基于模型试验的盾构隧道纵向刚度分析

为探明盾构隧道纵向变形性能及抗弯刚度有效率的取值,基于模型试验,根据相似理论对通缝、错缝及匀质圆筒模型进行纵向模型试验研究。分别对3种纵向试验模型进行了加载试验,采用数据采集系统测试加载过程中的管片模型的纵向变形,得到了各级荷载下通缝、错缝及匀质圆筒模型纵向变形规律及其抗弯刚度有效率,并对试验结果进行对比分析。结果表明:1盾构隧道纵向变形与荷载基本呈线性关系;2通缝、错缝隧道纵向抗弯刚度有效率分别在0.18~0.39和0.20~0.40;3通缝和错缝隧道的纵向弯曲变形性能基本一致,错缝拼装效应对盾构隧道纵向变形的影响并不明显,研究成果可为盾构隧道的设计提供参考。

盾构隧道壁后注浆研究现状及发展趋势

壁后注浆是盾构隧道施工过程中必不可少的环节。针对盾构隧道壁后注浆的特点,分析壁后注浆研究拟解决的主要问题,同时对壁后注浆研究论文的分布特征、研究机构、科研群体及基金资助等情况进行分析,综述盾构隧道壁后注浆研究现状,探讨其未来研究的发展方向。结果表明:1)传统岩土工程研究对盾构隧道壁后注浆研究具有较大的参考价值;2)在论文质量与数量方面,该领域研究成果依然不多,且高等院校的优势明显;3)国家基金的资助对盾构壁后注浆研究的促进作用巨大;4)壁后注浆研究现状中,对浆液材料研究较多,注浆参数控制和浆液扩散机制依然停留在理论阶段,而对注浆效果评估的研究依旧不多。

盾构隧道同步注浆引起的地表变形分析

壁后注浆是盾构隧道施工的关键环节,对控制地表变形影响显著。为建立同步注浆引起的地表变形计算理论,在分析同步注浆对隧道周围土体的作用机理的基础上,将同步注浆对地层的压力效应概化为半无限弹性体中的柱形孔扩张问题,采用镜像法导出了同步注浆引起地表变形的计算式。通过一具体实例,分析了影响同步注浆引起地表变形的因素,结果表明:同步注浆引起的地表变形值受注浆压力、隧道埋深、隧道开挖半径、初始水土压力、土体弹性模量、泊松比等因素影响。

黏土地层盾构隧道临界注浆压力计算及影响因素分析

合理选择注浆压力是确保盾构隧道壁后注浆效果良好的前提。假定在黏土地层中,壁后注浆先对周围土体产生压密效应,当注浆压力超过一定值以后,浆液开始劈裂土体。为得到最优注浆压力,基于弹塑性理论,推导了考虑浆体无限扩张时的注浆压力上临界值计算式;将接头螺栓的抗剪效应与注浆对管片产生的压力结合起来,推导了考虑螺栓剪切破坏的注浆压力上临界值计算式;基于主、被动土压力公式,提出了保持地层稳定的注浆压力上、下临界值计算式。在此基础上,提出了最优注浆压力计算方法。通过工程实例,分析了土体的弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,及隧道埋深对临界注浆压力的影响。结果表明:临界注浆压力与土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,管片结构性能以及隧道埋深等因素有关;上临界值随着土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压及隧道埋深的增大而增大;下临界值亦随隧道埋深的增大而增大。

盾构隧道管片注浆幂律流型浆液渗透扩散模型

为研究盾构隧道管片注浆的渗透扩散模型,以幂律流型浆液为研究对象,运用流体力学理论及毛细管组理论,推导了盾构隧道管片注浆渗透扩散模型的理论计算式,分析了其公式的适用范围及各参数的确定方法。结合具体计算案例,讨论了注浆压力、浆液性质(水灰比)、地层条件(地下水压力和地层渗透系数)等因素对浆液扩散半径的影响及浆液对管片总压力的影响。结果表明:注浆压力与浆液扩散半径成线性关系;注浆压力、水灰比及地层渗透系数增大,浆液扩散半径也增大;地下水压力增大,浆液扩散半径减小;注浆压力、水灰比、地层渗透系数增大,浆液对管片的总压力增加;地下水压力的变化不会影响管片所受的总压力。

砂土地层泥水盾构开挖面孔隙变化特征理论研究

为保证开挖面的稳定,泥水盾构压力舱中的泥浆必须及时在开挖面土体表层形成泥膜,泥浆压力才能有效平衡地层中的水土压力。在考虑泥浆渗滤效应的基础上,建立了砂土地层泥水盾构开挖面泥浆恒压渗透模型,分析了渗透时间、泥浆浓度、泥浆压力和地层初始孔隙率对土体孔隙率及泥浆成膜的影响。结合刀具周期性切削作用,总结了泥浆反复渗透引起的开挖面表层土体孔隙率变化规律。基于刀盘、刀具布置形式和盾构掘进参数,分析了盾构掘进期间开挖面支护机制。结果表明:在无刀具切削作用时,泥浆渗透规律主要受到泥浆和地层特性影响;在刀具周期性切削作用下,在相同的切削深度下,刀具切削周期越短,泥膜在开挖面上越难形成;刀具较小的纵向切入速度有利于开挖面上更快形成泥膜;适当减少刀盘上同一轨迹刀具布置数量,降低盾构掘进速度和刀盘转动速度,有利于盾构掘进期间开挖面上泥膜存在面积的增大,对开挖面稳定起到积极作用。

