盾构开挖面泥水劈裂离心模型试验相似性分析及验证
在国内外越江海软土隧道建设中，几乎均采用了泥水盾构法。泥水盾构在掘进过程中主要通过开挖舱中带压力的泥水支撑开挖面前方的水土压力。压力设定过高，极易发生泥水劈裂地层，这是泥水盾构开挖面失稳的特殊现象，研究显示其失稳压力比盾构开挖面的“被动失稳”压力要小得多。目前关于泥水劈裂的研究主要采用常重力模型试验、数值模拟与理论分析等手段。离心试验通过提供真实的应力场，可以有效还原实际的泥水劈裂现象，但目前相关研究几乎空白。
采用离心模型试验手段研究盾构泥水劈裂现象，合理的相似比例是其成功的关键前提，但盾构泥水劈裂涉及土体、泥水、隧道等多方面因素的相互作用，尤其多种流体的存在使得模型试验中量纲分析、试验参数缩放和数据解释更加复杂化。本文在阐明盾构泥水劈裂基本物理过程的基础上，提出了基于无量纲数的模型试验相似性分析方法，通过Butterfield 量纲分析法建立了应用于土工离心机模拟盾构泥水劈裂的“隧道-土-泥水”系统相似性试验设计体系。该体系从尺寸、材料、无量纲数、时间等多方面保障了模型系统与原型系统的相似性，从而可以准确还原真实的盾构泥水劈裂物理过程。
泥水劈裂的物理过程主要包括启裂、伸展以及喷发过程。由于泥水具有一定粘度，在裂缝伸展过程中不仅受到重力、地层抗力、气舱压力等力的作用，同时也会受到粘滞力，摩擦力等力的作用。此外，裂缝表面流体的压力也会引起周边土体的变形与渗透作用，产生局部固结效应，各种力的相互作用在具有不同强度以及渗透特性的土体中可能会导致复杂的泥水流动现象。目前没有明确的物理数学模型描述这种复杂的耦合关系。因此，本文通过考虑泥水劈裂现象中涉及的关键无量纲数，明确盾构泥水劈裂离心模型试验需要满足的相似性条件，主要包括欧拉数、雷诺数、归一化速度和归一化时间。
研究结果显示盾构泥水劈裂离心模型试验中，材料关键物理力学参数如密度、泥水粘度、土体不排水抗剪强度等相似比例均为1:1。泥水劈裂宽度、长度等参数为宏观尺寸，相似比为1：N，而裂缝开度，粒径等参数为微观尺寸，相似比为1:1。
为验证本文提出的相似性准则，开展了软黏土地层盾构开挖面泥水劈裂的离心模型试验。试验设计离心加速度为100g，模型隧道的直径为120 mm，几何相似比为100。其中离心室中各装置设备如图1所示，主要包括离心机转臂上的气压系统和高频动态数采仪以及离心机吊篮里的泥水系统和模型箱装置。考虑模型试验的对称性，设计模型盾构机为封闭半圆形刚性装置紧贴土箱侧面布设，该侧面配有高强度、高透明度的有机玻璃窗，试验时可通过高清运动相机进行图像采集。
试验中观测到泥水从开始启裂出现裂缝到喷发至地表大概用时3~4秒的时间，伸展速度约为0.03-0.04m/s，与Yuan等人开展的1g模型试验（0.026m/s）以及刘学彦等人开展的现场泥水劈裂试验（0.034m/s）中测得的泥水伸展速度基本一致。泥水劈裂后裂缝形态如图2所示，结束后对裂缝形态进行测量得到裂隙开度约为1-3mm，考虑试验后裂缝有一定的收缩，实际劈裂过程中裂缝的开度应该在2-4mm左右，与前人观测到的裂缝宽度基本一致。若将离心试验测量得到的裂缝开度进行N倍缩放，意味着原型中的裂缝开度将达到0.2-0.4m，这在实际中显然是不存在的，因此进一步验证了本文建立相似关系的合理性。限于本文的篇幅，针对离心模型试验得到的新规律和新发现会在未来的研究中进一步开展。
