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。     

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。     

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。     

跨海隧道泥水盾构泥浆劣化试验研究

为解决泥水盾构在海底掘进时海水及含盐地层侵入导致泥浆性质劣化的问题，以厦门地铁3号线五缘湾站—刘五店站（五刘区间）海底隧道工程为依托，通过膨胀指数试验分析淡水、海水及NaCl溶液膨化造浆的区别，并通过海水混入淡水泥浆试验分析海水对泥浆性质的影响。试验结果表明： 1）相较于淡水造浆，利用海水或NaCl溶液造浆会使膨润土泥浆的电位显著降低，膨润土的膨胀性变差，甚至几乎不能膨化； 2）向膨水质量比为1∶10的淡水泥浆中添加海水，当海水添加质量达到泥浆质量的10%时，泥浆便分层离析、泌水； 3）添加羧甲基纤维素钠（CMC）和HS－3均能提高泥浆稳定性，增加泥浆黏度，降低海水混入时泥浆泌水率。基于以上研究成果，厦门地铁3号线五刘区间采用CMC和HS－3复合改性泥浆实现安全顺利穿越富水高渗透地层。     

泡沫-泥浆-聚合物组合改良粗粒土塑流性及渗透性特征研究

土压平衡盾构在富水粗粒土地层中掘进时易发生喷涌现象，仅采用泡沫改良往往无法满足渣土抗渗性要求，膨润土泥浆虽能增强泡沫堵水效果，且具有一定的稳泡作用，但在水压较高、颗粒较粗的条件下泥浆容易流失，需引入高分子聚合物进行组合改良。针对泡沫-膨润土泥浆-聚丙烯酰胺(PAM)组合改良砾砂，开展坍落度试验与渗透试验。试验结果表明：黏性较小的泡沫与膨润土泥浆难以稳定赋存在砾砂的较大孔隙中，改良土呈散粒状且易析浆、析泡沫；加入高分子聚合物能将土颗粒聚团并减小土体内摩擦角，从而提高改良土塑性及流动性，避免析浆、析泡沫。高分子聚合物含量较低时膨润土泥浆与泡沫在渗流过程中容易流失，改良土渗透系数将在短时间内突破10^-4 m·s^-1,不满足盾构掘进过程中渣土渗透系数小于10^-5 m·s^-1的持续时间要大于90 min的抗渗要求；增加高分子聚合物含量能延长渗透系数初始稳定期并显著减小渗流末期渗透系数，改良土渗透系数能长期稳定在10^-5 m·s^-1以下，且高分子聚合物含量越高，渗透系...     

可替代膨润土制作泥浆的新型添加剂

正日本土木工程添加剂制造商Geox开发了一种添加剂"B-141",可以用少量的材料制造大量用于地下开挖工程的泥浆。泥水平衡盾构使用加压泥浆作为支护材料。泥浆被送入泥水舱后,在开挖面上形成不透水的泥膜,通过该泥膜作用于开挖面的水土压力以平衡开挖面,而且渣土也更容易排出。加压泥浆一般是由膨润土粉末和水混合制成(通常为膨润土悬浮液)。B-141添加剂是在制作纸尿裤的高分子聚合物基础上改良得到的液体化学物质。使用B-141添加剂制作泥浆,所需材料的质量只需膨润土制作泥浆时的1/50。     

低液限粉土路基复掺改良试验研究

采用正交试验和极差分析法,对低液限粉土进行复掺改性试验,结果表明掺加膨润土能明显改善粉土的密实度,掺量为9%时干密度和回弹模量达到最大值;对低液限粉土进行强度及压缩性复掺改良试验,并通过极差分析计算,确定低液限粉土的最佳改良掺比为水泥4%+水玻璃∶氯化钙=3∶1+石灰4%+聚丙烯纤维0.3%;在复掺配比的基础上进行掺入和未掺入膨润土物理力学参数对比,掺入9%膨润土后粉土的抗弯沉性能更佳,最佳复掺配比为水泥4%+水玻璃∶氯化钙=3∶1+石灰4%+聚丙烯纤维0.3%+膨润土9%。     

