岩土力学 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (11): 2952-2962.doi: 10.16285/j.rsm.2021.1703

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

考虑动态泥膜效应的盾构开挖面稳定理论研究

金大龙1, 2,袁大军1, 2   

  1. 1. 北京交通大学 隧道与地下工程教育部工程研究中心,北京 100044;2. 北京交通大学 土木建筑工程学院,北京 100044
  • 收稿日期:2021-10-11 修回日期:2022-02-14 出版日期:2022-11-11 发布日期:2022-11-29
  • 作者简介:金大龙,男,1988年生,博士,讲师,主要从事越江海盾构隧道开挖面稳定方面的研究。
  • 基金资助:
    中央高校基本科研业务费专项资金资助(No. 2021RC231);国家自然科学基金青年基金资助项目(No. 52008021);高速铁路基础研究联合基金资助项目(No. U1834208)。

Face stability analysis of the slurry-type shield tunneling considering the dynamic filter cake

JIN Da-long1, 2, YUAN Da-jun1, 2   

  1. 1. Key Laboratory for Urban Underground Engineering of Ministry of Education, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China
  • Received:2021-10-11 Revised:2022-02-14 Online:2022-11-11 Published:2022-11-29
  • Supported by:
    This work was supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2021RC231), the National Natural Science Foundation for Young Scientists of China (52008021) and the High-speed Rail Fundamental Research Joint Fund (U1834208).

摘要: 泥水盾构工法被广泛应用于高压富水复杂地质环境中修筑隧道,其中开挖面稳定控制是工程成败的关键,在盾构掘进时,由于刀盘不断旋转切削地层,开挖面上的泥膜处于“形成―破坏―再形成”的动态循环过程,泥膜透水性增强,这种动态泥膜作用下开挖面的稳定如何评价有待于进一步探索。对此,对泥水盾构掘进过程中的动态泥膜进行了分类,提出了考虑盾构运动和泥浆渗滤特征的动态泥膜理论。在此基础上,采用空间离散法将泥水压力引入旋转体模型,建立了考虑动态泥膜效应的开挖面稳定力学模型,提出了泥水盾构动态掘进过程中开挖面临界泥浆压力及泥浆支护效率评估方法,研究指出:当盾构在强渗透性地层中掘进时,在尽量提高泥浆成膜率的同时,应注重泥浆黏度调节,充分发挥渗透力支护作用,同时可适当提高盾构掘进速度并降低刀盘转速,有利于开挖面稳定控制。以泥浆成膜率、等效渗透系数为依据给出了泥浆支护效率设计图,研究工作对盾构掘进支护压力控制和泥浆配置有一定的借鉴意义。

关键词: 泥水盾构, 动态泥膜效应, 开挖面稳定, 支护效率, 泥浆配比

Abstract: Slurry shield tunnelling method is widely used in the complex geological environment with high water pressure for tunnel construction. The face stability control is the key for the engineering safety during shield tunnelling. Due to the continuous rotation of the cutter head, the filter cake is in the "formation-destruction-re-formation" dynamic cycle process, resulting in a relative permeable membrane. How to evaluate face stability under this dynamic filter cake need to be further explored. In this paper, the dynamic filter cakes are divided into three types. An analytical approach is developed by coupling the penetration-filtering and shield movement. Based on the pressure transfer mechanism of the bentonite suspension, a new penetration-type model for the evaluation of face stability is developed. It can be found that the slurry viscosity as well as the filter cake ratio should be paid more attention during tunnelling in the high permeable ground. A faster advance rate and a lower rotation speed of the shield machine could improve the face stability. Finally, a design chart of slurry support efficiency is provided, which could give some reference for the control of support pressure and slurry selection in engineering practice.

Key words: slurry shield tunnelling, dynamic filter cake, face stability, support efficiency, slurry selection

中图分类号: 

  • U 454
[1] 周中, 陈云, 刘撞撞. 泥水盾构泥水仓泥浆压力控制模型研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(S1): 286-292.
[2] 黎春林. 盾构开挖面三维曲面体破坏模型 及支护力计算方法研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(8): 2092-2102.
[3] 袁帅, 冯德旺, 张森豪, 邢运鹏, 柯尊启, . 考虑水力参数空间变异性的盾构 隧道开挖面稳定性分析[J]. 岩土力学, 2022, 43(11): 3153-3162.
[4] 周中, 张俊杰, 张称呈, 龚琛杰. 泥水盾构泥浆渗透-扩散时空演化解析模型[J]. 岩土力学, 2021, 42(8): 2185-2194.
[5] 毛家骅, 袁大军, 杨将晓, 张兵, . 砂土地层泥水盾构开挖面孔隙变化特征理论研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(7): 2283-2292.
[6] 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.
[7] 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.
[8] 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.
[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] 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.
[11] 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.
[12] 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.
[13] 魏代伟 ,朱 伟 ,闵凡路,. 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]. , 2014, 299(2): 423-428.
[14] 刘 成 ,孙 钧 ,赵志峰 ,赵联桢,. 泥水盾构泥膜形成二维理论分析[J]. , 2013, 34(6): 1593-1597.
[15] 宋春霞 ,黄茂松 ,吕玺琳. 非均质地基中平面应变隧道开挖面稳定上限分析[J]. , 2011, 32(9): 2645-2650.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[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] 徐金明,羌培,张鹏飞. 粉质黏土图像的纹理特征分析[J]. , 2009, 30(10): 2903 -2907 .
[3] 向天兵,冯夏庭,陈炳瑞,江 权,张传庆. 三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2908 -2916 .
[4] 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 .
[5] 夏栋舟,何益斌,刘建华. 土-结构动力相互作用体系阻尼及地震反应分析[J]. , 2009, 30(10): 2923 -2928 .
[6] 徐速超,冯夏庭,陈炳瑞. 矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究[J]. , 2009, 30(10): 2929 -2934 .
[7] 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 .
[8] 张其一. 复合加载模式下地基失效机制研究[J]. , 2009, 30(10): 2940 -2944 .
[9] 易 俊,姜永东,鲜学福,罗 云,张 瑜. 声场促进煤层气渗流的应力-温度-渗流压力场的流固动态耦合模型[J]. , 2009, 30(10): 2945 -2949 .
[10] 陶干强,杨仕教,任凤玉. 崩落矿岩散粒体流动性能试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2950 -2954 .