下卧泥岩富水圆砾地层盾构渣土改良技术研究

以南宁地铁5号线新秀公园站～广西大学站盾构区间为工程依托，开展下卧泥岩富水圆砾地层盾构渣土改良技术研究。以现场盾构排出渣土及改良剂作为试验材料，在初始改良渣土的基础上进行二次改良试验，根据坍落度试验结果及渣土状态分析理想渣土状态，通过计算得到建议改良参数。研究结果表明：下卧泥岩富水圆砾地层渣土理想坍落度范围为12～18 cm,每环盾构掘进过程中需要注入约1 010 L的水，泡沫原液用量16.7～30.48 L(浓度3%,发泡倍率15,注入比0～15%),采用建议改良参数后，掘进参数得到明显改善，渣土改良效果显著。     

南昌富水砂层渣土改良技术研究

以南昌地铁4号线3标段富水砂层为研究对象，对渣土改良试验进行分析，通过坍落度试验评价渣土改良效果；研究不同泡沫、膨润土泥浆及高分子聚合物注入率对改良后渣土流塑性影响，并确定不同改良剂最优掺量区间，提出富水砂层渣土改良技术方案，解决在盾构开挖掘进时容易造成螺旋机喷涌、掌子面压力不稳定以及刀具磨损等问题     

昆明富水圆砾地层盾构渣土塑流性指标与合理改良方案研究

为避免在昆明地区广布的富水圆砾地层掘进时出现盾构掘进参数不稳定、渣土状态不良、螺旋输送机喷涌等风险,依托昆明地铁4号线盾构工程开展了一系列渣土塑流性测试与盾构掘进参数分析,提出了盾构推力、刀盘转矩、掘进速度、土舱压力的合理范围与渣土塑流性指标"坍落度"的求解方法,进一步采用规划求解的方法优化了针对该地区富水圆砾地层的渣土改良方案,明确了不同级配渣土含水率和泡沫注入比的合适范围。现场应用结果表明,依据左右线试验段监测数据提出的优化渣土改良方案有着良好的适用性,有效地改良了盾构渣土状态并将盾构各项掘进参数控制在合理范围内,为盾构的安全、高效掘进及后续近距离顺利下穿昆明地铁2号线提供了重要保障。     

盾构隧道渣土改良理论与技术研究综述

土压平衡盾构在掘进过程中常遇到结"泥饼"、喷涌、刀具磨损等难题，需要对渣土进行合理改良，方可确保隧道顺畅掘进。常用的渣土改良剂有水、泡沫剂、分散剂、黏土矿物和絮凝剂，其中水和泡沫剂适用于各种地层，分散剂适用于黏性较大的地层，黏土矿物适用于缺乏细粒的颗粒土地层，而絮凝剂则适用于富水粗颗粒土地层，改良剂能够改变渣土的塑流性、渗透性、磨损性、黏附性、抗剪强度、压缩性等力学性质。针对盾构渣土改良难题，从渣土改良剂类型及技术参数、渣土改良评价指标及确定方法、改良黏性渣土力学行为、改良非/低黏性渣土力学行为、渣土改良下盾构掘进力学行为等5个方面，详细剖析了国内外盾构渣土改良理论和技术发展动态，总结既有研究不足之处。最后，提出了渣土改良研究方向建议：①水环境和温度对渣土改良效果影响；②黏性地层防"泥饼"新型改良剂的开发；③粗颗粒渣土改良技术；④渣土改良评价指标和体系的建立；⑤渣土改良作用下盾构掘进精细化数值模拟；⑥智能化渣土改良技术。     

土压盾构在富水粉砂地层中浓泥渣土改良技术研究

为解决土压盾构在富水粉砂地层掘进过程中存在的刀盘转矩过大、开挖面稳定难以控制及排土困难等问题,提高该地层盾构施工的安全性及稳定性,以无锡地铁3号线富水粉砂地层盾构区间为依托,提出土压盾构浓泥渣土改良技术,并开展土压盾构浓泥渣土改良现场试验,研究掘进过程中开挖面前地层中孔隙水压力、盾构掘进参数及地层沉降的变化规律。结果表明： 1）向开挖面注入4 m3/环泥浆后,能够将渣土的坍落度由原来的7.5 cm提高至14.5 cm,降低盾构闭舱和喷涌风险,且能减小土压、推力及转矩的变化波动; 2）浓泥浆在开挖面形成泥膜效应,可以有效降低掘进过程引起的孔隙水压力,最大可减小20 kPa。掘进完成地层稳定后,与未添加浓泥渣土改良掘进的地层相比,地表沉降值减小26.7%。     

