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。