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。     

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。     

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。     

南昌复合地层盾构渣土改良技术

为解决在南昌富水条件下砂层与泥质粉砂岩复合地层中喷涌、结"泥饼"、渣土"流塑性差、含水量高、渗透系数大"等施工难点,以南昌地铁1号线中子(中山西路站—子固路站)区间、八八(八一广场站—八一馆站)区间盾构施工为背景,通过数据统计及案例分析,得出液态高分子聚合物可作为抑制喷涌常态措施,泥质粉砂岩及富水砾砂层地质条件下,选取泡沫剂作为渣土改良添加剂,在砂砾石与泥质粉砂岩的复合地层,可考虑添加一定量的膨润土或高分子聚合物,解决砂砾石地层中渣土流动性差、防喷涌及粉质泥沙岩中结"泥饼"等问题。砂砾层体积与渣土总体积之比小于等于1/3时,渣土改良方式采用泡沫剂与分散剂溶液;大于1/3而小于2/3时,改良方式采用膨润土与泡沫剂溶液;大于等于2/3时,改良方式采用水土比8∶1膨润土与浓度为3%泡沫剂溶液,但膨润土用量应增加。     

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。     

土压平衡盾构在砂层中掘进的渣土改良技术

渣土改良技术是土压平衡盾构在砂层中掘进的关键。结合南昌、郑州和西安地铁区间隧道盾构施工实例,对土压平衡盾构砂性地层改良技术的应用进行系统的调查研究,采用膨润土泥浆、泡沫剂、聚合物等添加剂对不同的砂性地层进行渣土改良,分析膨润土泥浆、泡沫剂、泥浆与泡沫剂相结合、泥浆与聚合物相结合等对砂性地层改良的作用机制和特点,总结盾构在不同砂性地层中掘进采取的渣土改良技术措施,指出渣土改良技术目前的使用及研究现状,以期为今后类似工程提供参考和借鉴。     

盾构砂性渣土-泡沫混合物渗透性影响因素研究

渣土改良是确保土压平衡盾构在砂性地层中安全高效掘进的重要措施。目前盾构渣土常用的改良剂是泡沫剂,泡沫与砂性渣土混合后能有效降低刀盘扭矩、提高渣土的抗渗性。为研究盾构砂性渣土-泡沫混合物渗透性的影响因素,通过常水头渗透试验,从砂土级配、泡沫剂体积分数以及泡沫注入体积比3个方面分析混合物渗透系数的变化规律。结果显示： 1）混合物的渗透系数与等效粒径d20呈正相关变化; 2）随着时间的增加,混合物的渗透系数K20逐渐增加; 3）随着泡沫剂体积分数的增大,混合物的渗透系数先减小后增大; 4）当泡沫的注入体积比达到一定值时,混合物的渗透系数趋于稳定。     

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。     

浅谈全断面富水砂卵石层盾构施工技术

全断面富水砂卵石地层基本结构松散、胶结程度差,当采用土压平衡盾构施工时,土舱内很难形成流塑性较好的土体,给盾构施工带来诸多困难.结合西安地铁二号线南延段盾构隧道工程,总结了在全断面富水砂卵石地层中盾构施工的关键技术,提出了采用膨润土在该地层中进行土体改良的技术措施.盾构在富水地层施工时防水是重点,盾尾间隙控制和油脂注入量控制是关键.     

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。     

富水砂层土压平衡盾构渣土改良试验研究

富水砂层由于其高渗透性、高含水率及高摩擦角等特性，在盾构开挖时常面临喷涌、刀具磨损严重及掌子面压力不均等难题。依托南昌地铁4号线七里站至民园路西站高渗透富水砂层区间隧道工程，为确定最优膨润土泥浆改良参数，通过室内试验测试膨润土泥浆性能及渣土改良，确定合理膨润土泥浆黏度和盾构膨润土泥浆性能参数及高承压水砂层改良方案。研究结果表明：采用膨润土泥浆配比为1∶8，对应黏度约为22 mPa·s，改良效果较好；砂土中含水量可促进膨润土泥浆改善渣土流动性；对上述膨润土泥浆配比，当膨润土泥浆注入率为10%、聚合物注入比为1%时，改良后的渣土具有很好的流塑性和较低的渗透性。现场渣土改良结果也表明，采用上述渣土改良方案，可以有效降低刀盘扭矩和盾构机总推力、提高盾构掘进速度。     

