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。     

黏性地层盾构刀盘泥饼崩解特性试验研究

为研究分散剂溶液浸泡的泥饼处理方法的有效性以及刀盘泥饼的崩解特性，取深圳市轨道交通13号线留白区间软岩段破除下的原状泥饼制成尺寸不同的若干试样，利用自行改进的崩解仪，对不同试验条件下的泥饼试样进行室内崩解试验，分析分散剂溶液、溶液体积分数、泥饼尺寸、初始含水率、干湿循环等因素对泥饼崩解特性的影响规律。试验结果表明： 1）泥饼崩解现象主要经历崩解开始—崩解发展—崩解稳定3个阶段； 2）分散剂溶液对刀盘泥饼的作用影响存在适应性差异，且与溶液体积分数相关，崩解促进作用对应的溶液体积分数存在阈值； 3）泥饼形成规模与其分散处理难易程度直接相关； 4）初始含水率对刀盘泥饼的崩解特性影响显著，对于含水率较高的地层，建议结合现场应用效果，采取必要措施，将刀盘泥饼含水率降至5%及以下，以提高泥饼处理效率； 5）干湿循环会加速刀盘泥饼内部结构破坏，一般经历3次干湿循环作用，泥饼处理难度会有所降低。     

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。     

清华园盾构隧道复杂互层地层下的掘进参数研究

为探明北京地区大直径泥水平衡盾构在复杂互层地层下的掘进参数变化情况,依托北京地区目前最大直径泥水平衡盾构工程清华园隧道,使用数理统计的方法针对盾构由粉质黏土掘进至卵石土、砂、粉质黏土互层地层时盾构掘进参数的变化规律及波动情况进行研究。研究结果表明： 泥水平衡盾构在粉质黏土区域掘进时,盾构刀盘转矩及盾构推力波动情况不明显;泥水平衡盾构在复杂互层地质条件下掘进时,盾构刀盘转矩及盾构推力分别增长46.43%和46.03%,同时盾构刀盘转矩的波动情况较粉质黏土区域有所增长,而盾构推力的波动情况与粉质黏土区域类似。     

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。     

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。     

盾构隧道掘进施工对邻近既有建筑的影响分析

盾构隧道掘进过程中,会对周围土体产生扰动和变形。当变形达到一定程度时,会危及邻近建筑物的正常使用。基于有限差分软件FLAC 3D建立三维数值计算模型,模拟不同临近距离和不同建筑层高工况下盾构隧道掘进对邻近既有建筑物的影响,选择既有建筑物沉降作为指标进行分析,对不同工况下既有建筑物的沉降变化曲线进行数据拟合,并与现场实际监测数据进行对比分析。研究结果表明：（1）不同临近距离工况下,随盾构掘进步数增大,建筑物的沉降逐渐增大。随临近距离增大,同一施工步下建筑物的沉降逐渐减小,沉降速率逐渐减小。（2）不同建筑层高工况下,随盾构掘进步数增大,建筑物的沉降逐渐增大。随建筑层高增大,同一施工步下建筑物的沉降先逐渐增大后逐渐减小。（3）盾构掘进过程中对邻近建筑物的主要影响区约为1.6倍隧道外径。研究成果可为类似盾构隧道掘进施工提供参考。     

大直径盾构掘进风险分析及对特大直径盾构挑战的思考

目前,基于建设规模和设计功能的需求,特大直径盾构已多次应用于铁路、公路、城市轨道交通、地下管廊等领域隧道工程建设。初步统计了国内外15.5 m以上的特大直径盾构隧道工程,总结了大直径盾构在掘进过程中的主要风险及常见问题,包括主轴承损坏失效、盾构管片拼装脱出盾尾后上浮、刀具磨损随盾构直径增大而加剧、刀盘前泥饼粘结、渣土滞排、刀盘升温等,并结合案例分析其原因。针对特大直径盾构带来的事故风险,从土压盾构与泥水盾构主轴承密封问题、管片盾尾脱出后上浮风险、常压刀盘与常规刀盘的选择、泥饼粘结和渣土滞排难题、预探前方复杂地质、海中基岩爆破及注浆固结辅助处理等方面提出思考和建议。     