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。     

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。     

废弃黏土在泥水盾构泥浆配制中的再利用研究

南京纬三路过江通道在竖井施工和盾构始发段掘进过程中产生了大量废弃的黏土,如何经济环保地处理废弃土成为工程面临的一大难题。工程盾构段约40%的地层是粉细砂地层,该地层对泥浆指标要求较低,考虑利用废弃黏土来配制掘进泥浆。采用填土、淤泥质粉质黏土、膨润土分别与泥浆增黏剂混合配浆,使用自制的泥浆渗透仪测定泥浆的滤失量和成膜质量,最后结合现场施工监测数据验证泥浆配比的可行性。结果表明,采用始发段废弃淤泥质粉质黏土配制的泥浆稳定性较好,形成的泥膜致密、泥浆失水量小,能够满足粉细砂地层的盾构掘进。     

减水剂掺量对盾构隧道同步注浆浆液性能影响试验研究

为进一步探究掺入高性能减水剂对强透水砂卵石地层同步注浆浆液性能的影响规律,在室内配置了6组不同减水剂掺量的配合比进行试验。结果表明:减水剂的掺入能有效改善膨润土导致的浆液过稠、流动度严重不足问题,当减水剂掺量为9.0~10.8 g/L时,不仅浆液的流动度、稠度得到改善,而且还能保持浆液具有较好的抗水分散性。     

旋喷桩技术在郑州地铁盾构脱困中的新应用

以郑州地铁2号线北环路站—东风路站区间盾构隧道工程为实例,将旋喷桩浆液调整为惰性膨润土浆液,利用旋喷桩高压浆液、高压风切削及填充土体作用,在工程中进行实施印证,成功解决在富水粉细砂层中盾构刀盘卡刀问题。研究表明:1)将旋喷桩浆液改为惰性膨润土浆液,一方面可以有效切削束缚附着在盾构刀盘上及周边的砂土;另一方面可以对刀盘周边砂层进行填充改良、增加孔隙率、疏松砂层,减小地层对盾构的束缚力。2)膨润土旋喷桩技术,是一种地面非开挖技术,可有效降低采用洞内开舱及地面开槽(挖竖井)等脱困方式的安全风险,具有较高的功效及安全性。3)该技术较适用于软土地层(特别是砂层),根据其原理,不仅可以解决卡刀盘问题,还可以解决盾构盾壳抱死等问题。     

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。     

泥水盾构泥水分离系统除渣效率对泥浆的影响

环流系统是泥水盾构的重要环节,通过环流系统的筛分机能及时分离泥水和渣土颗粒。筛分机的筛分效果对泥浆性质影响很大,关系到泥浆的造浆成本。某大型泥水盾构穿越粉细砂地层时,每掘进一环,泥浆密度会从1.12 g/cm3降为1.06 g/cm3,现场需要添加大量膨润土来提高泥浆的密度。针对粉细砂地层分析,根据环流系统中土颗粒的质量守恒进行计算,研究了环流系统的筛分效果对循环后的泥浆密度指标的影响,并与现场实际测量进行比较,得知地层中粒径小于75 μm的土颗粒对提高泥浆密度有利,应该充分利用。提出应当控制好筛分机的筛分效率,使地层中的细颗粒保留下来,为造浆服务,提高泥浆的密度。     

无水砂层土压平衡盾构长距离掘进施工技术

在石家庄典型地质全断面无水砂层及无水粉质黏土与砂层组成的复合地层,土压平衡盾构掘进施工中易出现“盾构推力扭矩大、盾构出土不顺利、地表沉降量较大、刀盘螺旋输送机磨损严重、盾构掘进姿态控制不易控制”等施工难点。以石家庄市轨道交通1号线和平医院站-烈士陵园站区间施工为背景,通过盾构选型、掘进参数统计及分析,得出盾构在全断面砂层中掘进时必须向改良土体注入膨润土泥浆和泡沫,以达到改良和建摩的作用;盾构在粉质黏土和中粗砂组成的复合地层中掘进时,单独使用泡沫改良土体就能满足掘进要求,膨润土泥浆将不以改良渣土为第一目的,而以润滑为第一目的;在这种地层掘进时,不应只注重掘进是否顺利,还应保护盾构构件,因此在黏土地层和砂层的复合地层掘进时,加入水或膨润土泥浆是必要的。     

盾构隧道下穿铁路股道带压换刀施工技术研究

杭州富水粉砂地层粉土粉砂含水量丰富，且易产生流砂，在土仓内建立并保持稳定的换刀环境特别困难。以杭州地铁1号线秋涛路站至城站站区间盾构隧道下穿铁路股道带压换刀施工为例，从地面加固、换刀前掘进控制措施、气压值确定、膨润土泥浆压注、土仓清仓建压等多种措施综合应用，确保了盾构隧道下穿铁路股道带压换刀安全。