【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于盾構泥漿支護，具體涉及一種盾構泥漿在飽和砂層中最大滲透距離的預測方法。
技術介紹
1、憑借泥漿支護原理，泥水平衡盾構廣泛應用于高滲透高水壓地層中隧道的開挖，例如飽和砂層地層或透水性強的砂卵石地層中。泥水盾構通過加壓泥漿向地層中滲透以給開挖面提供支護力，因此泥漿的滲透過程對支護力作用的有效性至關重要。由于泥漿滲透會引起開挖面前方的超孔隙水壓增加，因此泥漿壓力不能完全作用在開挖面上，而是轉化為有效支撐力與超孔隙水壓的組合。通常來說，泥漿滲透一段距離后會停止，然后在開挖面形成低滲透的濾餅，此時泥漿壓力能夠最大限度作用在開挖面上；而當泥漿滲透距離過大，泥漿壓力不能及時作用在開挖面上，則開挖面存在失穩風險。精確預測泥漿壓力作用的有效性，能夠有效保證開挖面的穩定性；在對滲透過程水壓演化的計算中通常需要事先明確泥漿的最大滲透距離。
2、以往研究中存在用于泥漿最大滲透距離計算的經驗公式，然而經驗公式給出的結果與試驗相差數十倍；究其原因，經驗公式只是將泥漿在地層中滲透簡單視為連續流體，沒有考慮泥漿中膨潤土顆粒會滯留在地層孔隙中并發生多孔介質中的深層過濾情況，因此在實際施工前仍需要通過室內的滲透試驗來考察泥漿的最大滲透距離。另外，目前大多數試驗或理論研究均假設泥漿為單一的膨潤土漿液，而實際施工中被挖掘的渣土會進入泥水倉中，與泥漿混合后運輸至地面進行處理并循環利用。有研究表明，泥漿中混合的渣土在滲透中會在表面堆積形成沉積層。當沉積層堆積過快時會嚴重阻礙膨潤土顆粒對地層的阻塞作用，滲透可能不會停止，進而導致支護力不足。因而，目
技術實現思路
1、針對相關技術中存在的不足之處，本專利技術提供一種盾構泥漿在飽和砂層中最大滲透距離的預測方法，旨在不經滲透試驗便可更快速精確地獲取泥漿在飽和砂層中的最大滲透距離，并考慮混入泥漿中的渣土對泥漿滲透過程的影響，進而為盾構施工參數調整及保障掘進穩定提供可靠參考。
2、本專利技術提供一種盾構泥漿在飽和砂層中最大滲透距離的預測方法，包括以下步驟：
3、s1、確定泥漿參數及地層參數；
4、s2、對泥漿在地層中的滲透過程進行空間離散，將滲透區空間離散劃分的微元體深度記為；
5、s3、泥漿在地層中前進單個微元體深度時，計算渣土在地層表面的沉積層微元體高度；
6、s4、泥漿在地層中滲透前進單個微元體深度，計算穿過沉積層后泥漿中的膨潤土顆粒質量濃度；
7、s5、泥漿在地層中滲透前進單個微元體深度，計算泥漿在地層中的膨潤土顆粒滯留量分布；
8、s6、計算泥漿在地層中的滲透距離，并判斷是否超過設定閾值；若超過則輸出無最大滲透距離的結果，若未超過則進一步判斷地層入口處的膨潤土顆粒沉積濃度是否達到臨界沉積濃度；若未達到臨界沉積濃度，則重復步驟s4及s5進行迭代計算，并對泥漿在地層中的滲透距離和地層入口處的膨潤土顆粒沉積濃度情況進行判斷；若達到臨界沉積濃度，則停止迭代計算，將當前計算的泥漿滲透距離輸出為泥漿的最大滲透距離。
9、在其中一些實施例中，在步驟s1中，泥漿參數包括泥漿壓力、膨潤土顆粒級配分布、膨潤土顆粒的密度、泥漿的表觀粘度、泥漿中膨潤土顆粒的質量濃度、泥漿中渣土的質量濃度；地層參數包括砂層顆粒級配分布、砂層的原始孔隙率、砂顆粒的密度。
10、在其中一些實施例中，在步驟s3中，渣土在地層表面的沉積層微元體高度根據式（1）計算；
11、（1）；
12、式（1）中，為泥漿中渣土的質量濃度；為砂顆粒的密度；為沉積層的原始孔隙率，其值與砂層的原始孔隙率相同。
13、在其中一些實施例中，在步驟s4中，穿過沉積層后泥漿中的膨潤土顆粒質量濃度的計算包括以下步驟：
14、s41、根據式（2）計算泥漿通過單個沉積層微元體的時間；泥漿通過各個沉積層微元體，根據式（3）控制其時間節點的時間步長；
15、（2）；
16、（3）；
17、式（2）中，為沉積層對應的空間節點，；為時間節點，,且；為泥漿的表觀粘度；為沉積層微元體的滲透率；為經過沉積層微元體的泥漿中膨潤土顆粒的重度；為泥漿滲透中的水力梯度；
18、s42、根據式（4）計算泥漿通過沉積層微元體的孔隙流速；
19、（4）；
20、式（4）中，為沉積層微元體的孔隙率；
21、s43、根據式（5）計算泥漿通過沉積層微元體的顆粒沉積系統；
22、（5）；
23、式（5）中，為孔隙管道的有效長度；為膨潤土顆粒的平均半徑，取膨潤土顆粒級配分布的作為代表值；為等效的地層孔隙半徑，根據式（6）計算；為聚集參數，根據式（7）計算；
24、（6）；
25、（7）；
26、式（6）-式（7）中，為砂層顆粒級配分布曲線上小于50%的半徑值；為地層可注性比，；為泥漿壓力；為1個標準大氣壓；為泥漿的相對表觀粘度；為砂層的相對密實度；
