高水压渗流条件下超大直径泥水盾构开挖面机—土—泥水相互作用机理研究

With the development of the national marine strategy and economy in China, more and more cross-sea and cross-river large shield tunnels are to be built. Large-diameter slurry shield tunnels have to face the challenge of high hydraulic pressure and seepage, and due to the intercoupling of stress and seepage field，the excavating face instability problem of large-diameter slurry shield under high hydraulic pressure condition is still an unsettled issue. Especially, the interaction mechanism between TBM, soil and filtercake for a large-diameter slurry shield tunnel is not clear until now. Regarding to the critical instability problem of excavation face of a large-diameter slurry shield tunnel under high hydraulic pressure in sandy soil or soft-hard interlayer ground, by model test, theory analysis and numerical simulation, and focus on the interaction between TBM, soil and filtercake, we will investigate: (1) to explore the interaction mechanism between TBM, soil and filtercake for a large-diameter slurry shield tunnel under high hydraulic pressure in sandy soil or soft-hard interlayer ground; (2) to investigate the catastrophic failure process, failure mode and failure shape, and develop a calculation model and visualization method to determine the earth pressure and water pressure under high hydraulic pressure condition for a large-diameter slurry shield tunnel. The contributions will provide theoretical basis and technique support for TBM design and tunneling.

随着国家海洋战略、区域经济一体化的快速发展，大型越江跨海盾构隧道建设日益增多。越江海超大直径泥水盾构隧道面临高水压渗流等复杂条件挑战，且由于应力场、渗流场相互耦合，高水压下超大直径泥水盾构开挖面稳定性难题始终未能得到满意解决。尤其是高水压渗流下超大直径泥水盾构开挖面机—土—泥水相互作用机理至今尚不明确。本项目将针对砂土地层或上软下硬地层中高水压渗流下超大直径盾构开挖面极易失稳的难题，以超大直径泥水盾构开挖面“机-土-泥水”相互作用关系为核心，借助室内试验、理论分析及数值试验等手段开展研究：（1）高水压渗流下超大直径泥水盾构砂土地层或上软下硬地层中开挖面“机—土—泥水”相互作用机理；（2）高水压渗流下超大直径泥水盾构开挖面灾变失稳动态演化过程及破坏形态和特征，建立高水压下超大直径泥水盾构开挖面土水压力及稳定性计算模型和可视化方法。研究成果将为超大直径盾构隧道设计和施工提供理论依据和技术支撑。

随着国家海洋战略、区域经济一体化的快速发展，大型越江跨海盾构隧道建设日益增多。越江海超大直径泥水盾构隧道面临高水压渗流等复杂条件挑战，且由于应力场、渗流场相互耦合，高水压下超大直径泥水盾构开挖面稳定性难题始终未能得到满意解决。本项目针对砂土地层或上软下硬地层中高水压渗流下超大直径盾构开挖面极易失稳的难题，以超大直径泥水盾构开挖面“机-土-泥水”相互作用关系为核心，借助室内试验、理论分析及数值试验等手段开展研究。主要研究内容包括：（1）高水压渗流下超大直径泥水盾构砂土地层或上软下硬地层中开挖面“机—土—泥水”相互作用机理；（2）高水压渗流下超大直径泥水盾构开挖面灾变失稳动态演化过程及破坏形态和特征；（3）建立高水压下超大直径泥水盾构开挖面土水压力及稳定性计算模型和可视化方法。.取得的代表性成果有：.（1）揭示了不同孔隙结构砂土层及泥浆浓度、渗透压力等外在因素对泥浆渗透行为的影响规律，从土体孔隙结构的角度研究了泥浆在砂土中的渗透行为和孔隙结构对泥浆成膜状态的影响规律，获得了六种泥浆渗透行为及其对应的渗透力学特性；.（2）通过改变泥浆颗粒的尺寸与泥浆颗粒间的粘度能量密度，建立了考虑高水压下泥浆渗透的CFD-DEM流固耦合数值模型和模拟方法，实现了不同类型泥膜的形态学分类，获得了不同类型泥膜的渗透力学特性，诠释了高水压渗流下超大直径泥水盾构开挖面“机—土-泥水”相互作用的动态演化过程、破坏形态及特征和堵塞机理；.（3）建立了高水压渗流下超大直径泥水盾构开挖面土水压力计算模型和计算方法，实现了高水压下超大直径泥水盾构开挖面稳定性分析的可视化，研发了盾构法隧道掘进全过程稳定性智能掘进预测可视化平台。.本项目取得的重要成果，其科学意义和应用体现在其可为盾构隧道的安全掘进提供理论和技术支撑。.