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原文传递饱和砂层泥水盾构隧道开挖面泥浆渗透特征及三维成膜规律研究

论文题名：	饱和砂层泥水盾构隧道开挖面泥浆渗透特征及三维成膜规律研究
关键词：	泥水盾构隧道;流变特征;流体动力学;渗透扩散理论;泥浆渗透成膜
摘要：	随着我国城镇化建设深入推进，城市开始跨域式发展。城市跨域交通网络的修建常穿越江河湖海，考虑桥梁对水域生态环境影响及桥位资源日趋紧张，水底隧道需求越发增长，而泥水盾构法因其具有施工安全、地质适应性强、洞内作业环境好等优点，成为水底隧道修建时应用最广的工法。泥水盾构开挖时,流变性能良好的加压泥浆向开挖面渗透形成泥膜。难透水泥膜的形成可有效阻止后续泥浆的渗透，同时将作用在其上的泥浆压力转化为有效应力来平衡开挖面前方水土压力，从而维持开挖面的稳定性。因此，泥膜质量决定了泥浆压力能否有效传递至开挖面，是泥水盾构工程中极其重要的安全指标。随着水下隧道建设朝着“长距离、大直径和高水压”方向发展，泥水盾构隧道的开挖不可避免地穿越高水压、强渗透地层。在该种情况下，泥浆大量渗入地层，泥膜难以及时形成，盾构开挖面无法得到有效支护。若处理不慎，极易造成开挖面坍塌，严重影响水下盾构隧道的施工安全和施工质量。泥浆在饱和砂层中的成膜机制复杂，其本质为泥浆在砂层中的渗透问题。因此，探明饱和砂层泥水盾构隧道开挖面泥浆渗透特征及成膜规律，保证高渗透地层泥浆渗透成膜质量，是泥水盾构隧道施工开挖面稳定控制的关键。　　针对上述问题，本文开展了饱和砂层泥水盾构开挖面泥浆渗透特征及三维成膜规律研究，探讨了不同浓度泥水盾构用泥浆本构关系及流动模式，结合高渗透地层特征，建立数值模型分析泥浆流体动力学性质，并进一步研究泥浆流变参数、砂层参数及泥水仓压力等多参数耦合作用下泥水盾构隧道开挖面泥膜的形成规律。本文主要的研究工作及成果如下: 　　(1)基于室内流变测试系统，开展不同浓度泥水盾构用泥浆流变测试，探明羧甲基纤维素钠(CMC)含量及膨润土浓度对泥浆流变参数(屈服应力、塑性粘度等)与流动模式影响规律;结合电镜扫描试验，阐明CMC在膨润土泥浆中微观增粘机理。针对泥浆流变性质变化特征，建立膨润土含量及CMC浓度与流变参数关系数学模型，形成支护泥浆流变理论体系，为泥浆在砂层中渗透理论的提出及数值模型的建立奠定基础。　　(2)引入Herschel-Bulkley-Papanastasiou(HBP)泥浆流变修正模型，解决已有泥浆本构关系数值发散且无法描述泥浆剪切变稀特性的问题。在此基础上，将HBP本构关系与有限体积法(FVM)框架下的Navier-Stokes方程进行集成，建立泥浆动力过程数值模型，并基于OpenFOAM开源平台进行二次开发与改进,实现该数值模型的求解，从而进一步开展不同浓度膨润土泥浆在充分发展的层流状态下压力场、速度场及流核区等流体动力学性质数值模拟研究，阐明泥浆在饱和砂层中的渗透关系。　　(3)基于泥浆液相和固体颗粒质量守恒定理，结合泥浆流变特征及流体动力学特性，考虑泥浆在砂层中的非达西渗透关系，建立改进的泥浆渗透扩散理论模型，明确泥浆在地层中的运移规律及渗透行为，进一步阐明泥浆及地层关键参数对泥浆渗透和泥膜发展的影响特征。　　(4)针对泥水盾构过江隧道高水压强渗透的地层特征，考虑泥浆三维渗透行为，自主研发三维变截面泥浆渗透柱试验系统。基于该变截面试验系统，模拟泥水盾构泥水仓膨润土泥浆三维空间渗透过程，研究泥浆渗透过程中超静孔隙水压力、滤失量等关键参数的演化规律，明确泥浆在地层中的运移规律及泥膜形成规律。最后，通过探究泥浆颗粒与砂层孔隙结构的相互作用关系，探明高渗透性砂层泥膜快速形成的必要条件，揭示泥水盾构泥浆三维渗透成膜机制。
作者：	王中荣
专业：	岩土工程
导师：	丁万涛
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023