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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

盾构泡沫改良砂性渣土渗透性及其受流塑性和水压力影响特征研究

为了保证富水砂性地层土压平衡盾构安全掘进,渣土不仅需有良好的流塑性,还需具备较强抗渗性以避免喷涌发生。结合坍落度试验和渗流试验,研究泡沫改良砂性渣土渗流特征及其受流塑性和水压力的影响规律。根据渣土流塑性、析水或析泡沫状态,将改良渣土分为欠改良、流塑性合适、流动性合适但析水、流动性过大(可能析泡沫)和流动性过大且析水等5种状态。通过长时间渗流试验表明,泡沫改良渣土一般经历初始渗流稳定期、快速发展期和缓慢发展期等3个时期。泡沫注入比增大会使渣土抗渗性增强,含水率适当增大也会增强抗渗性,但含水率过大反而会减弱抗渗性。欠改良的渣土初期渗透系数均大于工程要求值10-5 m·s-1,且没有初始渗流稳定期;流塑性合适和流动性过大(可能析泡沫)的渣土初期渗透系数小于10-5 m·s-1,且初始渗流稳定期长;渣土析水量较小(包括流动性合适但析水和部分流动性过大且析水)的渣土渗流特征与流塑性合适的渣土类似,但析水量较大的渣土初期渗透系数均大于工程要求值且无渗流稳定期。最后,通过变化渣土渗流试验水压力发现,随着水压力增大,渣土改良后初期渗透系数降低和渗流稳定期缩短,改良参数的合适范围随着水压力的增大而缩小;当水压力大于一定值后,泡沫改良砂性渣土渗透性不能满足工程要求。     

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。     

富水砂层合理注浆终压室内试验

在富水砂层注浆加固工程中,浆脉对砂层的挤密作用对加固后的工作面稳定性和稳定时长具有控制性作用,注浆终压是形成挤密作用的关键参数,合理的注浆终压能够使注浆效果达到最佳,同时减少注浆量和地表抬升变形。选取青岛地区含黏性土砂层作为典型地层,采用一维排水固结压缩模拟浆脉挤密砂层过程,设计了一套测定渗透系数和稳定时长的试验装置,研究了渗透系数和稳定时长随固结压力的变化规律;并基于普氏自然平衡拱理论,验证了不同固结压力条件下砂层的稳定性。研究结果表明：当固结压力超过800 kPa时,固结压力的增加对砂层渗透系数及稳定时长的影响变得不显著;对于青岛地区标准单洞地铁隧道断面,当固结压力超过700 kPa时,可保证被挤密砂层的抗剪强度满足开挖自稳要求,因此,综合确定800 kPa为青岛地区该类富水砂层的合理注浆终压。研究成果应用于青岛地铁13号线灵-黄区间暗挖隧道富水砂层加固治理工程中,验证了理论成果的正确性,对浅埋暗挖隧道富水砂层灾害控制理论研究和工程实践具有一定指导意义。     

粉质黏土地层基坑渣土免烧砖配比及力学性能研究

基坑开挖过程中会产生大量渣土，为降低基坑渣土堆积、外运等对城市环境的影响，有必要对基坑渣土进行免烧砖制作技术研究。依托杭州地铁10号线某工区，基于均匀试验方法，设计并开展以粉质黏土为主要原料、水泥为胶凝材料、细砂为级配增强材料制备渣土免烧砖的配比试验，通过对试验结果进行线性回归和单因素分析，探究各因素对试样耐水性和抗压强度的影响规律。研究结果表明： 采用粉质黏土地层基坑渣土制备的免烧砖，其软化系数随水泥和细砂占比增加而增大； 7 d抗压强度和28 d抗压强度随水泥占比增加而增大，随秸秆纤维占比增加而减小。在采用较优材料配比时，制得免烧砖软化系数大于0.8，7 d及28 d抗压强度均大于10 MPa，达到JC/T 422—2007《非烧结垃圾尾矿砖》MU10等级要求。     

三轴搅拌桩施工参数对富水砂层不同地层桩身抗压强度影响研究

采用现场试验方法，研究地铁车站止水帷幕在富水砂层中不同地层条件下，设定不同三轴搅拌桩施工参数对成桩桩身无侧限抗压强度的影响，结果表明:针对不同地层设置不同施工参数，成桩质量效果良好。     

