泥水盾构开挖面稳定性研究
发布时间：2021-01-06 12:52
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。
【文章来源】：中国公路学报. 2017,30(08)北大核心
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
图１刀具前端到盾壳前端距离示意Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＤｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍ
密切相关，即盾构掘进中如果劈裂发生后，随着盾构继续掘进，盾壳到达劈裂口，将劈裂口堵死，劈裂则会停止伸展。在切削面的劈裂发生后盾构掘进的最长距离（图１），即最大的距离为刀具前端到盾构壳体的前端的距离Ｌ。因此，劈裂发生口的泥水压力的作用时间ｔ０可表示为ｔ０＝Ｌ／Ｖｓ（２）式中：Ｖｓ为盾构机的掘进速度。另一方面，劈裂发生口的周长Ｌｔ可表示为Ｌｔ＝Ｄ２＋４ｑｃｔｔａｎ（?）槡ｂ（３）式中：ｔ为劈裂继续时间；?为图２所示的斜向上劈裂伸展的角度；Ｄ为盾构直径；ｑｃ为劈裂伸展泥水流量；ｂ为劈裂开展宽度；Ｈ为覆土厚度。图２中：θ为劈裂面与盾构机上表面的夹角；Ｓ为泥水劈裂到达地表的距离。图１刀具前端到盾壳前端距离示意Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＤｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍＣｕｔｔｅｒＰｏｉｎｔｔｏＳｋｉｎＰｌａｔｅＰｏｉｎｔ图２斜向上劈裂图像Ｆｉｇ．２ＳｈａｐｅｓｏｆＯｂｌｉｑｕｅｌｙＵｐｗａｒｄＦｒａｃｔｕｒｅ距离Ｌｔ随着时间的增加而增加，到达地表时为Ｌｓ，这时发生泥水喷发。如果设劈裂发生伸展到地面的时问为ｔｓ，则劈裂到达地面时发生口的周长Ｌｓ可表示为Ｌｓ＝Ｄ２＋４ｑｃｔｓｔａｎ（?）槡ｂ（４）ｔｓ＝（Ｌｓ－Ｄ２）ｂ４ｑｃｔａｎ（?）（５）将ｔｓ与ｔ０进行比较，可判断是否能发生泥水喷发现象。即ｔｓ＜ｔ０时，发生劈裂失稳现象；ｔｓ＞ｔ０时，劈裂失稳现象将不会发生。３．３泥水劈裂试验研究３．３．
）ｔｓ＝（Ｌｓ－Ｄ２）ｂ４ｑｃｔａｎ（?）（５）将ｔｓ与ｔ０进行比较，可判断是否能发生泥水喷发现象。即ｔｓ＜ｔ０时，发生劈裂失稳现象；ｔｓ＞ｔ０时，劈裂失稳现象将不会发生。３．３泥水劈裂试验研究３．３．１室内泥水劈裂试验在实际泥水平衡盾构掘进施工中为防止泥水劈裂，可以使用式（６）作为泥水压力设定上限［５２］，也可以钻取实际地层土样，使用室内泥水劈裂试验［４］进行地层劈裂抗力测定。室内泥水劈裂仪如图３所示（图３中σｖ为竖向压力，σｈ为水平围压）。式（６）可表示为Ｐｆ＝［１＋ｓｉｎ（φ）］σ３＋ｃｃｏｓ（φ）（６）式中：ｃ为黏聚力；φ为土体内摩擦角。图３室内泥水劈裂仪Ｆｉｇ．３ＳｌｕｒｒｙＦｒａｃｔｕｒｉｎｇＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙ国内外关于劈裂伸展方面的研究成果甚少。实际的劈裂现象与室内小型三轴劈裂试验不同，劈裂发生后会有一个伸展的过程，由于现场试验有许多不确定因素以及试验工程条件的限制，进行盾构掘进泥水劈裂模型试验可以更加全面的探明盾构开挖面处泥水劈裂发生机理和控制原理。盾构掘进泥水劈裂模型试验研究发现［５４］：当地层为深埋地层时，劈裂一般是铅直方向发生；当地层为浅埋地层时，劈裂是斜向上发生。图４为文献［５４］中的室内掘进试验结果，结果表明图４中Ａ区２９第８期袁大军，等：泥水盾构开挖面稳定性研究
