摘要：泥膜可以将泥浆压力传递到开挖面土体骨架上,转化为土体有效应力,因此泥膜的渗透特性是保持泥水盾构开挖面稳定的关键因素。采用泥浆渗透试验,研究了开挖面水力梯度、地层土体粒径和泥浆渣土含量等对泥膜形成的影响规律。试验结果显示,水力梯度越小,越不利于泥膜形成。细砂地层有利于泥膜形成,但泥膜和渗透带很薄,易被破坏;中砂和粗砂地层虽不利于泥膜形成,较厚的渗透带却有利于开挖面稳定。泥膜的渗透系数比渗透带的渗透系数低100倍以上,渗透带的渗透系数介于10-7~10-5m/s,而泥膜的渗透系数的小于10-8m/s;泥膜或渗透带的渗透系数越小,地层超静孔压的影响范围越小,孔压下降得越快。当泥浆中掺有渣土时,泥浆的渗透速度高于未掺渣土的泥浆;渗透带的渗透系数随泥浆密度增大而增大,且地层超静孔压下降速率随泥浆密度增大而减小。

摘要：为了解决泥水盾构的弃渣处理过程会显著增加施工成本,且极易造成环境污染的常见问题,依托杭州望江路过江大直径泥水盾构隧道工程,考虑掘进线路处于黏土地层,提出了弃渣取代同步注浆原材料再利用方案.探讨了弃渣取代膨润土原材料的可行性,通过均匀设计试验测试了浆液性能,并结合目标规划(goalprogramming,GP)模型实现了浆液配比优化.研究结果表明:经初步处理后的泥水盾构弃渣可取代膨润土材料,最优配比下同步注浆浆液的流动度为23.1 cm,2 h析水率为2.2%,28 d结石体收缩率为5.8%,初凝时间为649 min,结石体28 d抗压强度可达2.65 MPa,均能满足杭州现场同步注浆性能要求,且该技术的经济和环境效益显著.

摘要：泥水盾构在软弱含水地层中掘进时,泥水支护压力过大容易导致掌子面发生水力劈裂,从而引起掌子面坍塌。研究掌子面劈裂压力的影响因素对防止水力劈裂的发生有重要意义。由于现场试验实施困难、风险高,故设计制作了一种水力劈裂装置,并采用盲孔试样模拟隧道劈裂的发生。通过正交试验配制不同强度的人造黏土用于研究劈裂压力与强度的关系,并采用不同黏度的泥浆进行盲孔试样劈裂试验,分析泥浆黏度对劈裂压力的影响。研究结果表明:在两种加载条件下,劈裂压力随着无侧限抗压强度的增大线性增大。当泥浆黏度小于27s时,劈裂压力随泥浆黏度增大而增大,但随时间增长,增大速度变缓;当泥浆黏度大于27s时,随着黏度的增大,劈裂压力稳定在一定值基本不再增大;盲孔试样破坏后具有明显的劈裂面,且不同泥浆黏度时试样的劈裂面基本一致,均自盲孔底端斜向上延伸。

摘要：泥水盾构在砂卵石地层掘进时,排浆管道将输送大量大粒径卵石,导致浆体产生不稳定湍流,这给管道压力损失的确定带来了挑战。该研究设计了环流试验装置,以CMC透明黏性浆液为实验用泥浆,建立了基于计算流体动力学与离散单元法(CFDDEM)耦合的三维数值模型;以粒径为5~80 mm的卵石为对象,分析了卵石粒径级配、浆液流速、卵石体积分数以及管道倾角对管道沿程压力损失的影响规律。研究结果表明:同一卵石粒径级配、卵石体积分数与管道倾角下,管道沿程压力损失随浆液流速的增加大致呈指数函数规律增加;对于水平管道,不同卵石粒径级配下的管道沿程压力损失差别较小;在低浆液流速(v <2 m/s)下,管道沿程压力损失随卵石体积分数的增大呈线性规律增加,在较高浆液流速(v≥2.0 m/s)下,管道沿程压力损失随卵石体积分数的增大呈指数函数形式增加;对于倾斜及竖直管道,同一卵石粒径级配、卵石体积分数与浆液流速下,管道沿程压力损失随着管道倾斜角度的增大首先表现为缓慢增加,然后呈急剧增加,其转折点的管道倾角为60°。此外,在泥浆浮力以及湍流的作用下,大粒径的卵石难以克服自身重力达到完全悬浮的运动状态,因此,大粒径卵石主要沿管道下壁面运动,且在管道弯头处压力存在明显的分层现象。

摘要：泥水盾构在高渗透性砂性土层施工中泥浆的成膜质量会影响工程的安全与进度,设计室内试验研究泥浆相对密度对滤水量的影响,采用均匀设计法对不同制浆材料在砂性土层中的填充效果进行实测与回归分析。结果表明,泥浆的相对密度反应了单位体积内所能提供的用于孔隙填充的颗粒数量,是影响滤水量以及填充致密程度的首要因素;泥膜的形成质量受到制浆材料的影响,在中粗砂地层中,孔隙可以由膨润土和黏土颗粒共同填充,而对砾砂地层中孔隙较大的区域,黏土的填充效果已不再显著,主要依靠膨润土水化后形成的胶结颗粒集合进行填充;中、粗砂与含砾中、粗砂地层中宜采用的泥浆相对密度为1.20~1.25,制浆材料宜选取膨润土、黏土共同配制的新浆与原浆混合浆液。结合南京地铁某越江隧道,实际施工过程中泥浆相对密度控制在1.20~1.25,且每制备1 m3新浆,膨润土加入量为3~5 kg,施工反馈表明对应的掘进区间出浆相对密度稳定,研究成果可为现场泥浆的配置与管理提供一定参考。

