岩土力学 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (7): 2283-2292.doi: 10.16285/j.rsm.2019.1620

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

砂土地层泥水盾构开挖面孔隙变化特征理论研究

毛家骅1,袁大军1,杨将晓2,张兵3   

  1. 1. 北京交通大学 城市地下工程教育部重点实验室,北京 100044;2. 汕头市苏埃通道建设投资发展有限公司,广东 汕头 515071; 3. 中铁隧道集团有限公司盾构及掘进技术国家重点实验室,河南 郑州 450001
  • 收稿日期:2019-09-19 修回日期:2019-12-30 出版日期:2020-07-10 发布日期:2020-09-13
  • 作者简介:毛家骅,男,1990年生,博士研究生,主要从事盾构隧道施工安全方面的研究。
  • 基金资助:
    中央高校基本科研业务费专项资金(No. 2018YJS105);国家自然科学基金联合基金(No. C19A1500010);国家自然科学基金(No. 51678037)。

A theoretical study of porosity characteristics on the excavation face of slurry shield in sand stratum

MAO Jia-hua1, YUAN Da-jun1, YANG Jiang-xiao2, ZHANG Bing3   

  1. 1. Key Laboratory of Urban Underground Engineering of the Education Ministry, Beijing Jiaotong University, Beijing, 100044, China; 2. Shantou Suai Channel Construction Investment Development Co. Ltd., Shantou, Guangdong 515071, China; 3. Shield Machine and Boring Technology, China Railway Tunnel Group Co., Ltd., Zhengzhou, Henan 450001, China
  • Received:2019-09-19 Revised:2019-12-30 Online:2020-07-10 Published:2020-09-13
  • Supported by:
    This work was supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2018YJS105), the Joint Funds of the National Natural Science Foundation of China (C19A1500010) and the National Natural Science Foundation of China (51678037).

摘要: 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。

关键词: 泥水盾构, 孔隙特征, 理论分析, 开挖面, 泥膜, 砂土地层

Abstract: To maintain the stability of excavation face in slurry shield, a filter cake must be timely formed during the excavation work. With the filter cake, the slurry pressure can counteract the earth pressure and water pressure in the excavation stratum. In this study, a mathematical model of slurry penetration under constant pressure in sand stratum is established by considering the filtration effect. By means of this model, the influence of penetration time, slurry concentration, slurry pressure and initial stratum porosity on soil porosity and filter cake formation is analyzed. Combining the periodic disturbance of cutting-tools, the variation of soil porosity on the excavation face caused by multiple slurry penetration is summarized. Finally, the supporting mechanism of the excavation face is discussed during the shield tunneling based on the design of cutting wheel and tunneling parameters. The study results show that the slurry penetration behaviour is mainly affected by the characteristics of slurry stratum without disturbance of cutting-tools. In contrast, with the periodic disturbance of cutting-tools, the decreasing cycle of cutting will increase the difficulty of filter cake formation under the same cutting depth. In addition, the filter cake formation and the stability of excavation face can be significantly improved if the number of cutting-tools on same cutting track is reduced and the advance speed of shield and rotate speed of cutting wheel are decreased appropriately.

Key words: slurry shield, porosity characteristics, theoretical analysis, excavation face, filter cake, sand stratum