【参考文献】：
期刊论文
[1]粉砂地层盾构隧道开挖面稳定性离心试验及数值模拟[J]. 吕玺琳,周运才,李冯缔. 岩土力学. 2016(11)
[2]泥水盾构带压开舱时泥膜性质对其闭气性的影响研究[J]. 张宁,姚占虎,朱伟,闵凡路,姜腾. 现代隧道技术. 2015(04)
[3]考虑渗流条件下开挖面失稳离心试验研究[J]. 陈仁朋,尹鑫晟,汤旅军,陈云敏. 岩土力学. 2015(S1)
[4]泥水盾构掘进过程中的泥水劈裂现象现场试验研究（英文）[J]. Xue-yan LIU,Da-jun YUAN. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2014(07)
[5]泥水盾构开舱时的泥膜闭气性能及改性方法[J]. 姜腾,朱伟,闵凡路,魏代伟. 地下空间与工程学报. 2014(03)
[6]砂土地层泥水盾构泥膜形成时间及泥浆压力转化率的试验研究[J]. 魏代伟,朱伟,闵凡路. 岩土力学. 2014(02)
[7]泥水劈裂试验伸展现象的力学分析[J]. 刘学彦,袁大军. 岩石力学与工程学报. 2013(07)
[8]密实砂土地层盾构隧道开挖面失稳离心模型试验研究[J]. 汤旅军,陈仁朋,尹鑫晟,孔令刚,黄博,陈云敏. 岩土工程学报. 2013(10)
[9]泥水盾构泥膜形成时开挖面地层孔压变化规律研究[J]. 闵凡路,朱伟,魏代伟,夏胜全. 岩土工程学报. 2013(04)
[10]盾构隧道开挖面稳定极限理论研究[J]. 吕玺琳,王浩然,黄茂松. 岩土工程学报. 2011(01)
硕士论文
[1]砂卵石地层泥水盾构泥浆特性对开挖面稳定性影响研究[D]. 叶旭洪.北京交通大学 2008
本文编号：2960603
【文章来源】：中国公路学报. 2017,30(08)北大核心
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
图１刀具前端到盾壳前端距离示意Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＤｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍ
密切相关，即盾构掘进中如果劈裂发生后，随着盾构继续掘进，盾壳到达劈裂口，将劈裂口堵死，劈裂则会停止伸展。在切削面的劈裂发生后盾构掘进的最长距离（图１），即最大的距离为刀具前端到盾构壳体的前端的距离Ｌ。因此，劈裂发生口的泥水压力的作用时间ｔ０可表示为ｔ０＝Ｌ／Ｖｓ（２）式中：Ｖｓ为盾构机的掘进速度。另一方面，劈裂发生口的周长Ｌｔ可表示为Ｌｔ＝Ｄ２＋４ｑｃｔｔａｎ（?）槡ｂ（３）式中：ｔ为劈裂继续时间；?为图２所示的斜向上劈裂伸展的角度；Ｄ为盾构直径；ｑｃ为劈裂伸展泥水流量；ｂ为劈裂开展宽度；Ｈ为覆土厚度。图２中：θ为劈裂面与盾构机上表面的夹角；Ｓ为泥水劈裂到达地表的距离。图１刀具前端到盾壳前端距离示意Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＤｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍＣｕｔｔｅｒＰｏｉｎｔｔｏＳｋｉｎＰｌａｔｅＰｏｉｎｔ图２斜向上劈裂图像Ｆｉｇ．２ＳｈａｐｅｓｏｆＯｂｌｉｑｕｅｌｙＵｐｗａｒｄＦｒａｃｔｕｒｅ距离Ｌｔ随着时间的增加而增加，到达地表时为Ｌｓ，这时发生泥水喷发。如果设劈裂发生伸展到地面的时问为ｔｓ，则劈裂到达地面时发生口的周长Ｌｓ可表示为Ｌｓ＝Ｄ２＋４ｑｃｔｓｔａｎ（?）槡ｂ（４）ｔｓ＝（Ｌｓ－Ｄ２）ｂ４ｑｃｔａｎ（?）（５）将ｔｓ与ｔ０进行比较，可判断是否能发生泥水喷发现象。即ｔｓ＜ｔ０时，发生劈裂失稳现象；ｔｓ＞ｔ０时，劈裂失稳现象将不会发生。３．３泥水劈裂试验研究３．３．
