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。     

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。     

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。     

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。     

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     

富水圆砾地层盾构施工关键技术研究

圆砾地层是南宁地区的典型地层,具有强度较高、透水性强、自稳性差、分布范围连续等特殊的工程特点。盾构机在穿越全断面圆砾层时,极易发生严重的工程事故。本文对南宁市典型富水圆砾地层下的盾构施工关键技术进行了研究和讨论:(1)圆砾地层盾构机选型技术方面,采用复合式土压盾构机;(2)开挖面支护压力控制方面,通过现场试验得出不同地层单元细分土仓压力控制值;(3)富水圆砾地层盾构全过程掘进方面,对带压换刀和盾构始发技术进行了优化和详细讨论。     

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。     

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。     

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。     

富水圆砾地层盾构隧道穿越建筑物安全问题研究

本文针对富水圆砾地层盾构隧道穿越构筑物安全问题进行研究,以南宁轨道交通1号线盾构隧道工程为背景,针对南宁1号线周边复杂环境特点,基于微扰动控制理念,提出富水圆砾地层盾构穿越构筑物扰动指标体系,形成了不同情况下盾构隧道安全穿越核心技术,并通过有限元数值模拟来对比分析实际施工过程中对周围环境的影响,结果表明:数值模拟实验能较好地还原隧道掘进过程及对周边环境的影响,可以根据数值模拟的结果,对之后的隧道开挖进行提前模拟和指导。对构筑物扰动指标体系及风险划分有助于系统地分析富水圆砾地层盾构穿越构筑物的影响,可以很好地把握施工的风险点。     

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。     

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%。     

复合地层双模盾构风险分析与针对性设计

为解决富水圆砾—泥岩复合地层采用双模盾构的适应性设计问题，依托南宁市轨道交通5号线五一立交站—新秀公园站隧道工程，针对穿越邕江、下穿浅基础建筑物、圆砾—泥岩复合地层中地表沉降和刀盘固结泥饼等施工风险，提出泥水/土压双模盾构结构和功能系统的针对性设计。在结构设计方面，双模盾构增设气垫仓稳定泥水压力，并配合排浆口优化设计实现了对地层沉降的稳定控制；加设中心面板和扭腿冲刷及“P0泵小循环”系统降低泥饼形成概率；优化的螺旋输送机设计减小喷涌压力，与邻近线路相比，过江段掘进速率提高近1倍。在功能性系统方面，实现泥水和土压2种排渣体系的快速转换；推进系统总推力达39 910 kN，满足不同掘进状态的需要；通过注浆系统与合理掘进参数实现对地表沉降的严格控制。     

富水砂层盾构隧道双液浆属性与施工进度关系研究

为实现富水砂层盾构快速施工,将双液浆首次应用于苏州富水砂层盾构施工中,结合苏州地铁5号线实际监测数据,研究浆液凝胶时间与盾构掘进速度之间的关系,选出浆液各项参数的合理范围,并提出一套切实可行的选型配比方案,实现了浆液凝胶时间100s以内的精确可控,成功解决了以往注单液浆管片上浮、沉降过大以及掘进速度慢等问题。     

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。     

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。     

富水圆砾地层土压平衡盾构停机地层变形特征实测分析

为分析盾构停机期间地层变形规律,依托某富水圆砾地层地铁区间盾构工程,对盾构停机前后地层沉降变形和掘进参数变化进行监测和研究,并计算单纯由盾体下卧层压缩引起的地层沉降。结果表明:盾构停机对盾体前方土体沉降变形影响更大,且沉降速率与停机时间密切相关;盾体后方土体沉降主要受盾构掘进地层损失影响,其沉降逐渐稳定,且土层深度越浅沉降越早稳定;对于近距离盾构下穿施工,下穿前停机造成的影响比下穿后停机造成的影响更大;盾构停机复推时由于总推力和上土舱压力大幅增大,地层沉降曲线出现先隆起再下沉的波动,深层沉降波动幅度显著大于地表沉降,表明富水圆砾地层盾构停机会放大对邻近深层土体的扰动影响,在盾构近距离下穿既有地下工程施工过程中应尽量避免停机。     

高富水砂性土层中盾构掘进的渣土改良技术实践

针对上海轨道交通9号线南延伸松江体育中心站—醉白池站盾构区间隧道在高富水砂性土层中盾构掘进出现的喷水涌砂等问题进行了原因分析,同时提出了使用高分子聚合物改良渣土性能,较好地解决了喷水涌砂问题,为在高富水砂性土层中盾构掘进提供了宝贵的借鉴经验。     

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。     

基于宾汉姆流体的土压平衡盾构螺旋输送机排土量研究

为确保土压平衡盾构掘进过程中有效控制排土量,须考虑螺旋输送机构造特征和渣土性质对其影响。将改良后流塑性状态的渣土假设为宾汉姆流体,并基于螺旋输送机构造沿其螺旋排土方向展开成一长条形的长方体排土模型的基础上推导盾构螺旋输送机的理论排土量计算公式。通过对排土量影响因素进行分析表明： 1）排土量受开挖面支护压力、渣土的初始剪切屈服应力影响较大,而受渣土的塑性黏度影响较小; 2）随着隧道埋深和开挖面支护压力的增加,改良渣土的流塑性降低。将该理论成果应用于指导广州地铁21号线浅覆土全断面砂土地层某区间隧道盾构掘进中的渣土改良,开挖面支护压力保持了稳定,地表沉降控制为5 mm。