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原文传递基于“刀—土”相互作用的泥水盾构泥浆渗透成膜机理及开挖面稳定性研究

论文题名：	基于“刀—土”相互作用的泥水盾构泥浆渗透成膜机理及开挖面稳定性研究
关键词：	水下隧道;泥水平衡盾构;刀-土相互作用;泥浆渗透;成膜机理;开挖面;稳定性分析
摘要：	近年来，越来越多的穿江越海水下隧道成为水系发达区域大通道建设的首选方案，泥水盾构凭借其优越地压力控制方式和较高地安全性在水下大断面隧道的建设中被广泛使用。而水下地质环境复杂，砂土地层自稳性差、透水性强，同时盾构机的“刀”盘、“刀”具与地层“土”体之间的相互扰动重构了泥浆压力传递机制，显著降低了开挖面支护效率，盾构掘进中易发生坍塌、透水等开挖面失稳事故。针对以上关键问题，本文通过模型试验、数值模拟、理论分析相结合的方法，较为系统地研究了“刀—土”相互作用下泥水盾构开挖面泥浆渗透成膜机理和开挖面稳定性问题。揭示了盾构刀盘、刀具的切削效应对泥浆成膜特性、成膜机理及开挖面稳定性的影响，获得了“刀—土”相互作用下的隧道开挖面渐进式失稳演化规律，提出了符合“刀—土”相互作用下开挖面变形特征的极限支护压力计算方法，主要内容及研究成果如下：　　（1）研发了一套基于刀盘—土体—泥浆相互作用的泥浆渗透成膜试验装置，开展了针对不同刀盘结构形式、不同刀具布置方式、不同刀盘转速的泥浆渗透成膜试验。获取了泥浆渗透成膜的渗滤量、有效压力转化率、土体电导率随刀盘转速变化规律，得到了不同刀盘结构形式、不同刀具布置的泥浆成膜特征。研究结果表明：基于“刀—土”相互作用下的泥浆成膜特性与未考虑刀具切削作用的泥膜特性具有显著区别，即在刀具切削影响下，单位时间内渗滤液体积较刀盘静止状态产生明显上升，泥浆有效压力转化率降低，泥浆最大渗透距离增大。刀盘转速和同轨迹刀具数量是影响泥膜特性和压力传递机制的主要控制因素。刀盘静止状态下，泥膜未受刀具切削扰动，在开挖面可认为形成单一的泥浆压力传递机制，而考虑“刀—土”相互作用下的泥浆压力传递在开挖面往往表现为复合型泥浆压力传递，为两种及以上泥浆压力传递机制共存。　　（2）基于“刀—土”相互作用下的泥水盾构开挖面稳定性试验和数值模拟研究，获得了不同刀盘转速、不同水头高度、不同刀盘结构形式下的开挖面孔隙水压力的变化规律，得到了“刀—土”相互作用下的地表变形和泥膜分布特征，揭示了隧道开挖面主动失稳的渐进式时空演化过程和失稳机制。研究结果表明：在“刀—土”相互作用影响下，开挖面自切口位置产生变形，向下向上同时拓展，刀盘转动时，由于刀盘、刀具对土体扰动产生松动效应，开挖面变形呈对数螺旋状，刀盘转速增大，对数螺旋体上方土体变形向开挖面前后方拓展，直至形成对数螺旋+棱台体状整体式失稳。开挖面极限有效压力随刀盘转速增大而不断上升，各转速下的极限有效压力较刀盘静止时显著增大。　　（3）基于“刀—土”相互作用影响，建立了对数螺旋—棱台体的开挖面主动失稳破坏理论模型，采用非均匀压力传递模型（HPT）表征失稳区域内的泥浆压力传递机制，计算结果与模型试验、数值模拟对比验证了模型的有效性。研究结果表明：随着刀盘转速、刀具总数量、同轨刀具数量的增大，泥浆有效压力转化率降低，适当提高有效泥浆压力可使泥浆有效压力转化率提升。　　（4）研究了“刀—土”相互作用下隧道开挖面极限支护力的影响因素，探明了土体有效重度、内摩擦角、盾构直径、覆跨比、刀盘转速和同轨迹刀具数量对开挖面极限支护压力的影响规律。研究结果表明：开挖面泥浆极限支护力随土体有效重度、盾构直径、覆跨比、刀盘转速和同轨迹刀具数量的增大而升高，随土体内摩擦角的增大而降低。并结合工程案例提出了泥水盾构在砂土地层掘进的“优选型，观切口，低转速，微增压”的开挖面稳定性控制策略。
作者：	白洋
专业：	岩土工程
导师：	蒋斌松
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国矿业大学(江苏)
学位年度：	2022