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。     

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。     

大粒径富水卵石、漂石土地层大直径土压盾构掘进关键技术

为解决大直径土压盾构在大粒径富水卵石、漂石土地层条件下刀盘刀具磨损严重、刀盘被卡、地表塌陷、渣土喷涌等工程难题,结合都四山地轨道交通项目DSZQ-1标永丰站—蒲阳站区间盾构隧道工程的施工情况,从盾构选型设计、超前地质预警处理、掘进参数选择、渣土改良、螺机防喷涌等方面进行研究,总结出都江堰地区大粒径富水卵石、漂石土地层大直径土压盾构掘进关键技术,为后续工程在此类地层施工提供了借鉴依据。     

膨润土泥浆改良土压盾构粉细砂渣土流动性机制分析

为了揭示膨润土泥浆改良土压盾构粉细砂地层渣土流动性机制，采用跳桌和十字板剪切仪分别测试改良后渣土的流动度和剪切参数变化规律，分析改良粉细砂渣土剪切应力-应变关系和流变模型。结果表明： 1）采用膨水比为1[KG-*4]∶[KG-*4]4的泥浆掺入质量比7%~13%、膨水比为1[KG-*4]∶[KG-*4]6的泥浆掺入质量比7%以及两者之间的配比和掺量，改良粉细砂渣土可以满足其流动性的要求； 2）仅添加对应量的自由水来改良粉细砂渣土的流动性，无法达到良好的效果； 3）随着泥浆掺入质量比的提高和膨水比的降低，改良渣土的流动度显著增大，且其流动度与剪切应力大小存在负相关关系； 4）采用膨润土泥浆改良后的粉细砂渣土符合Bingham模型，塑性黏度和屈服应力的降低是其流动性增大的根本原因。     

成都地铁盾构选型设计及实用性比较

成都地铁1号线和2号线一期,均用"国外盾构"完成隧道施工。面对成都隧道地质的复杂性、特别是盾构施工大面积富水砂卵石地层的世界难题,同时因"国外盾构"在地铁1号线和2号线使用中存在适应性不足及难以改进,在充分汲收实践经验的基础上,决定设计制造国产化的"中铁盾构"。重点有针对性地对盾构主驱动及刀盘设计、开口率、渣土改良、螺旋输送机系统等进行优化设计研究。通过与"国外盾构"历时2年的对比实践验证,"中铁盾构"能够在全断面富水砂卵石地层长距离持续掘进,安全优质、高效可控,具有更强的适应性和更高的可靠性。     

盾构施工新型防结泥饼泡沫剂的研制与应用

针对黏性土层内摩擦角小、黏聚力大、渗透系数低等特点所导致的土压平衡盾构掘进中易发生土体黏附刀盘、土舱结饼堵塞等难题，研制黏土地层专用分散型泡沫剂DCA，并在高液限、强塑性黏性土地层盾构区间进行应用。通过对新型泡沫剂应用期间盾构掘进参数分析以及与同种地层其他泡沫剂的使用情况对比，对泡沫剂的应用效果进行评价。应用结果表明： 1）分散型泡沫剂DCA的碴土改良效果与现场使用的某进口泡沫剂相当，产品性能优于国内同类产品，满足强风化泥岩地层及砂卵石夹泥岩复合地层盾构施工对碴土改良的要求； 2）使用分散型泡沫剂DCA每环可节省10%~15%的材料用量，成本较优，经济效益明显，具有广泛的推广应用价值。     

基于盾构掘进效果的富水砾砂地层渣土改良试验研究

为解决土压平衡盾构在富水砾砂地层中掘进时螺旋输送机出口易发生喷涌的难题，依托昆明地铁4号线盾构隧道工程，开展富水砾砂地层渣土改良研究。首先通过大型渗透试验评价地层的渗透性，然后对试验段内每环的渣土进行坍落度试验，分析渣土改良对盾构掘进参数的影响，检验并评价渣土改良的实际效果，进而给出昆明地区富水砾砂地层的合理改良建议。研究结果表明： 1）昆明地区砾砂土的坍落度与含水率呈明显的正相关关系，而其渗透系数随测试时间的增加而降低，在2 h后减小为0； 2）塑流性较好的渣土对应着较低的刀盘转矩、推力和较高的掘进速度； 3）通过对掘进参数的分析可知，坍落度达到5~10 cm即可满足施工要求。