砂土地层泥水盾构支护压力上下限研究

Slurry support pressure balances the lateral earth pressure during shield tunneling. However, pressure imbalance occurred if the slurry pressure exceeds suitable range. Seepage failure, soil fracturing or slurry bleeding could appear if the slurry pressure exceeds the upper bound; face collapse could happen because of weak stability of sands if the slurry pressure induces smaller than the lower bound. The upper and lower bound of slurry support pressure are focused in this program bases on the sand properties with slurry action. The contents include: (1) sand strength failure with slurry action; (2) face stability of sand layers; (3) slurry support properties; then, (4) upper and lower bound of slurry support pressure. In summary, the support pressure range for shield tunneling is to be proposed; and, suggestion of support pressure set for typical tunneling conditions is to be supplied.

使用泥水盾构进行隧道开挖时需要使用泥水压力来平衡掘进面前方的土水压力。然而，泥水压力过大或者过小则平衡即被打破:泥水压力过大，则会破坏砂土地层，引起局部失稳；泥水压力过小，则由于砂土地层自身稳定性差，会出现整体失稳。本项目从泥水对砂土地层的作用出发，研究砂土地层盾构掘进泥水支护压力上下限。研究内容为：（1）泥水作用下砂土地层的破坏特征（渗透破坏、劈裂、迸出）；（2）砂土地层掘进面稳定性分析；（3）掘进面泥水支护特性研究；然后归纳总结，进行（4）掘进面泥水支护压力上下限研究。最后得出：砂土地层盾构掘进泥水支护压力范围，并针对几种典型工况给出泥水压力设定的建议，为砂土地层泥水盾构掘进安全提供基础理论和技术指导。

泥水盾构采用泥水支护压力来平衡掘进面上的水土压力，砂土地层自稳性差，泥水支护压力过大或过小会引发掘进面的失稳破坏。本项目从泥水对砂土地层的作用出发，研究砂土地层盾构掘进泥水支护压力上下限，并得出以下结论：.（1）劈裂压力随着无侧限抗压强度的增大线性增大；当泥浆粘度较小时，劈裂压力受粘度影响较大，当泥浆粘度达到一定程度（约27s）时，劈裂压力基本不再受粘度影响；劈裂发生后出现的泥水压力降低现象将有利于阻止泥水劈裂进一步伸展。.（2）研制了干砂条件下的掘进面稳定试验装置，能够有效描绘滑裂面三维形状。通过实验分析了掘进面土压力的变化过程与破坏区域的演化过程，为理论解析打下基础。.（3）通过富水砂层的掘进面主动失稳离心实验，可发现渗流力会削弱掘进面上方的土拱效应，达到破坏阶段后上部破坏区域向外发生扩展，且比干砂条件下的试验结果影响范围更大。.（4）建立了基于极限平衡法的三维主动失稳分析模型，所建立的模型的破坏形态更接近于实验或数值方法得到的结果，具有较好的工程应用价值。.（5）通过泥浆渗透实验，得到了泥水相对密度、粘度以及渗透压差对泥水在砂土地层中渗透的影响规律；且通过抗渗性试验，发现泥浆渗透的时间越长，压差越大，其抗渗性能也越好。.（6）泥水支护压力区间特性主要受土体摩擦角和隧道覆土厚度的影响；孔隙水压力只能平移泥水支护压力区间，不能改变压力区间长度；土体粘聚力、容重、盾构直径等对泥水支护压力区间特性的影响甚为微弱。