高水壓高滲透性地層泥水盾構(gòu)開(kāi)艙開(kāi)挖面穩(wěn)定機(jī)理研究

隨著我國(guó)地鐵建設(shè)、越江海隧道建設(shè)在全國(guó)主要城市逐漸推開(kāi)，不得不面臨長(zhǎng)距離、高水壓高滲透地層掘進(jìn)環(huán)境，由于砂礫地層、卵石地層的石英含量較高，刀具和刀盤(pán)磨損嚴(yán)重，不得不在江底進(jìn)行開(kāi)艙修復(fù)刀具刀盤(pán)，如何在開(kāi)挖面上形成致密穩(wěn)定的泥膜是盾構(gòu)開(kāi)艙閉氣保持開(kāi)挖面穩(wěn)定的成功關(guān)鍵。本項(xiàng)目針對(duì)礫砂地層、卵石地層開(kāi)發(fā)了泥漿劈裂實(shí)驗(yàn)單元裝置，并開(kāi)展泥漿劈裂實(shí)驗(yàn)得到泥漿逸泥的兩種模式-地層塑性劈裂破壞模式和地層滲透破壞模式及其發(fā)生條件；同時(shí)開(kāi)展了高滲透地層中泥漿成膜-閉氣實(shí)驗(yàn)，研究了泥膜的閉氣值及閉氣時(shí)間，認(rèn)為泥膜的閉氣值與泥膜中孔隙形態(tài)及毛細(xì)水吸力有關(guān)，泥膜的閉氣時(shí)間與泥膜的形態(tài)有著密切關(guān)系，采取先采用較稀的純膨潤(rùn)土泥漿滲透到地層10-100cm時(shí)泥漿堵塞地層孔隙，然后換成密度更高、粒徑更大的泥漿（如純膨潤(rùn)土 廢棄泥漿的混合泥漿）再形成泥皮，最后形成的“滲透帶 泥皮型泥膜”的閉氣時(shí)間能夠提高到60h以上，極大地提高了盾構(gòu)開(kāi)艙維修作業(yè)效率。項(xiàng)目還對(duì)泥膜的滲氣系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算了盾構(gòu)開(kāi)挖面維持壓力所需要補(bǔ)充的氣體量，確保盾構(gòu)開(kāi)艙時(shí)開(kāi)挖面的安全穩(wěn)定性。最后將本項(xiàng)目的研究成果應(yīng)用于南京緯三路過(guò)江通道大斷面泥水盾構(gòu)開(kāi)艙作業(yè)、深圳地鐵盾構(gòu)上軟下硬地層中盾構(gòu)開(kāi)艙作業(yè)和廈門(mén)地鐵3號(hào)線跨海盾構(gòu)海底開(kāi)艙作業(yè)，取得了圓滿成功。 2100433B

未來(lái)10年，我國(guó)將大量修建越江海大型泥水盾構(gòu)隧道，長(zhǎng)距離施工、穿越高滲透性卵礫石、風(fēng)化巖等復(fù)合地層、大埋深、大斷面是其顯著特點(diǎn)。目前，盾構(gòu)刀具刀盤(pán)很難適應(yīng)復(fù)雜地層中長(zhǎng)距離掘進(jìn)，在江底被迫停機(jī)帶壓開(kāi)艙檢查維護(hù)將成為了一種趨勢(shì)。高水壓高滲透地層如何形成致密、閉氣能力強(qiáng)的泥膜，不僅能傳遞泥漿壓力，也能傳遞氣體支護(hù)壓力是盾構(gòu)開(kāi)艙成敗的關(guān)鍵。通過(guò)高水壓高滲透地層條件下泥漿滲漏或劈裂試驗(yàn)、泥漿成膜-閉氣-穿透試驗(yàn)和泥膜微細(xì)觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，明確高滲透地層形成性質(zhì)穩(wěn)定、閉氣能力強(qiáng)的泥膜對(duì)泥漿性質(zhì)、顆粒級(jí)配要求，明確泥膜閉氣-穿透模式及機(jī)理。結(jié)合盾構(gòu)開(kāi)艙氣壓和泥漿支護(hù)壓力的特點(diǎn)，通過(guò)土-水-泥-氣介質(zhì)相互作用模型，建立盾構(gòu)開(kāi)艙開(kāi)挖面穩(wěn)定分析模型，明確開(kāi)艙時(shí)開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞模式及極限支護(hù)氣壓的確定方法。最終建立高水壓高滲透性地層中泥水盾構(gòu)帶壓開(kāi)艙具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)成套核心關(guān)鍵技術(shù)。

本課題旨在對(duì)目前國(guó)內(nèi)外研究尚未涉及到的、對(duì)施工安全有關(guān)鍵影響的大型泥水盾構(gòu)內(nèi)部開(kāi)挖面平衡系統(tǒng)展開(kāi)研究，分別從開(kāi)挖面平衡系統(tǒng)中的氣泡艙中壓縮空氣吸收壓力沖擊、吸收壓力脈動(dòng)以及氣泡艙壓縮空氣調(diào)節(jié)回路的動(dòng)態(tài)特性的角度出發(fā)，研究泥水氣泡艙中對(duì)盾構(gòu)開(kāi)挖面平衡控制起關(guān)鍵作用的初始控制參數(shù)的設(shè)置理論與設(shè)置原則，為泥水盾構(gòu)開(kāi)挖面平衡自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。同時(shí)對(duì)目前國(guó)內(nèi)外尚處于手工控制或簡(jiǎn)單模擬量控制的大型泥水盾構(gòu)內(nèi)部開(kāi)挖面平衡系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)數(shù)字化統(tǒng)一控制的研究，并找出該控制系統(tǒng)所包含的不同控制回路之間的相互影響關(guān)系；研究并提出有針對(duì)性的、合理有效的控制理論、控制方法和調(diào)節(jié)器，同時(shí)針對(duì)影響較大的干擾，提出相應(yīng)的控制對(duì)策；就不同的控制方法進(jìn)行仿真對(duì)比和實(shí)物實(shí)驗(yàn)對(duì)比，給出根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用要求和場(chǎng)合所應(yīng)選擇的最佳的控制方式，以及不同控制回路和控制方法的計(jì)算機(jī)自動(dòng)切換法則。