土压平衡盾构在复合地层中渣土性质试验与改良技术研究

选择适当的土体改良材料使开挖土体达到塑性流动状态,为有效改善渣土流动性、降低喷涌量并减少刀具磨损,有必要开展复合地层渣土物理性质和改良技术研究。针对成都地铁10号线一期工程土压平衡盾构掘进过程中揭示的全风化、强风化和中等风化复合地层,定量分析地层条件对渣土性质的影响,定量研究不同配比的泡沫剂改良砂质、岩质渣土后塑流状混合物的含水率、坍落度等指标,提出基于地层及掘进参数的渣土改良施工参数的量化方法。结果表明:1)Swamee级配曲线方程对渣土颗粒级配的拟合效果较好,能比不均匀系数、曲率系数等参数更好地对不同渣样颗粒级配进行区分;2)富水渣样在泡沫剂发泡后的体积掺入量为40%时,改良后的渣土坍落度值为180~230 mm,能达到较好的流塑状态;3)级配方程实现了在全粒径范围内渣土颗粒主要几何参数分布的定量表示,可用于颗粒流与离散元的建模及反分析;4)利用Swamee级配曲线方程进行拟合效果最佳。     

富水砂卵石地层盾构施工渣土改良研究

针对成都地铁富水砂卵石地层中盾构施工渣土改良进行了室内试验研究,初步得出适合于该地层渣土改良剂的种类和配比,并通过现场应用确定砂卵石地层盾构施工渣土改良的合理配比,为其他类似地层盾构施工渣土改良提供一种参考。     

富水砂卵石地层大直径盾构渣土改良试验研究——以成都地铁17号线明九区间2~#风井——九江北站盾构工程为例

富水砂卵石地层大直径盾构施工过程中,易出现掌子面坍塌、喷涌、卵石沉舱以及螺旋出土器卡死等现象,同时,盾构转矩大,渣温高,一次性渣土改良体积大,使得对渣土改良的要求更加苛刻。为保证富水砂卵石地层土压平衡盾构的顺利进行,通过大量的室内试验对膨润土及泡沫剂最佳配比进行研究,并提出渣土改良剂的掺入体积分数及评价指标。研究发现:1)膨润土的漏斗黏度随钠基膨润土掺入体积分数的增加而增加; 2)泡沫溶液发泡倍数和半衰期均随着泡沫剂体积分数的增加而增加; 3)改良渣土流动性随着膨润土和泡沫剂掺入体积分数的增加而显著提高,渗透性随着膨润土掺入体积分数的增加而降低,随着泡沫剂掺入体积分数的增加而提高。建议:膨润土漏斗黏度不低于35 s,按照渣土体积的10%～12%掺入;泡沫剂发泡倍数控制在15倍,按照渣土体积的20%掺入。通过现场实际渣土取样以及掘进参数分析验证了渣土改良的效果。     

基于随机森林算法的盾构改良渣土渗透系数预测及工程应用

为解决土压平衡盾构在富水粗粒土地层掘进时，由于盾构渣土渗透性较高而引起螺旋输送机出口处易出现喷涌等风险问题，基于随机森林算法，选取渣土改良参数包括含水率、泡沫注入比、膨润土泥浆注入比以及掘进地层参数土体有效粒径、水力梯度作为模型输入参数，提出一套适用于盾构渣土渗透系数预测的模型。研究结果表明： 该模型预测精度较高，渣土渗透系数预测值与实测值均位于同一数量级，且均方误差仅为2.4×10-9 cm/s，拟合决定系数可达0.981 9。依托滇中引水龙泉倒虹吸盾构隧洞工程进行应用，对下穿盘龙江喷涌风险源进行判定，并基于该预测模型给出推荐改良参数。在采用推荐改良参数后，盾构下穿过程中渣土渗透系数满足要求，土舱压力稳定，且对上部桥梁结构影响较小，保障了盾构安全、高效掘进。     

