随着我国经济的快速发展,城市化进程空前加速,城市化范围日益扩大,与之而来的城市用地紧张、交通堵塞及环境恶化等问题日益突出。鉴于城市建筑物对地层扰动的敏感性,轨道交通、城际铁路等建设趋向采用盾构隧道方案。同时伴随着盾构技术不断进步,加之其对地层扰动小,施工速度快等优点,城市隧道趋于采用盾构法修建。近年来,北京、成都、兰州等城市大规模新建地铁轨道交通,以上城市以砂卵石地层为主,相对于一般软土地层,砂卵石地层结构松散、孔隙度大、粘聚力小。盾构在此类地层掘进将面临诸多难题。本论文以京张高铁清华园隧道工程为研究背景,该隧道采用泥水平衡盾构法施工,由于隧道主要穿越富水砂卵石地层,泥水平衡盾构在该类地层掘进时,易出现泥膜成形难度大、盾构出渣困难、掘进面稳定性差等问题。鉴于此,本文综合采用理论分析、数值仿真、室内试验及现场实测等手段,着重研究砂卵石地层泥水盾构掘进面成膜机理、泥浆配比和地层三者之间的匹配关系、砂卵石地层泥浆输送性能和大直径泥水平衡盾构掘进面稳定性等方面,研究成果可为京张高铁清华园隧道工程提供直接参考和技术支撑,同时也可为类似地层条件下泥水盾构的泥浆配置、掘进参数等选择提供参考,具有非常重要的理论意义和工程应用价值。论文的主要研究成果如下:(1)采用自行研制的泥浆渗透试验装置,在考虑地层变化的情况下开展泥浆分级加载渗透成膜试验。研究了地层渗透系数对砂卵石地层中泥浆渗透过程、成膜形态和渗透滤失量的影响,从泥浆与地层的匹配关系探讨了泥膜类型的划分标准。利用自行研制的动态泥浆渗透试验装置,研究了考虑刀盘转动破坏情况下的泥膜破坏-形成的循环过程,揭示了砂卵石地层中泥浆的渗透滤失量随刀盘转动破坏的变化规律。通过控制变量法配制了多组不同比重、粘度、含砂量的泥浆,并在与清华园隧道相似地层中开展泥浆渗透成膜试验,确定了影响砂卵石地层泥浆成膜的关键指标,并进一步得到了最佳的泥浆优化方案,解决了泥浆在高渗透性砂卵石地层中成膜难的问题。(2)通过建立基于FLUENT-EDEM的耦合泥浆渗透成膜模型,研究了泥浆颗粒群在地层孔隙中的渗透、堵塞和运移过程,从微观上揭示了泥浆渗透成膜的机理。通过改变相关参数得到了泥浆在不同颗粒大小、密度和压力下的渗透轨迹和成膜状态,明确了颗粒相对大小、泥浆密度和泥浆压力对成膜的影响规律,提出了基于颗粒相对大小(D/d)的泥膜类型划分方法。(3)采用自由沉降试验装置,研究了大粒径卵石在环流系统竖直管内的相对启动流速,论证了卵石在相近溶液中运动规律的相似性。采用环流系统试验装置,研究了大粒径卵石在循环管路不同位置的启动流速和运移形态,得到了卵石在环流系统不同位置的启动流速,探究了卵石形状、质量对临界流速的影响规律,提出了减小泥浆环流系统管道磨损的改进措施。(4)采用FLAC3D有限差分软件,建立了三维空间模型。研究了泥水平衡盾构施工时泥浆参数(泥浆压力和泥膜渗透系数)对地层孔隙水压力和掘进面稳定性的影响,得到了泥浆参数、地层孔隙水压力、地层位移三者的变化规律和内在联系。确定了清华园隧道泥水平衡盾构维持掘进面稳定性的泥浆压力和泥膜渗透系数,实现了掘进面稳定性的控制,且有效控制了地层变形。