

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。     

富水粉细砂地层中护壁泥浆材料配比的优化

地下连续墙在以淤泥、粉细砂层地质为主,地下水丰富的江浙沪地区施工时,因传统护壁泥浆携砂能力过剩而造成废浆率大、沉渣厚和成墙质量差等问题。为有效提高地连墙施工质量,开展了低固相地连墙泥浆配制试验研究,通过优选增粘组分、成膜粉体助剂和膨润土,制备匀质性好、滤失量低、泥膜致密和携沙能力适中的工程用地连墙护壁泥浆,掌握了低固相地连墙护壁泥浆制备工艺等关键技术。基于苏州地铁8号线的工程应用表明：利用该工艺制备的低固相地连墙护壁泥浆沉渣厚度低于100mm、泥浆循环使用损耗率低于20%、成墙质量得到明显提升。     

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。     

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。     

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.     

全风化花岗岩地层膨润土-超细水泥浆液滤失特性研究

针对全风化花岗岩地层注浆加固时,遇到微小孔隙时的浆液失水问题,开展不同膨润土-超细水泥浆液配方的滤失试验,并对滤失泥饼进行微观结构对比分析研究。结果表明,膨润土含量及其水化胶体的形态与分布决定浆液滤失性能;适量加入超细水泥,增加细颗粒含量,胶结体更易填充颗粒间隙,滤失量相比不加超细水泥试验组减小;超量加入超细水泥导致胶体被细颗粒包裹,则无法阻止失水,滤失量反而最大。采用有限元方法进行多孔介质内渗流的数值模拟研究,探究了胶体形态、分布对泥饼内渗流影响,发现分散块状和大、小孔隙状抗滤失性极差,完整膜状抗滤失性最佳。     

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.     

富水砂卵石地层盾构隧道施工泥浆的研究与应用

针对北京站至北京西站地下直径线工程泥水盾构施工，通过对泥浆性能研制的配比试验，提出了砂卵石条件下的最佳泥浆配比，提高并改善了泥浆的成形质量与速度，确保了环境要求。对类似工程有一定的借鉴作用。     

大直径泥水盾构下穿地铁挡墙路基沉降控制

为研究泥水盾构双洞先后下穿施工影响下既有挡墙式路基的沉降控制措施,依托京沈客专望京双洞盾构隧道施工下穿北京机场线路基工程,通过分析现场监测数据及盾构施工参数,在阐明了路基的沉降规律基础上,总结了控制沉降的盾构施工参数调控和注浆加固、沉降补偿的经验.研究结果表明:掘进各参数间、泥浆各参数间的关联密切;合理且较高的顶推力和泥水压力、较高比重和黏度的浆液可确保在地层扰动小的情况下盾构快速通过穿越段;理论注浆量2.5倍的同步注浆量和大于泥水仓压力0.15～0.2 MPa的注浆压力可确保盾尾建筑空隙充填密实;地表预注浆充分改良加固了地层、适度抬升了路基,注浆压力1.2 MPa的地表跟踪注浆及时有效地抑制、补偿了路基沉降,注浆压力1.2 MPa和速度100 L/min的隧洞内加强注浆减小了路基工后沉降.     

泥水盾构施工废弃泥浆对同步注浆材料性能的影响

泥水盾构施工会产生大量废弃泥浆,传统的抛弃堆放不但污染环境且占用土地资源。依托南京长江新济洲供水廊道项目泥水盾构工程,针对江底盾构施工中的废弃泥浆,开展了将其应用于同步注浆材料的可行性研究。通过室内试验,研究了泥浆固水比、膨润土替代率和废弃泥浆黏粒含量对注浆材料性能的影响,同时对比分析了新配制膨润土泥浆和废弃泥浆对注浆材料性能影响的差异。结果表明：增大泥浆固水比,可使砂浆凝结时间缩短、强度增大、泌水率和体积收缩率降低,但会导致砂浆流动性变差。相比于新配制膨润土泥浆,废弃泥浆制备的砂浆具有更优的流动性能,但存在泌水率偏大和强度偏低的问题。采用废弃泥浆替代部分新配制膨润土泥浆,则能够有效控制砂浆的泌水率增大和强度降低的问题,同时使砂浆的流动性能大幅提高;废弃泥浆黏粒含量对砂浆性能影响相对较小,一定程度上表明了使用不同地层废弃泥浆制备的砂浆性能差异不大,故无须随地层变化而对砂浆配比进行较大调整,便于实际工程施工应用。     

考虑动态滤失系数的压裂井裂缝闭合及返排优化

依据渗流力学理论,借助岩心滤失试验,引入动态滤失系数,建立致密气井压裂后强制裂缝闭合理论模型和动态滤失系数模型,对加砂压裂及压后关井过程中的压裂液滤失量、滤液侵入机制、近缝地层压力剖面进行动态分析。结果表明:动态滤失系数模型可更好地描述压裂液滤失的动态过程,前期滤失速率大,后期滤失速率变小并趋于定值;压裂液滤失由缝口至缝端逐渐降低,侵入伤害带主要集中在缝口处,侵入深度与储层的物性参数、压裂液流体参数及施工规模有关;气井中压降主要集中在原状地层区,返排的主要能量来源于压裂及关井过程中地层气体压缩产生的附加能量。