目前，對(duì)于大型泥水平衡盾構(gòu)的自動(dòng)控制與數(shù)字化統(tǒng)一管理是全球盾構(gòu)界共同關(guān)注并急待解決的諸多問(wèn)題之一，基于此，本項(xiàng)目圍繞建立大型泥水平衡盾構(gòu)的自動(dòng)泥水氣壓平衡控制系統(tǒng)這一主題展開(kāi)了深入系統(tǒng)的研究。 主要的研究工作和成果如下： 1.建立了考慮地基應(yīng)力和孔隙水壓力的泥水平衡盾構(gòu)開(kāi)挖面泥水支護(hù)壓力的計(jì)算模型，并根據(jù)泥水平衡盾構(gòu)在不同工況時(shí)開(kāi)挖面前方土體的受力情況，得出了不同工況時(shí)盾構(gòu)理論泥水支護(hù)壓力的確定方法。 2.確定了泥水平衡系統(tǒng)中泥水回路和氣壓回路主要參數(shù)的取值原則，其中詳細(xì)地分析了對(duì)盾構(gòu)開(kāi)挖面平衡控制起關(guān)鍵作用的氣泡艙的初始體積、初始?jí)毫?、泥水的初始液位等參?shù)的確定方法，分別從氣泡艙中壓力氣體吸收壓力沖擊、吸收壓力脈動(dòng)以及氣泡艙壓縮空氣調(diào)節(jié)回路的動(dòng)態(tài)特性出發(fā)，得出了氣泡艙初始參數(shù)的確定原則與計(jì)算公式，并討論了其最佳取值范圍，為泥水氣壓平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 3.深入分析了盾構(gòu)泥水氣壓平衡控制系統(tǒng)所包含的兩個(gè)控制回路——泥水控制回路和氣壓控制回路之間的相互作用關(guān)系，提出了根據(jù)氣泡艙中泥水液位的不同，分別選擇氣泡艙單回路控制方式和泥水氣艙雙回路綜合控制方式的控制方法，并且根據(jù)泥水控制回路和氣壓控制回路間的相互作用關(guān)系提出了雙回路同時(shí)調(diào)節(jié)的廣義比例控制方法。 4.詳細(xì)設(shè)計(jì)了應(yīng)用于氣泡艙壓縮空氣壓力控制的模糊自適應(yīng)增量式數(shù)字PID控制器和應(yīng)用于泥水液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)字PID 前饋控制器，并開(kāi)發(fā)了該計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試軟件。 5.分別對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器在單獨(dú)應(yīng)用和合并綜合使用時(shí)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，就不同的控制方法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，得出了不同干擾對(duì)系統(tǒng)的影響情況，針對(duì)影響較大的干擾，提出了相應(yīng)的控制對(duì)策，給出了根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用要求和場(chǎng)合所應(yīng)選擇的最佳控制方式和自動(dòng)切換方法。 2100433B

水力劈裂現(xiàn)象的研究在隧道、土力學(xué)及地基基礎(chǔ)領(lǐng)域還是一個(gè)比較新的課題。但許多土體加固以及破壞問(wèn)題與水力壓裂現(xiàn)象有關(guān)。如劈裂注漿加固地層，是積極的利用劈裂地層來(lái)加固地基；土壩的水壓破壞、盾構(gòu)法壁后注漿的逸漿現(xiàn)象等又是危險(xiǎn)的以及影響環(huán)境的重要問(wèn)題。特別是用泥水式盾構(gòu)法在軟土或在海底、河底軟土中構(gòu)筑隧道時(shí)，當(dāng)泥水式盾構(gòu)在覆蓋層比較薄的軟粘土地層中切削時(shí)，由于過(guò)大的泥水壓的作用，會(huì)產(chǎn)生切削面被劈裂，泥水沖入地表，產(chǎn)生泥水噴發(fā)，地表沉陷，海水（河水）倒灌的危險(xiǎn)。.本課題是對(duì)軟粘土的劈裂現(xiàn)象的影響要素進(jìn)行研究。首先通過(guò)室內(nèi)三軸劈裂試驗(yàn)和泥水盾構(gòu)模型掘進(jìn)泥水壓劈裂試驗(yàn)，配合相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析影響軟粘土劈裂壓力（包括啟裂壓力，伸展壓力）、發(fā)生位置、劈裂發(fā)生和伸展方向及伸展速度的要素和機(jī)理。結(jié)合損傷力學(xué)、土力學(xué)，流體力學(xué)等及有限元分析，構(gòu)建軟粘土泥水壓劈裂以及伸展的力學(xué)模型。為工程服務(wù)。 2100433B