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.     

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。     

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。     

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。     

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...     

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.     

富水砂卵石地层冻结孔钻进泥浆配比优化研究

在富水砂卵石地层地铁联络通道近水平冻结孔钻进时,因泥浆黏度低,稳定性差,护壁及润滑作用弱造成泥浆损失及钻头磨损严重、塌孔、卡钻和断杆等问题。为了优化富水砂卵石地层下冻结孔钻进泥浆配比,通过单因素试验以及响应面分析法中的Box-Benhnken(中心组和)正交试验方法进行试验设计与数据分析,得出适用于富水砂卵石地层冻结孔钻进泥浆优化配比。基于北京地铁12号线的工程应用表明：采用优化泥浆配比,即膨润土含量为7.18%,水解聚丙烯酰胺含量为0.20%,钠羧甲基纤维素含量为0.19%,硫酸铝的含量为0.03%时,泥浆黏度提高32%,泥皮厚度增加了20%,滤失量减少了30%,润滑系数减少了60%,冻结孔钻进泥浆主要性能指标明显改善,冻结孔打钻时的减阻效果显著,钻杆所受轴力平均减少15%,所受扭矩平均减少13%,泥浆的膨润土用量和回流损失量减少了30%,材料成本明显降低,未发生塌孔、断杆和卡钻等工程事故,冻结孔钻进效率及成孔质量明显提高。     

粗粒土地层中成孔时泥浆的渗透规律

通过自制的泥浆渗透试验仪,针对粗粒土地层中成孔时的泥浆渗透问题,开展泥浆渗透的试验研究.结果表明,随着最大渗流单粒孔隙的增大,泥浆的渗流量逐渐增大,渗流稳定所需的时间逐渐增长;在其它条件相同时,泥浆的渗流量及渗流稳定所需时间随泥浆粘度的变化反应不太明显;含砂量对泥浆的渗透影响非常大,含砂泥浆的渗流量远远小于不含砂泥浆的渗流量,但含砂量多少对泥浆渗透的影响不明显;泥浆的渗流量及渗流稳定所需时间随压差的增大逐渐增大,最大渗流单粒孔隙越大,压力差的影响越大,最大渗流单粒孔隙越小,压力差的影响也就越小.通过具有明确物理意义参数的函数关系式描述泥浆渗流量随时间的变化曲线,依此可以得到初始渗流速度和极限渗流量.     

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。     

F1离子固化剂加固泥岩物理力学特性试验

泥岩具有吸水膨胀软化、失水收缩干裂和易崩解等不良工程特性,经常诱发路基上拱、边坡坍塌、渠坝和建筑物开裂等工程病害。为消除泥岩的不良特性,采用F1离子固化剂对泥岩进行改良试验研究,对不同F1掺量的固化泥岩试样开展无荷膨胀试验、三轴不固结不排水试验、冻融循环试验、核磁共振试验和X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)衍射试验,对F1加固泥岩的物理力学特性、微观孔隙结构和矿物成分展开研究。结果表明：F1固化剂通过离子交换作用和磺化油疏水作用,显著改善了泥岩土的水敏性和压实特性,降低了渗透性和膨胀性;在泥岩中加入0.5 L/m³(最佳掺量)的F1固化剂后,其破坏应力提升1.97倍,摩擦角和黏聚力分别增大1.29倍和1.64倍,且冻融循环次数对F1固化泥岩土样黏聚力和摩擦角的影响较小;分析核磁共振试验与XRD衍射试验结果可知,F1固化剂作用前后,泥岩中并无新物质生成。掺入F1固化剂后,泥岩土样中的大、中、小孔隙数量减小,孔隙总体积降低,土体密实度提升。     

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.     

