高渗透性砂土中泥水加压式盾构开挖面泥浆成膜机理研究

在粘粒、粉粒含量少，地下水压力高的高渗透性砂土中，进行泥水加压式盾构隧道施工时，最为关健的问题是在开挖面上形成性质稳定的泥膜，以维持开挖面的稳定。根据地层条件选择最佳泥水压力、泥浆微细颗粒等特性才能形成性质稳定的泥膜。本项目通过泥浆成膜试验、泥水盾构现场施工监测跟踪，以及泥浆成膜颗粒流微细观模拟，明确成膜时泥浆微细颗粒与地层颗粒大小的关系，以及什么样状态的泥浆形成性质稳定的泥膜，即泥浆成膜条件。同时根据泥膜强度和泥膜极限支护压力破坏试验，进行了泥膜质量稳定性研究，建立泥膜质量评价标准，为选择与地层条件和泥浆性质相适应的泥浆压力提供依据。本项目的研究成果，为泥水加压式盾构施工时泥浆配比的优化和开挖面稳定提供重要的理论支撑和应用价值。

进入21世纪，我国沿江重大城市都在大踏步实行跨江发展战略，如上海、南京、杭州、武汉、重庆等。大型越江交通隧道需求与日俱增，泥水盾构技术得以大量广泛应用。本世纪前十年，土压平衡式盾构技术在地铁隧道中得到了广泛的应用，技术上渐趋成熟。但泥水盾构技术，特别是大直径泥水盾构技术在我国起步较晚，南水北调中线穿黄隧道采用的就是泥水盾构施工法，随后上海长江隧道、南京长江隧道、武汉长江隧道、南京纬三路越江通道（南京第二长江隧道）等都采用了泥水盾构技术工法。. 本课题通过自制的泥浆渗透试验仪，开展了泥浆渗透成膜试验研究，揭示泥浆形成的泥膜可以分为三种类型：泥皮型、渗透带+泥皮型和渗透带型，并且揭示了三种类型泥膜的形成条件，即当地层颗粒D15小于泥浆颗粒的5d85时，形成泥皮型泥膜；当5d85<D15 <10d85，形成泥皮+渗透带型泥膜；当D15≥10d85时，形成渗透带型泥膜，在盾构施工中不允许出现这种泥膜。同时开展泥浆成膜的颗粒流数值计算分析，也能够得到类似的规律。该规律打破了以往外国先进盾构制造商在泥浆配比上的神秘性。. 在泥浆成膜规律研究的基础上，本课题对南京长江隧道泥水盾构施工进行了全程指导，取得了良好的经济效益，特别是在盾构开舱技术上取得了重大突破，得到了中国岩石力学与工程学会的科技进步一等奖。主要成绩如下：将前期淤泥质粉质粘土中产生的大量的废弃泥浆储存起来，用于后期的砾石、卵石地层和粉细砂地层中作为泥浆的制浆材料应用，节省了大量的制浆材料费用；盾构开舱时，为了增加开挖面的稳定性，提出开挖面形成渗透带+泥皮型泥膜，增加开挖面的稳定，保证在高渗透性地层和高水压情况下开舱抢修刀具、刀盘成功，挽救了南京长江隧道及时建成通车。. 以上研究成果不仅具有重要理论和学术价值，也有极大工程应用价值，通过开展多次的学术交流，在国际上已经有较大的影响力，使我国泥水盾构施工技术上走在国际领先行列。