摘要：泥水盾构施工中，维持开挖面稳定的关键是要在开挖面及时形成微渗透的泥膜，才能将泥浆压力转化为有效应力来平衡开挖面的土压力。开挖面处的泥膜是动态泥膜，所以泥膜的形成时间是影响泥膜能否有效支护开挖面稳定的重要因素。利用自行设计的泥膜形成时间测量试验装置，在3种地层中，利用5种泥浆开展泥浆渗透成膜试验，研究泥膜的形成时间及相关规律。研究表明，在泥皮型渗透中泥膜的形成时间一般为10 s左右，泥浆性质及粒径对泥膜的形成时间有重要影响。讨论了国内外部分大型泥水盾构泥膜形成时间，发现泥膜从破坏到形成、再到破坏的时间间隔为5～20 s不等，因此，在实际施工中需要调整泥浆性质，使泥膜形成时间小于泥膜从破坏到再破坏的时间。

摘要：泥水盾构在砂卵石地层掘进的过程中,由于排浆管路中存在大量不规则卵石,排浆管路输送尤为复杂。设计了环流试验装置,并基于计算流体动力学与离散单元法(CFD-DEM)耦合方法建立了三维瞬态数值模型,对不同形状、粒径、管路倾角、弯头及管径下的卵石起动特性进行了探究。在模型试验中,羧甲基纤维素钠(CMC)浆液被选为载液,透明亚克力管被选为载体;在CFD-DEM耦合模型中,分别通过流变测试和三维扫描技术考虑了浆液的流变性和不规则卵石的形状。结果表明:(1)当异形卵石粒径和管路倾角相同时,卵石的起动速度大小顺序呈现椭球状>扁平状>近球状;(2)当异形卵石形状和管路倾角时,卵石的起动速度随等容粒径的增大先增大后减小再增大;(3)对于球形卵石,在水平管路中,卵石的起动速度随粒径的增大先增大后减小再增大,在倾斜和竖直管路中,卵石的起动速度随粒径的增大而减小;(4)卵石的起动速度随管径的增大而增大;(5)卵石起动速度较大的位置主要出现在较大角度(如60°,90°)的弯头位置处,这是因为当管路倾角≥60°时,在弯头位置处将会出现漩涡区,漩涡区流速与主流区流速相反,阻碍卵石运动,因此在铺设管路时,应尽量减少倾斜角度较大(≥60°)管路的铺设,多采用水平管路或倾斜角度较小(≤45°)的管路。

摘要：为揭示泥水盾构管路材料在渣浆冲蚀下的磨损规律,利用自主设计的试验装置,通过室内试验测试渣浆的磨蚀特性,分析泥浆黏度、砂石体积分数、泥浆相对静压、浆体流速以及冲击方向对靶材磨蚀的影响。试验表明:1)泥浆黏度在工程现场允许范围内的变化,对含有小粒径渣土泥浆的磨蚀特性影响可以忽略不计;2)随着砂石体积分数的增加,特别是在高泥浆流速状态下,对磨片的磨蚀作用大幅度增加;3)泥浆相对静压的增加使得携带小粒径渣土的泥浆对磨片具有更强的冲蚀磨损;4)垂直于旋转方向的磨片磨蚀率大于平行于旋转方向的磨片磨蚀率。

摘要：软岩地层(黏性矿物含量高)泥水盾构掘进刀盘堵塞现象(刀盘结泥饼)时有发生,不仅影响施工进度和质量,而且开舱处理风险较大,可能会导致人身伤亡或工程事故。为了探明刀盘堵塞现象及其影响因素,实现对刀盘堵塞的有效预防和治理,研发了一套软岩地层泥水盾构掘进模型试验装置。在自行设计、制作的模型试验平台上,选用以膨润土、高岭土、石英砂、水泥和水为原材料制备的人工软岩模拟实际工程中的软岩地层,分别采用不同人工软岩类型、盾构掘进速度、刀具突起高度及形式和泥水(清水)冲刷流量等进行盾构掘进模拟,实现刀盘堵塞现象的室内再现。通过分析盾构扭矩、推力和掘进距离间的关系,提出以扭矩指数和扭矩指数在盾构掘进距离上的增长率为指标的盾构掘进期刀盘堵塞现象发生的判断依据。试验结果表明:当模型盾构扭矩指数为0.10 m,且增长率达到0.40时,刀盘即发生堵塞;盾构掘进速度的增大,容易导致刀盘堵塞现象的发生;而刀具突起高度的降低和在刀盘面板中心设置泥水冲刷装置,对防止盾构刀盘堵塞具有较好的效果,需要说明的是,当采用泥水冲刷刀盘面板时,冲刷流量需足够大,才能确保其可对黏附在刀盘面板上的渣土进行有效剥离和输运。

摘要：盾构施工过程中开挖面的稳定性由隧道直径、埋深、水头高度等诸多因素决定,文章采用Plaxis8.2有限元计算软件,对开挖面稳定性影响因素进行了敏感性分析。结果表明:内摩擦角φ、水头高度H_w、埋置深度H和隧道直径D更为敏感,应作为泥浆压力设定的主要参考因素;地下水产生的渗流力和超孔隙水压力等因素,将改变开挖面的受力情况。在进行支护力计算选取时,须考虑地下水的影响;隧道埋深较小时,对开挖面的稳定性影响较大,随着埋深的不断加深,其影响将被削弱;隧道直径D与开挖面极限最小支护压力呈简单线性关系。