基于BP神经网络的富水砂层渣土改良试验效果预测

在地铁隧道建设过程中，渣土改良效果是影响盾构掘进速度的关键因素。为确保盾构顺利掘进，以坍落度试验、渗透试验和电阻率测试的结果作为数据样本集，根据深度学习领域常用的数据划分方法将训练集、验证集和预测集按照6∶2∶2进行划分，基于BP神经网络建立渣土改良效果的预测模型，对南昌地区富水砂层进行渣土改良效果预测，并将预测值和实际值进行对比分析。研究结果表明： 坍落度、渗透系数、内摩擦角在模型学习过程中的平均预测值分别为1728 mm、3355×10-6 cm/s、216°，相对误差平均值分别为176%、453%和360%； 预测集的输出结果与实测值的部分数据重合，三者的平均误差均在5%以内，可决系数R2值分别为088、090和085，表明该神经网络结构属于高精度模型。预测结果的误差均在现场渣土改良的允许误差范围内，可见BP神经网络模型能够对渣土改良的效果进行精准预测。     

砂性地层土压平衡盾构渣土改良试验研究

土压平衡盾构在砂性地层中施工时,土舱内的土体很难形成塑性流动状态,土舱压力平衡难以建立,易导致开挖面失稳崩塌、排土不顺畅、地表变形过大等影响盾构推进的问题。为确保盾构顺利推进,找出适应于该地层的改良剂及改良参数,对砂性地层土体改良进行研究。针对砂性地层采用添加泡沫剂和膨润土等方法进行改良,分析泡沫半衰期及发泡倍率随泡沫浓度变化的规律,膨润土泥浆黏度及相对密度随泥浆浓度变化规律,找出泡沫剂最优发泡浓度及膨润土最佳浓度,通过坍落度试验确定改良剂注入比,通过现场掘进试验分析改良效果,研究出适用于砂性地层的渣土改良方案。     

富水圆砾地层盾构渣土改良技术研究

为解决土压平衡盾构在富水圆砾地层中渣土不易改良及易喷涌问题,采用昆明地铁4 号线圆砾土作为试验材料,以膨润土泥 浆、羧甲基纤维素(CMC)与聚丙烯酰胺溶液(PAM)作为主要改良材料,泡沫作为辅助改良材料开展室内改良渣土坍落度和常水头渗透性试验。试验结果表明: 1)在塑流性方面,仅用泥浆或泥浆与CMC 混合改良时,圆砾土流动性过大; PAM 加入到泥浆改良渣土中时,能够提高渣土的塑流性; 泡沫的掺入对泥浆和PAM 共同改良渣土的塑流性无影响。2)在渗透性方面,CMC、膨润土泥浆和PAM 均可有效改善渣土渗透性,且渗透系数随着注入比的增加而增大; 泡沫的掺入对泥浆和PAM 共同改良渣土的渗透性无影响。根据试验结果可知: 当地下水头约为25 m 时,可将膨润土泥浆配比1 ∶ 4(1%CMC)、膨润土泥浆注入比(BIR)= 25%、PAM 注入比(PIR)= 12. 5%、泡沫注入比(FIR)= 20%或膨润土泥浆配比1 ∶ 3、BIR= 25%、PIR= 7. 5%、FIR= 20%作为此圆砾地层的渣土改良参数。     

高水压高渗透砂性地层土压平衡盾构施工渣土改良技术研究

为防止福州地铁1号线上藤站-达道站区间土压平衡盾构在高水压高渗透砂性地层掘进时发生喷涌事故,采用纳基膨润土、CMC、聚丙烯酰胺等作为主要改良材料,开展系统渣土改良室内及现场试验工作,研究土压平衡盾构穿越高水压高渗透性地层渣土改良综合解决方案。结果表明： 在单独使用某一种改良材料时,渣土改良效果并不明显; 采用钠基膨润土-CMC混合浆液可改良渣土的和易性与渗透性,但在可用掺加比范围内无法满足坍落度要求; 聚丙烯酰胺溶液与钠基膨润土-CMC混合浆液配合使用时,对过饱和中砂的和易性以及渗透性等改良效果显著; 针对福州地铁区间段高水压高渗透砂性地层,可采用1∶10质量分数膨润土、5‰质量分数CMC混合浆液按照10∶2.5掺加比配合3%质量分数聚丙烯酰胺溶液按100∶5掺加比改良渣土,通过现场抽样检测,验证此渣土改良方案的有效性。     