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[1] 杨峰, 何诗华, 吴遥杰, 计丽艳, 罗静静, 阳军生. 非均质黏土地层隧道开挖面稳定运动 单元上限有限元分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(4): 1412-1419.
[2] 米博, 项彦勇, . 砂土地层浅埋盾构隧道开挖渗流稳定性的 模型试验和计算研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(3): 837-848.
[3] 宋文成, 梁正召, . 承压水上开采倾斜底板破坏特征 与突水危险性分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 624-634.
[4] 莫振泽, 王梦恕, 李海波, 钱勇进, 罗跟东, 王辉, . 粉砂地层中浓泥土压盾构泥膜效应引起的 孔压变化规律试验研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(6): 2257-2263.
[5] 马 凯,尹立明,陈军涛,陈 明,王自起,崔博强,. 深部开采底板隔水关键层受局部高承压水作用破坏理论分析[J]. , 2018, 39(9): 3213-3222.
[6] 程红战,陈 健,胡之锋,黄珏皓, . 考虑砂土抗剪强度空间变异性的盾构开挖面稳定性分析[J]. , 2018, 39(8): 3047-3054.
[7] 周立朵,孔纲强,彭怀风,顾红伟,朱 希,. 倾斜荷载下群桩承载特性理论分析[J]. , 2017, 38(9): 2647-2654.
[8] 马春景,姜谙男,江宗斌,王善勇,. 基于单元状态指标的盾构隧道水-力耦合模拟分析[J]. , 2017, 38(6): 1762-1770.
[9] 张亚洲,闵凡路,孙 涛,史海岭,李东升,. 硬塑性黏土地层泥水盾构停机引起的地表塌陷机制研究[J]. , 2017, 38(4): 1141-1147.
[10] 张常光,曾开华, . 收敛约束法中隧道开挖面空间效应方法比较[J]. , 2016, 37(5): 1417-1424.
[11] 吕玺琳,周运才,李冯缔, . 粉砂地层盾构隧道开挖面稳定性离心试验及数值模拟[J]. , 2016, 37(11): 3324-3328.
[12] 陈仁朋 ,尹鑫晟 ,汤旅军 ,陈云敏 , . 考虑渗流条件下开挖面失稳离心试验研究[J]. , 2015, 36(S1): 225-229.
[13] 冯利坡 ,郑永来 ,邓树新 ,李文峋,. 深埋盾构隧道开挖面三维对数螺旋破坏模式的上限分析[J]. , 2015, 36(7): 2105-2110.
[14] 张子新 ,张 帆 , . 软土地层TBM开挖面支护压力计算模型及可视化[J]. , 2015, 36(11): 3193-3200.
[15] 乔丽苹 ,刘 杰 ,李术才 ,王者超 ,姜彦彦 ,王子豪,. 地下工程开挖面空间效应特征研究及应用[J]. , 2014, 35(S2): 481-487.
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[1] 姚仰平,侯 伟. 土的基本力学特性及其弹塑性描述[J]. , 2009, 30(10): 2881 -2902 .
[2] 石玉玲,门玉明,彭建兵,黄强兵,刘洪佳. 地裂缝对不同结构形式桥梁桥面的破坏试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2917 -2922 .
[3] 张力霆,齐清兰,魏静,霍倩,周国斌. 淤填黏土固结过程中孔隙比的变化规律[J]. , 2009, 30(10): 2935 -2939 .
[4] 张其一. 复合加载模式下地基失效机制研究[J]. , 2009, 30(10): 2940 -2944 .
[5] 张明义,刘俊伟,于秀霞. 饱和软黏土地基静压管桩承载力时间效应试验研究[J]. , 2009, 30(10): 3005 -3008 .
[6] 刘振平,贺怀建,李 强,朱发华. 基于Python的三维建模可视化系统的研究[J]. , 2009, 30(10): 3037 -3042 .
[7] 吴 亮,钟冬望,卢文波. 空气间隔装药爆炸冲击荷载作用下混凝土损伤分析[J]. , 2009, 30(10): 3109 -3114 .
[8] 张家发,定培中,张 伟,胡智京. 水布垭面板堆石坝垫层料渗透与渗透变形特性试验研究[J]. , 2009, 30(10): 3145 -3150 .
[9] 周晓杰,介玉新,李广信1. 基于渗流和管流耦合的管涌数值模拟[J]. , 2009, 30(10): 3154 -3158 .
[10] 定培中,周 密,张 伟. 混凝土浇筑施工对穿黄隧洞衬砌垫层渗透性影响试验研究[J]. , 2009, 30(10): 3159 -3162 .