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：为提高泥水盾构泥浆成膜质量,维持开挖面稳定性,在泥浆参数设计时,往往需要准确预测膨润土泥浆的流体动力学特征。针对目前泥水盾构泥浆流动模型求解过程中数值发散及计算参数严重依赖经验取值的问题,开展不同膨润土含量下泥浆流变室内试验;基于试验结果,将Bingham-Papanastasiou(BP)修正流变模型嵌入到计算流体动力学(CFD)框架下,开发一种用于泥浆流动模拟的优化数值方法,并通过开展平板间Bingham流体的泊肃叶流动数值模拟,验证该数值方法的有效性和准确性;之后建立泥浆三维管道流数值模型,探究不同流变参数影响下泥浆的管流特征。结果表明:随着膨润土含量的增加,泥浆的屈服应力与稠度系数等流变参数值呈现上升趋势;而流变参数的提高均会使泥浆在地层渗透时产生更多的能量损耗,随着稠度系数k从0.1 Pa·s增大到0.75 Pa·s,压降提高6.21 kPa,此时可以更好地维持泥浆压力的有效转化,提高泥浆成膜质量。

摘要：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0.01 mm的细砂相比,粒径小于0.25 mm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。

摘要：为解决大直径盾构常压刀盘后置式滚刀刀筒在实际应用中存在刀具振动、非正常损坏频率高的问题,研究设计了一种新型的前置式滚刀刀筒。为检验前置式滚刀刀筒的可靠性,研究将前置与后置刀筒性能进行对比,将理论分析和实践应用相结合对刀筒结构的适应性进行分析。结果表明,新型刀筒结构设计较为合理。

摘要：总结归纳砾砂岩复合地层大直径盾构总推力和总扭矩预测公式,结合深江铁路珠江口隧道工程14.32m的大直径常压刀盘,针对344环前后刀盘总推力相对稳定下总扭矩剧增的异常情况,对325~363环的总扭矩、总推力采用了理论公式法和经验法进行测算并与实际数据对比。分析结果表明,刀盘刀具配置的变化对刀盘总扭矩和总推力影响不大,但刀盘前壁与泥浆摩阻扭矩占总扭矩比重达40%以上,刀盘面板的推进摩擦阻力对盾构总推力影响最大,占60%以上;理论公式法预测的刀盘总扭矩平均误差为12.9%、总推力平均误差为7.79%,同经验法相比,其预测的准确度有了极大的提高,对掘进参数的调整具有重要意义。

摘要：以深圳西湾海域穗莞深城际铁路为依托,针对泥水盾构隧道在花岗岩地层掘进过程中所产生的弃渣展开室内试验和现场应用研究。通过对现场弃渣进行采样和性能测试发现弃渣中含有大量石粉,据此提出以石粉作为同步注浆浆液部分替代材料的弃渣资源化利用方案,并开展不同均匀试验设计配比下的室内浆液性能测定试验;将所研发的新型同步注浆浆液进行现场应用,结果表明,新型浆液能很好地满足工程需求且更具经济性,采用石粉替代砂石配制同步注浆浆液具有较高的可行性。

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：以某大直径泥水盾构隧道施工通风方案设计为例,采用ANSYS Fluent计算流体力学软件仿真分析隧道施工通风效果,通过实地测量验证了数值仿真模型计算结果的准确性,总结了通风状态下流场分布及风流运动规律,并对比研究风管出口风速、风管直径、风管出口位置3种通风参数对隧道通风的影响,提出了通风参数的优化方案。结果表明:隧道通风流场的风速分布呈现回风侧风速整体大于进风侧风速、隧道上部风速整体低于下部风速的特点;增大风管出口风速对改善隧道施工通风效果最为显著;采用优化方案后的隧道中心平均风速可提高约59.3%,各工作区域空气流速均达到0.15 m/s以上的施工通风标准,可经济高效地改善隧道盾构段工作区域通风效果。