富水砂卵石地层盾构专用碴土改良剂的研制及应用

针对砂卵石地层黏聚力小、内摩擦角大、渗透系数大、流动性和稳定性差等特性所导致的土压平衡盾构掘进中易发生掌子面坍塌、喷涌等难题,研制富水砂卵石地层专用聚合型泡沫剂PSA,并在全断面富水砂卵石地层进行应用。应用结果表明： 聚合型泡沫剂PSA在全断面富水砂卵石地层的碴土改良效果与现场使用的进口泡沫剂相当,明显优于国产其他品牌的泡沫剂改良效果,满足全断面砂卵石地层盾构施工对碴土改良的要求。使用聚合型泡沫剂PSA每环可节约9.5%左右的材料用量,经济优势明显,具有广泛的推广应用价值。     

砂卵石地层土压平衡盾构渣土改良难易分类机制研究

针对砂卵石地层中卵石含量高、粒径大、强度高等特点导致土压平衡盾构掘进施工故障多、渣土改良难度大问题，首先，将砂卵石粒径分为≤2 mm细粒和＞2 mm卵砾石粗粒2部分，建立砂卵石渣土中细粒填充并包裹粗料形成的孔隙的二相体物理模型，推导细粒填充包裹粗粒孔隙的临界细粒质量分数；其次，根据该细粒临界质量分数和室内砂卵石渣土改良试验，将砂卵石渣土分为改良容易型、改良较困难型、改良困难型3类，并分别建议相应的渣土改良措施： 稳定性泡沫剂单掺方式、膨润土泥浆+泡沫剂复合掺入方式、泡沫+膨润土泥浆+聚合物复合掺入方式；最后，结合成都地铁17号线某区间盾构掘进渣土改良指导前、后渣土状态和掘进参数对比，初步验证建立的砂卵石渣土改良难易分类机制的合理性。     

泥水盾构掘进砂卵石夹黏土地层泥饼处置技术研究

为解决泥水盾构在含黏性土的地层中掘进时，因刀盘易结泥饼而引发的刀具切削能力下降、渣土滞排等降低盾构掘进效率的问题，依托北京南水北调配套工程泥水盾构施工实例，结合富水砂卵石夹黏土地层中的盾构掘进参数和地层岩性变化趋势，分析刀盘出现结泥饼的具体表现，提出将刀盘转矩与贯入度、推力与贯入度的比值作为判别刀盘是否结泥饼的指标；开展双氧水、Ⅰ型和Ⅱ型分散剂泥饼浸泡试验，最终比选出效果较好的Ⅱ型分散剂进行刀盘泡舱处理，有效地软化了泥饼，使得盾构得以顺利掘进。     

基于坍落度的砂卵石地层土压平衡盾构渣土改良配方研究

针对成都轨道交通17号线一期工程土压平衡盾构法施工在砂卵石地层中遇到的难题，如螺旋输送机喷涌导致开挖面压力失控、卵石堆积于压力舱底部滞排等，采用膨润土和泡沫剂等对现场砂卵石进行室内渣土改良试验。结果表明： 1)改良剂的优化配比膨润土掺入质量比为5%，泡沫掺入体积比为10%~30%，即可使渣土的坍落度、和易性、抗渗性均保持良好，达到塑性流动状态。2)以渣土的坍落度在150~200 mm且无离析为改良的前提条件，以最小膨润土使用量为优化目的，建立砂卵石渣土坍落度与改良剂膨润土和水掺入量之间的三维曲面图，根据离析与非离析区域边界确定膨润土泥浆最经济的膨水比为1∶6。将试验结果应用于该工程的砂卵石地层土压盾构工程实践，掘进效率以及盾构工作的安全性得到显著提高。     

郑州地铁砂性地层盾构长距离掘进技术研究

为解决盾构在砂性地层中长距离掘进可能存在的风险难题,以郑州地铁1号线2期工程为背景,分析盾构在砂性地层长距离掘进施工中可能存在的风险,在盾构掘进前针对所穿越地层的物理力学参数从耐磨性、刀盘开口率等方面对盾构进行适应性设计,在盾构掘进过程中通过现场试验确定合理的土体改良措施和注浆参数,最终顺利完成掘进。结果表明:采取上述技术措施能够有效提高盾构在砂性地层中的耐磨性和掘进效率并且控制了地表沉降,从而克服了盾构在砂性地层中长距离掘进的施工风险。