27、s44、根據式（8）計算每個時間步內膨潤土顆粒在沉積層微元體中的滯留量，根據式（9）計算泥漿滲透過程中每個沉積層微元體內的膨潤土顆粒沉積量，并根據式（10）更新下一個時間步沉積層微元體的孔隙率、滲透率，根據式（11）更新下一個時間步經過沉積層微元體的泥漿中膨潤土顆粒的質量濃度、重度；最后，根據式（12）計算泥漿穿過整個沉積層后進入地層的泥漿中的膨潤土顆粒質量濃度；
28、（8）；
29、（9）；
30、（10）；
31、（11）；
32、（12）；
33、式（8）-式（11）中，為經過沉積層微元體的泥漿中膨潤土顆粒質量濃度；為膨潤土顆粒的比重；為水的重度；為砂層的原始孔隙率；為泥漿中膨潤土顆粒的初始質量濃度。
34、在其中一些實施例中，在步驟s5中，泥漿在地層中的膨潤土顆粒滯留量分布的計算包括以下步驟：
35、s51、根據式（13）計算泥漿在地層中滲透前進單個微元體的時間；泥漿通過各個微元體，根據式（14）控制其時間節點的時間步長；
36、（13）；
37、（14）；
38、式（13）中，為滲透區對應的空間節點，，且；為滲透區微元體的滲透率；為經過滲透區微元體的泥漿中膨潤土顆粒的重度；
39、s52、根據式（15）計算泥漿通過滲透區微元體的孔隙流速；
40、（15）；
41、式（15）中，為滲透區微元體的孔隙率；
42、s53、根據式（16）計算泥漿通過滲透區微元體的顆粒沉積系統；
43、（16）；
44、s54、根據式（17）計算每個時間步內膨潤土顆粒在滲透區微元體中的滯留量，根據式（18）計算泥漿滲透過程中每個滲透區微元體內的膨潤土顆粒沉積量，并根據式（19）更新下一個時間步滲透區微元體的孔隙本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種盾構泥漿在飽和砂層中最大滲透距離的預測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的盾構泥漿在飽和砂層中最大滲透距離的預測方法，其特征在于，在步驟S1中，所述泥漿參數包括泥漿壓力、膨潤土顆粒級配分布、膨潤土顆粒的密度、泥漿的表觀粘度、泥漿中膨潤土顆粒的質量濃度、泥漿中渣土的質量濃度；所述地層參數包括砂層顆粒級配分布、砂層的原始孔隙率、砂顆粒的密度。
3.根據權利要求2所述的盾構泥漿在飽和砂層中最大滲透距離的預測方法，其特征在于，在步驟S3中，渣土在地層表面的沉積層微元體高度根據式（1）計算；
4.根據權利要求3所述的盾構泥漿在飽和砂層中最大滲透距離的預測方法，其特征在于，在步驟S4中，穿過沉積層后泥漿中的膨潤土顆粒質量濃度的計算包括以下步驟：
5.根據權利要求4所述的盾構泥漿在飽和砂層中最大滲透距離的預測方法，其特征在于，在步驟S5中，泥漿在地層中的膨潤土顆粒滯留量分布的計算包括以下步驟：
6.根據權利要求5所述的盾構泥漿在飽和砂層中最大滲透距離的預測方法，其特征在于，在步驟S6中，泥漿在地層中的滲透
7.根據權利要求6所述的盾構泥漿在飽和砂層中最大滲透距離的預測方法，其特征在于，在步驟S6中，地層入口處的膨潤土顆粒沉積濃度根據式（22）計算，地層入口處的臨界沉積濃度根據式（23）計算；當時，泥漿在地層中的滲透停止，將當前計算的泥漿滲透距離輸出為泥漿的最大滲透距離；
8.根據權利要求7所述的盾構泥漿在飽和砂層中最大滲透距離的預測方法，其特征在于，在步驟S6中，迭代計算時輸出的結果還包括，地層孔隙率及滲透率隨泥漿滲透距離的變化、地層中膨潤土顆粒滯留量的分布、渣土中膨潤土顆粒滯留量的分布。
...【技術特征摘要】
1.一種盾構泥漿在飽和砂層中最大滲透距離的預測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的盾構泥漿在飽和砂層中最大滲透距離的預測方法，其特征在于，在步驟s1中，所述泥漿參數包括泥漿壓力、膨潤土顆粒級配分布、膨潤土顆粒的密度、泥漿的表觀粘度、泥漿中膨潤土顆粒的質量濃度、泥漿中渣土的質量濃度；所述地層參數包括砂層顆粒級配分布、砂層的原始孔隙率、砂顆粒的密度。
3.根據權利要求2所述的盾構泥漿在飽和砂層中最大滲透距離的預測方法，其特征在于，在步驟s3中，渣土在地層表面的沉積層微元體高度根據式（1）計算；
4.根據權利要求3所述的盾構泥漿在飽和砂層中最大滲透距離的預測方法，其特征在于，在步驟s4中，穿過沉積層后泥漿中的膨潤土顆粒質量濃度的計算包括以下步驟：
5.根據權利要求4所述的盾構泥漿在飽和砂層中最大...
【專利技術屬性】
技術研發人員：尹占超，張霄，吳能友，汪文杰，劉斌，
申請(專利權)人：嶗山國家實驗室，
類型：發明
國別省市：
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