泥水劈裂试验伸展现象的力学分析

泥水盾构掘进时,在江中冲槽段等复杂条件下,泥水压力很难设定,稍有不慎就会发生泥水劈裂,甚至导致泥水喷发危及工程安全。为观察并研究劈裂伸展现象及其力学机制,在研制现场泥水劈裂仪并进行现场试验的基础上,建立泥水劈裂伸展模型,给出防止泥水劈裂的泥水压力上限设定的计算方法。研究表明:泥水劈裂伸展的力学特性不仅与地层性能有关,而且与所选用的泥浆特性有关。实际工程中,在地层性能不易改变的条件下,增加泥水重度、提高泥水黏性有利于阻止劈裂进一步伸展。劈裂发生后出现的泥水压力降低现象将有利于阻止泥水劈裂进一步伸展。在劈裂发生后,不能因为泥水压力下降而急忙增加泥水压力,这样不但泥水压力不能增加,反而会导致泥水劈裂的迅速伸展,加快泥水喷发的发生。绝大多数情况下,在泥水劈裂伸展的过程中泥水和地层的组合抗劈裂能力会逐渐变小。因此,预防泥水盾构开挖过程中的泥水喷发问题,要从预防泥水劈裂入手,对泥水压力的上限进行控制。

现场泥水劈裂试验及应用研究

采用泥水平衡盾构进行过江越海隧道施工时,重要的技术难点就是特殊小覆土区间盾构掘进保证开挖面稳定以及防止泥水劈裂的发生。对于泥水劈裂现象的室内试验研究,有一定的基础资料。但是,由于尺寸和边界条件限制,使其研究成果不能直接应用到工程中去。在理论分析的基础上,研制了现场泥水劈裂仪,确定了劈裂试验的具体实施步骤和劈裂压力的断定方法。并在南京某在建过江隧道工程中进行了现场劈裂试验。(1)试验结果表明:由于劈裂过程为突变过程,采用总应力法时,地层劈裂模型能很好的预测地层劈裂压力,也更符合实际工况;由理论分析得出,掘进模式模型的地层劈裂压力更小,几乎与地层静止侧向土压力相当;增加泥水黏度能够增加地层劈裂压力,但增加量有限。(2)运用现场劈裂试验结果给出了防止泥水劈裂的泥水压力设定上限值,并运用盾构机在始发不远处进行了原位泥水劈裂试验,在一定程度上验证了预测模型的准确性。

盾构掘进过程中防止泥水劈裂的泥水压力设定

泥水盾构掘进过程中,泥水压力是其重要的掘进参数。特别是在过江越海隧道修建过程中,泥水压力设定不当易发生泥水劈裂、喷发到江底引发江水倒灌等工程事故,如Heinenoord第二隧道。为防止泥水劈裂的发生,结合已有研究成果给出了地层劈裂抗力的估算方法、测定原理和现场测定方法。讨论了控制泥水压力、提高隧道上覆土层强度、增加隧道覆土厚度和提高泥水的黏性和比重等防止泥水劈裂的方法,并指出控制泥水压力具有实时、有效和经济的特点。在此基础上,结合工程施工中的一般条件和特殊条件,对泥水压力的设定范围进行了研究。研究结果表明:①一般掘进条件下,使用地层静止土压力作为泥水压力的设定上限是安全的,不会发生泥水劈裂地层现象。②在盾构穿越建筑物等超载条件下,由于局部超载的存在导致其泥水支护压力增加,此时可以运用地层劈裂抗力的余量,适当提高泥水容重和支护压力。③在特殊情况下,如盾构带压换刀等,需要提高泥水压力时,宜使用所提供的现场泥水劈裂仪对地层的劈裂抗力进行精确测定后设定泥水压力上限。

砂层盾构隧道泥水劈裂试验与数值研究

开展砂层盾构隧道泥水劈裂平面模型试验,研究不同覆土厚度条件下的泥水劈裂破坏机制、土体表面竖向位移和土体内部土压力变化规律.结果显示,劈裂机制为加压泥浆向掘削空间表面砂层渗透形成致密砂层及其表面泥膜(泥膜-砂层结构),泥膜-砂层结构在泥浆挤压作用下发生拉剪破坏.劈裂压力随覆土厚度的增加呈近似线性增大.劈裂扩展从刀盘顶部起始分别呈“斜直线”或“先竖直后斜线”型向上扩展.基于自主开发的模拟泥水劈裂的有限元计算程序,参照模型试验建立二维数值模型,计算获得与模型试验较一致的劈裂扩展形态以及土体内部竖向位移与水平位移的变化规律.结果表明,土体竖直向位移主要分布在刀盘上方以劈裂面为边界的“三角形”区域内,土体水平位移主要分布在掘削面土层.