富水砂层预应力锚索施工防塌孔辅助注浆技术

以郑州航空港冀州路基坑支护工程为依托,提出一种富水砂层预应力锚索施工防塌孔辅助注浆方法,采取后退式分段注浆工艺,向砂层中的锚孔影响区注射化学浆液,利用浆液的渗透胶结作用,提升砂层的抗渗性能和稳定性。采用该技术有效解决了富水砂层锚孔施工涌水涌砂问题,提升了锚索施工质量,具有施工快捷、安全环保、成本低等特点。     

富水粉细砂层隧道开挖坍塌的加固技术研究及效果分析

针对富水粉细砂层隧道开挖引发典型坍塌问题，采用现场勘查、理论分析、室内试验和数据监测等手段，对桃树坪隧道塌方处地表和双向开挖掌子面提出科学治理方案。通过注浆填充率、P-Q-t曲线及注浆效果分析。结果表明:由于坍塌处地层有一定的吸浆能力，虽注浆量逐渐减少，但其抗压逐渐增大，地层得到挤密性加固。注浆后砂层自稳能力明显增强，在稳定性增强的情况下，塌方后的支护体系比塌方前的支护体系增强很多。管棚的数量相对于原管棚设计根数有所减少，但是单根的强度比原设计的管棚单根强度有所增强，管棚施工间距超出设计间距10 cm，可通过超前密排小导管预注浆补强。     

复合地层中不同盾构掘进参数下碴土的颗粒特征研究

为定量研究盾构掘进复合地层时掘进参数对碴土颗粒级配特征的影响,以试验研究和统计分析为手段,得到掘进参数和颗粒特征之间的量化规律。首先,通过开展现场掘进试验,在不同有效推力和刀盘转速下实地采取碴样颗粒; 然后,对颗粒筛分结果进行统计分析,提出碴土颗粒级配预测方程; 最后,对级配预测方程的系数进行多元回归预测和影响性分析,定量研究方程系数和掘进参数之间的相关性。研究结果表明： 1）当盾构刀盘转速或盾构有效推力增大时,碴样特征粒径减小,碴土中的粗颗粒含量降低,细颗粒含量增大,碴样粒度分布范围增宽; 2）碴土颗粒的粒径存在上限,Rosin Rammler分布函数更加适用于盾构破岩颗粒级配特征分析; 3）在一定掘进参数范围内,盾构碴土颗粒级配方程系数的预测模型预测精度较高,能够较好地反映工程实践中掘进参数对方程系数的影响。     

不同工艺制备的花岗岩洞渣机制砂特性及混凝土性能比较

为掌握隧道洞渣采用不同干法工艺制备的机制砂品质特性及对混凝土性能的影响，测定砂石联产干法工艺机制砂（代号CMS）和制砂楼单产干法工艺机制砂（代号SMS）的性能指标，对比研究CMS和SMS 2种机制砂配制的C35混凝土的工作性、抗压强度、干缩和抗冻性及石粉含量在5%~14%变化对混凝土性能的影响。结果表明： 1）SMS机制砂的亚甲蓝（MB）值、压碎指标等核心指标显著优于CMS机制砂； 2）相同石粉含量下，CMS机制砂混凝土达到同等工作性所需减水剂掺量显著高于SMS机制砂混凝土，抗压强度、抗冻性能低于SMS机制砂混凝土，干缩率高于SMS机制砂混凝土； 3）石粉含量增加对CMS机制砂和SMS机制砂的MB值及混凝土的工作性、强度和耐久性的影响规律和程度有明显不同，建议SMS机制砂中允许石粉含量为10%，CMS机制砂允许石粉含量为5%。     

泥水盾构管材在渣浆中冲蚀磨损试验研究

为揭示泥水盾构管路材料在渣浆冲蚀下的磨损规律，利用自主设计的试验装置，通过室内试验测试渣浆的磨蚀特性，分析泥浆黏度、砂石体积分数、泥浆相对静压、浆体流速以及冲击方向对靶材磨蚀的影响。试验表明： 1）泥浆黏度在工程现场允许范围内的变化，对含有小粒径渣土泥浆的磨蚀特性影响可以忽略不计； 2）随着砂石体积分数的增加，特别是在高泥浆流速状态下，对磨片的磨蚀作用大幅度增加； 3）泥浆相对静压的增加使得携带小粒径渣土的泥浆对磨片具有更强的冲蚀磨损； 4）垂直于旋转方向的磨片磨蚀率大于平行于旋转方向的磨片磨蚀率。