从国内外盾构的应用来看,大直径泥水平衡盾构的应用已经比较广泛,当大直径泥水平衡盾构在穿越粘土层、粉质粘土层及泥质粉砂岩等复杂地层的过程中,经常会面临刀盘结泥的难题。针对盾构刀盘结泥问题,许多研究人员对结泥的成因及其防治措施进行了研究,然而以往的这些研究大多采用经验法,对具体的结泥机理缺乏系统性研究。盾构刀盘结泥的成因主要有:大直径,地质原因,刀盘、刀具、冲刷系统的设计缺陷,施工控制因素等,本文从泥水流动的角度对盾构刀盘结泥问题进行分析,提出一种通过研究泥水仓内泥水的流动状态来研究结泥问题的途径,主要研究内容如下:(1)本文依托武汉三阳路隧道大直径泥水加压平衡盾构隧道工程,仅考虑盾构开挖面附近高密度泥水的流体特性及影响,采用流体计算软件CFX对盾构泥水仓内的泥水进行数值模拟分析,根据计算结果横向比对开挖面附近中间区域泥水流动状态,得出以下结论:相较于周围区域泥水流速,开挖面附近中间区域泥水速率极低,且流动紊乱,部分位置形成漩涡,造成能量损耗,在此情况下,刀盘中心区域可能出现结泥现象。(2)以Φ15.76m海瑞克泥水平衡盾构为原型,拟制作比例为1:10的缩尺模型,根据实际施工现场工况进行泥水运动形态试验。本文基于动力学相似关系原则设计出试验模型及边界条件,提出采用流场展示及粒子图像测速(PIV)试验方案进行试验,并对具体的试验设备及器材进行了详细的说明,制定了合理的试验方案。(3)以大直径泥水平衡盾构泥水仓内泥水的数值模拟为基础,在刀盘出现结泥现象与泥水流速大小关系密切的前提下,提出通过改变泥水仓内泥水流场分布、加快刀盘中心区域泥水流速的方针,制定出两种改进方案:(1)改造刀盘冲刷系统。针对三阳路隧道的实际施工状况,采用增加流量分配系统的方案,在不改变盾构机进口总流量的前提下,对刀盘上冲刷孔的位置、大小、流量分配进行改造,提出不同改造工况并进行数值模拟分析后,与实际施工现场的工况进行对比,选出开挖面附近中心区域泥水流动最活跃、流速最大的工况为最优工况(将冲刷口都设置于刀盘中间区域并增大流量的工况)。建议实际施工中按照此种工况设计冲刷孔的位置及流量分配,从而达到防止刀盘中心区域结泥的目的。(2)优化刀具。针对大直径泥水平衡盾构刀盘中心区域采用的刀具(滚刀)功能进行分析后,设计出两种不仅具有切削、搅拌泥土功能,还具有将刀盘中心区域的泥水向外输运功能的新型刀具,并详细介绍了两种新型刀具的设计方案及配置方案。