盾构隧道泥水劈裂三维数值模拟

泥水盾构法是一种重要的隧道施工方法,在复杂工程条件下易发生泥水劈裂破坏,目前国内外对泥水劈裂机理的研究还没有十分有效的方法。发展了基于弥散裂缝模型和流体体积法的泥水劈裂三维数值算法,自主研发了相应的有限元计算程序,开展了盾构隧道泥水劈裂的三维数值模拟,研究了盾构隧道泥水劈裂形态、劈裂过程及其引起的地层位移变化,对比分析了土体黏聚力、内摩擦角、弹性模量和隧道尺寸对泥水劈裂形态及劈裂压力的影响。结果表明,劈裂面扩展至地表后,将在盾构机顶部土层内形成下窄上阔的梯形状块体,地层隆起变形主要发生在该块体内。相较于中小直径隧道,大直径隧道的劈裂路径更短,且启裂之后更容易扩展,劈裂风险更高。

泥水盾构掘进过程中的泥水劈裂现象现场试验研究（英文）

研究目的:本文通过研究泥水在地层中的劈裂和伸展现象,给出一种地层劈裂抗力的测定方法,从而为泥水盾构掘进过程中泥水压力设定提供参考,防止盾构掘进过程中泥水喷发现象的发生。创新要点:1.给出了地层劈裂抗力的测定方法,并通过现场试验和理论分析得出该方法是可靠的;2.建立了考虑泥水粘性和比重的地层劈裂伸展模型,该模型对现场试验结果有较好的预测;3.结合地层劈裂抗力和泥水劈裂伸展特性给出了盾构掘进过程中泥水压力的设定上限。研究方法:基于现场泥水劈裂试验,通过试验结果分析和理论分析,建立了劈裂压力和劈裂伸展压力的计算模型。通过泥水和地层参数对计算模型的影响分析,给出泥水盾构掘进过程中泥水配比和压力设定选择建议。重要结论:1.本文描述的现场泥水劈裂仪可以用于地层劈裂抗力的测定;2.使用总应力法的劈裂模型能够很好的预测地层的初始劈裂压力;3.考虑泥水粘性和比重的地层劈裂伸展模型对现场试验结果有较好的预测;4.在劈裂伸展的过程中,具有更大比重和粘性的泥水有利于阻止劈裂的进一步伸展,但是对初始劈裂压力的影响不大。5.在实际盾构掘进过程中,泥水劈裂发生后很难阻止其伸展。因此,防止泥水喷发的关键措施在于设定泥水压力上限防止泥水劈裂。

泥水盾构支护压力设定范围及其影响因素分析

与土压平衡盾构对掘进面的被动支护不同,泥水盾构是依靠液态介质实现对掘进面的主动支护。泥水支护的关键是选择合适的泥水和支护压力从而形成并维持泥膜的完整性。基于泥水劈裂(渗透破坏)和仓筒理论给出了泥水支护压力的上下限。结合静水压力、土体特性、盾构直径和覆土厚度等因素研究了支护压力区间特性(可设定范围)。研究表明:支护压力下限主要受静水压力和土体摩擦角的影响,其中静水压力起决定性作用。一般情况下,泥水压力设定可以取为静水压力+20 kPa;支护压力上限为泥水劈裂(渗透破坏)压力,主要受静水压力和覆土厚度的影响。增加覆土厚度可以提高地层的泥水劈裂(渗透破坏)抗力,从而改善地层的泥水支护特性,增大泥水支护压力区间长度。然而,增加静水压力只可以平移泥水支护压力区间,而不能使其增大。泥水支护压力区间长度还受土体摩擦角的影响,而其它因素影响较小。考虑泥水支护区间长度的影响,实施带压换刀的隧道覆径比不宜小于0.8～1.0。

泥水盾构开挖面稳定性研究

针对不断推进越江海大断面隧道建设的现状,分析了盾构开挖面稳定性对盾构安全掘进的重要性,同时对泥水盾构开挖面稳定的研究方法、研究理论以及拟解决的主要问题等方面进行分析。通过综述国内外泥水盾构隧道开挖面稳定性的研究发展历程及近期新的发展趋势,讨论了已有的泥水盾构开挖面失稳经典理论及模型试验的局限性,介绍了泥水劈裂失稳的判定标准和模型试验等相关研究,同时分析了泥膜及刀盘对开挖面稳定的作用,最后展望了水下隧道,特别是高水压越江海大直径泥水盾构开挖面稳定性问题未来的研究及发展方向。研究主要从经典理论、泥水劈裂和泥膜等方面讨论盾构开挖面稳定等问题,也涉及合理覆土厚度等工程问题。研究结果表明:由于泥水盾构本身的复杂性以及地层的多样性,使盾构与土相互作用下的开挖面稳定问题的研究更为困难;尚没有更具普遍意义的泥水动态成膜评价标准以及刀盘对开挖面的支护作用的研究成果,特别是高水压、复杂地层等条件下的开挖面稳定问题属交叉领域颇多,更需深入研究,方可为工程所用。