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。     

粉砂质泥岩流变力学参数的试验研究

通过对粉砂质泥岩进行围压37 MPa下的常规三轴压缩试验和三轴压缩流变试验,获得应力-应变曲线和蠕变曲线,对其瞬时力学性质和流变力学性质进行了比较,分析了长期荷载对粉砂质泥岩力学参数的影响,并利用改进的西原模型对围压5 MPa下的蠕变试验曲线进行了模拟.结果表明,该粉砂质泥岩具有明显的时间效应,其强度、变形模量、黏聚力和内摩擦角等力学性质指标在长期荷载作用下均有不同程度降低,其中强度指标表现得最为明显,长期荷载对黏聚力的影响较大,而对内摩擦角的影响较小;所采用的改进西原模型能够很好地反映该粉砂质泥岩的流变力学特性.     

水—热环境对泥岩的力学特性影响试验研究

为探究低温与含水条件对泥岩力学性质的影响,研究了泥岩在不同含水条件与不同低温环境下单轴抗压强度的变化规律,对饱和、天然、干燥三种含水状态下的泥岩在－50 ℃~10 ℃环境中养护的样本进行单轴压缩试验,测定其单轴抗压强度并探究了其弹性模量的变化趋势。结果表明:泥岩的单轴抗压强度与含水率ω呈指数函数递减关系,随含水率上升泥岩弹性模量减小,弹性模量的变化速率随含水率的上升而增大;温度降低时泥岩的单轴抗压强度呈指数增长,弹性模量随温度降低而增加,干燥时呈线性关系,天然与饱和状态时变化速率随温度的降低而增大。孔隙水会使泥岩矿物间水胶连接减弱,而负温会使其增强,含水岩样更易发生剪性破坏,干燥岩样则多为张性破坏。     

盾构机复合岩土层掘进刀盘弯矩特性分析

针对盾构机在掘进过程中上软下硬的复合地质结构,建立了其刀盘截面圆模型,基于单个切削刀和盘形滚刀的切削机制,建立了复合岩土层掘进时刀盘平面内总弯矩分析模型,分析了与刀盘接触的撑子面内,不同软土面积分数的复合地质条件下,刀盘旋转掘进过程中的弯矩动态特性.结果表明:刀盘平面内2个方向的弯矩与刀盘旋转角分别呈正弦和余弦曲线关系;弯矩波动振幅随撑子面内软土面积分数的增加而降低;当刀盘截面圆内软土面积分数为50%时,其弯矩最大.     

粉砂质泥岩剪切流变特性试验分析

利用岩石剪切流变仪,对巫山县望霞乡望霞高陡斜坡粉砂质泥岩夹层进行剪切流变试验,通过剪切流变曲线可以看出,岩石具有明显的瞬时变形,且与正应力、剪应力水平密切相关.将剪切流变曲线划分瞬时剪切流变与稳态剪切流变2个阶段.通过试验数据,分析了岩石的平均剪切流变速率,表明在同一正应力水平条件下,岩石的平均流变速率与剪应力之间可以用υ=Aτ B的正线性关系来表征.采用广义的Kelvin模型对岩石的剪切流变全程曲线进行拟和,拟和效果与试验数据吻合较好.     

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.     

基于不同密度与含水率下的砂卵石强度参数研究

砂卵石土在我国大量分布,然而砂卵石土的颗粒离散性以及卵石几何分布的随机性使得其力学特性异常复杂。为反映其在不同应力状态下的变形强度特性,通过室内大型三轴试验,对不同含水率和密度的砂卵石土进行研究。试验结果表明:1不同含水率和密度的砂卵石土的应力应变关系表现为应变硬化型,随着围压的增大,砂卵石土的初始模量变大;2含水率相同时,砂卵石土的密度越大其内摩擦角越大,黏聚力越大;3砂卵石土的内摩擦角与黏聚力随着含水率的变化呈二次抛物线型变化,并且均有突变现象,内摩擦角在含水率为6%左右时最小,黏聚力则最大。     

有机废水煤浆的初步实验研究

本文提出了利用有机废水制备煤浆的新方法来处理有机废水,这在环保、节约工业水资源、利用可燃废物质方面有着现实的经济意义,试验表明,外混式高压旋流雾化喷嘴用于废水煤浆的雾化是成功的,并且解决了煤浆喷口的磨损问题,应用液排渣施风燃烧室能快速冷风点火及稳定燃烧废水煤浆。