泥水盾构开挖面渗透带土体电阻率特性试验研究

泥浆渗透是泥水盾构开挖面成膜的关键过程,土体电阻率表征方法能够及时、有效反映泥浆渗透状态。采用二电极交流电法电阻率测试仪对泥浆-土体混合物的电阻率进行了测试,研究了孔隙水、CMC(羧甲基纤维素钠)、电极间距和泥浆浓度等因素对土体电阻率的影响。结果表明:土体电阻率随泥浆浓度增大而减小;海水和CMC的掺入将降低土体电阻率,但两者对膨润土颗粒的作用机理有所不同,海水的掺入导致膨润土颗粒发生絮凝和团聚,而CMC的掺入将使泥浆中离子的定向迁移能力增强;接触电阻亦对土体电阻率产生影响,为了获得可靠的土体电阻率测试值,应进行多次不同电极距离的测试。

地震动水压力下盾构隧道复合衬砌管片环缝防水性能研究

为探明跨海盾构隧道复合衬砌结构在地震动作用下的结构反应及环缝防水性能,建立了考虑动孔隙水压力的场地地震动模型及盾构隧道纵向梁弹簧模型,采用广义反应位移法,研究了盾构隧道复合衬砌结构在地震动作用下的环缝张开量和防水性能。结果表明:复合衬砌结构具有较好的环缝防水性能,且减震层刚度越大,环缝防水性能越好。研究结果为跨海盾构隧道防水设计提供了借鉴。

软弱破碎隧道围岩动态压力拱效应模型试验

为探讨围岩拱效应是否随隧道破坏而动态发展,以软弱破碎围岩为试验对象,在自行设计制作的试验平台上,以重晶石粉、河砂和洗洁精混合料模拟围岩材料,采用全断面隧道开挖法,测量并记录了隧道从开挖完成到塌方结束期间围岩应力的变化情况。试验结果表明:随着隧道开挖,拱腰处的水平应力与竖向应力成反比;距隧道最近围岩由于发生脆性破坏,径向应力和水平应力均减小;距隧道较近围岩由于发生塑性破坏,径向应力增大、水平应力减小;距隧道较远围岩径向应力减小、水平应力增大;隧道开挖后如不及时支护,塑性区将向围岩内部发展;根据隧道拱顶上方水平应力和拱腰处竖向应力峰值位置的变化,可判断拱效应随着隧道失稳而动态发展。

考虑黏度时效性与空间效应的C-S双液浆盾构隧道管片注浆机理分析

在假定C-S双液浆符合宾汉姆流体的基础上,考虑双液浆黏度时变性与空间效应,并认为盾构隧道管片注浆符合球形渗透模型,通过平衡方程与Dupuit-Forchheimer公式,对宾汉姆流体壁后注浆渗透扩散规律进行理论分析,得到C-S双液浆扩散半径计算公式以及管片受力计算公式。通过具体实例分析了注浆压力、注浆管内浆液流速以及C-S双液浆黏度参数A与参数Y对浆液扩散半径及管片受力的作用,对比了不同注浆参数对注浆效果的影响。结果表明:浆液扩散半径随注浆压力与注浆管内浆液流速的增大而增大,随黏度参数A与参数Y增大而减小,其中注浆压力与参数Y对浆液扩散影响较大,注浆管内浆液流速与参数A对浆液扩散影响较小;管片受力随注浆压力与注浆管内浆液流速增大而增大,但注浆压力的影响效果不断增大而后趋于稳定,注浆管内浆液流速的影响效果不断减弱而后趋于稳定;管片受力随参数A与参数Y增大而减小,其中参数A对管片受力的影响呈负线性关系,影响效果较弱,参数Y对管片受力的影响呈现"三段式"变化——缓慢减小阶段、加速减小阶段以及快速减小阶段,影响效果明显。

软岩地层泥水盾构掘进刀盘堵塞现象研究

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。

盾构静-动态泥浆渗滤成膜及支护效率控制方法

近年来,泥水盾构在越江跨海隧道中被广泛应用,隧道开挖面“泥浆-土水”相互平衡作用是工程安全的关键。盾构泥浆能否成膜、动态掘进泥膜是否存在、动态泥膜如何发挥支护作用等问题受到广泛关注,理清这些问题是保障开挖面稳定的基础。对此,基于多相流理论提出了泥浆“渗滤-成膜-生长”瞬态力学模型,探明了泥浆的流体特性和地层的水力传导性质的时空变化规律,揭示了盾构停机静态成膜和掘进动态成膜机制,并通过静、动态成膜2个实例计算验证了理论方法的适用性。研究结果表明:盾构静态停机状态下通常为全断面泥膜,泥浆以面力形式进行支护,盾构掘进时表现为动态局部泥膜,泥浆压力可较长距离前向传递,以渗透力的形式发挥作用;盾构掘进时开挖面泥膜分布为多辐扇形的局部泥膜,可分为泥膜渐变区和无泥膜区,无泥膜区域靠近先行刀臂,随着刀盘转速的增加,泥膜的厚度和泥膜面积逐渐减小;实际工程中,可以从泥浆材料和掘进参数两方面提升泥浆的支护作用,一方面根据地层-泥浆粒径比和泥浆黏度双控指标进行泥浆配置,另一方面宜降低盾构刀盘转速,同时适当增加掘进速度,充分发挥局部泥膜的支护作用,提高泥浆的支护效率和开挖面的稳定性。研究成果对泥水盾构施工安全有一定的指导意义。