）ｔｓ＝（Ｌｓ－Ｄ２）ｂ４ｑｃｔａｎ（?）（５）将ｔｓ与ｔ０进行比较，可判断是否能发生泥水喷发现象。即ｔｓ＜ｔ０时，发生劈裂失稳现象；ｔｓ＞ｔ０时，劈裂失稳现象将不会发生。３．３泥水劈裂试验研究３．３．１室内泥水劈裂试验在实际泥水平衡盾构掘进施工中为防止泥水劈裂，可以使用式（６）作为泥水压力设定上限［５２］，也可以钻取实际地层土样，使用室内泥水劈裂试验［４］进行地层劈裂抗力测定。室内泥水劈裂仪如图３所示（图３中σｖ为竖向压力，σｈ为水平围压）。式（６）可表示为Ｐｆ＝［１＋ｓｉｎ（φ）］σ３＋ｃｃｏｓ（φ）（６）式中：ｃ为黏聚力；φ为土体内摩擦角。图３室内泥水劈裂仪Ｆｉｇ．３ＳｌｕｒｒｙＦｒａｃｔｕｒｉｎｇＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙ国内外关于劈裂伸展方面的研究成果甚少。实际的劈裂现象与室内小型三轴劈裂试验不同，劈裂发生后会有一个伸展的过程，由于现场试验有许多不确定因素以及试验工程条件的限制，进行盾构掘进泥水劈裂模型试验可以更加全面的探明盾构开挖面处泥水劈裂发生机理和控制原理。盾构掘进泥水劈裂模型试验研究发现［５４］：当地层为深埋地层时，劈裂一般是铅直方向发生；当地层为浅埋地层时，劈裂是斜向上发生。图４为文献［５４］中的室内掘进试验结果，结果表明图４中Ａ区２９第８期袁大军，等：泥水盾构开挖面稳定性研究
【参考文献】：
期刊论文
[1]粉砂地层盾构隧道开挖面稳定性离心试验及数值模拟[J]. 吕玺琳,周运才,李冯缔. 岩土力学. 2016(11)
[2]泥水盾构带压开舱时泥膜性质对其闭气性的影响研究[J]. 张宁,姚占虎,朱伟,闵凡路,姜腾. 现代隧道技术. 2015(04)
[3]考虑渗流条件下开挖面失稳离心试验研究[J]. 陈仁朋,尹鑫晟,汤旅军,陈云敏. 岩土力学. 2015(S1)
[4]泥水盾构掘进过程中的泥水劈裂现象现场试验研究（英文）[J]. Xue-yan LIU,Da-jun YUAN. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2014(07)
[5]泥水盾构开舱时的泥膜闭气性能及改性方法[J]. 姜腾,朱伟,闵凡路,魏代伟. 地下空间与工程学报. 2014(03)
[6]砂土地层泥水盾构泥膜形成时间及泥浆压力转化率的试验研究[J]. 魏代伟,朱伟,闵凡路. 岩土力学. 2014(02)
[7]泥水劈裂试验伸展现象的力学分析[J]. 刘学彦,袁大军. 岩石力学与工程学报. 2013(07)
[8]密实砂土地层盾构隧道开挖面失稳离心模型试验研究[J]. 汤旅军,陈仁朋,尹鑫晟,孔令刚,黄博,陈云敏. 岩土工程学报. 2013(10)
[9]泥水盾构泥膜形成时开挖面地层孔压变化规律研究[J]. 闵凡路,朱伟,魏代伟,夏胜全. 岩土工程学报. 2013(04)
[10]盾构隧道开挖面稳定极限理论研究[J]. 吕玺琳,王浩然,黄茂松. 岩土工程学报. 2011(01)
硕士论文
[1]砂卵石地层泥水盾构泥浆特性对开挖面稳定性影响研究[D]. 叶旭洪.北京交通大学 2008
本文编号：2960603
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