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。     

小曲率半径盾构隧道施工中辅助油缸千斤顶推力计算模型研究

在小曲率半径隧道盾构掘进施工时,千斤顶推力的作用会导致管片发生偏移和错台,从而引发安全事故的产生。为有效解决小曲率半径盾构隧道施工过程中由于千斤顶推力而对管片造成的不利影响,通过分析双模盾构机的掘进模式,建立了盾构隧道在掘进开挖过程中的辅推油缸千斤顶推力的计算模型,并将其应用于工程实践,对千斤顶推力进行计算分析,提出了减少或避免千斤顶推力对管片造成的不利影响的相关措施。研究结果表明：（1）双模盾构施工过程中,不同施工区间的辅推油缸千斤顶推力的取值有所不同,应根据工程实际情况确定该推力值。（2）单模盾构施工过程中,辅推油缸千斤顶推力随着贯入度的增大而增大,且增大速率呈逐渐减小的趋势。（3）提出依次从施工纠偏、管片拼装控制、掘进参数合理选取、盾构机姿态控制、盾构机推力控制、隧道纵向刚度的设置和管片质量等来控制和减小千斤顶推力对管片造成的不利影响,保证盾构施工的安全性,为类似工程的建设提供理论指导和参考。     

地铁工程盾构接收渗漏险情的处理实践

为研究地铁盾构接收洞门渗漏处理的措施，保护周边复杂环境安全，以某盾构接收端突发⑦1-2砂质粉土层中的承压水穿透⑥粉质黏土层从洞门涌出的险情处置为例，通过对渗漏成因的分析、各处置方案进行比选，提出盾构停止掘进、盾壳内壁冻结封堵渗漏通道的处理方案，达到封水条件后抽干接收井内的积水，将盾壳留置在地层中并施工隧道衬砌，最终完成盾构接收。研究结果表明： 地面引孔注聚氨酯的措施对洞门渗漏承压水层突涌的封堵效果不佳，通过冷板冻结可有效冻结漏水通道，但须考虑水体流动带来的冷量损失。     

低液限粉质黏土最大主应力差与含水率关系特征研究

粉质黏土天然孔隙比大,压缩性高,盾构施工中,经常会遇到粘附刀盘和地表沉降过大等问题。研究粉质黏土最大主应力差与含水率的关系,对减小刀盘粘附和控制地表沉降具有重要的意义。试验研究了应力水平和应力路径对主应力差关系特征的影响,获得了不同围压条件下土的抗剪强度的变化规律。结果表明:土样破坏特征为明显的鼓型破坏;粉质黏土对于含水率的变化非常敏感,2%含水率的变化都会使粉质黏土的强度发生明显改变;拟合出可用于估算一般低液限粉质黏土最大主应力差的经验公式。     

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%。     

盾构隧道专用塑化剂对同步注浆浆液性质影响研究

为探究专用塑化剂对盾构隧道壁后注浆浆液性质的影响，通过室内试验对塑化剂不同掺量的同步注浆浆液性质进行测定，并通过固结试验装置探究改良后浆液在不同地层中的固结特性。研究表明： 1）盾构隧道盾尾壁后注浆专用塑化剂能够在不影响浆液强度的前提下，缩短浆液的凝结时间，随着塑化剂添加量的提高，浆液的泌水率、稠度、流动度都有减小的趋势； 2）专用塑化剂的最优掺量为0.4%~1.2%，在该范围添加量下，浆液的性能得到进一步提升，凝结时间会缩短； 3）改良后浆液在地层中的固结时间、沉降量、强度与地层性质相关，在粉质黏土、粉砂与粗砂3种地层中，改良后浆液固结完成时间依次减小，最终体积收缩率依次增大，28 d无侧限抗压强度依次减小。