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原文传递兰州地铁低含砂率强渗透性砂卵石降低土压平衡盾构扭矩及防喷涌研究

论文题名：	兰州地铁低含砂率强渗透性砂卵石降低土压平衡盾构扭矩及防喷涌研究
关键词：	地铁施工;砂卵石地层;土压平衡盾构;渣土改良;防喷涌性能;刀盘扭矩
摘要：	本文以兰州市地铁1号线世纪大道站-奥体中心站区间风井隧道土压平衡盾构工程为背景，在充分了解兰州砂卵石颗粒级配和渗透性特征的基础上，采用塌落度试验、渗透试验、摩擦试验，刀盘扭矩试验和数值模拟，对改良渣土的防喷涌和降低刀盘扭矩性能进行研究，确定了土压平衡盾构在富水砂卵石地层施工的渣土改良配比方案，为兰州地铁低含砂率强渗透性砂卵石土压平衡盾构降低刀盘扭矩及螺旋输送机防喷涌提供参考。主要研究内容及结论包括以下部分: 　　(1)兰州砂卵石颗粒级配及渗透性研究　　在车站开挖过程中，对盾构施工涉及砂卵石层进行勘察报告总结、现场调研和室内筛分试验，研究了兰州砂卵石分布、成因、颗粒级配及渗透性特征，得出如下结论:兰州砂卵石颗粒级配不良，缺乏中间粒组;与北京和成都典型砂卵石地层相比，具有含砂率低，渗透性强的特点。　　(2)高水压条件下砂卵石地层盾构掘进防喷涌研究　　采用膨润土和泡沫剂单独或混合对盾构涉及的砂卵石土层进行渣土改良，通过塌落度值15～20cm确定改良剂的最优掺入比，然后采用模型桶进行常水头渗透试验和高水压击穿试验，对改良渣土渗透性和抗喷涌能力进行了研究，通过理论计算确定出具有良好和易性和低透水性的改良配比方案。结果表明:单独掺入体积比分别为12.5％膨润土、10％泡沫或混合7％膨润土和8％泡沫改良渣土满足塌落度15～20cm要求;改良砂卵石渗透系数和击穿水压可以满足30m水头压力下螺旋输送机出渣口防喷涌的要求，泥浆和泡沫混合掺入比分别为7％和8％的配比方案防喷涌效果更佳。　　(3)降低刀盘摩擦扭矩试验　　通过模型桶、滑板和剪切摩擦试验，对不同改良砂卵石的摩擦系数进行研究，为改良渣土降低刀盘扭矩提供参数，结果表明:相比含水率8％的砂卵石，改良砂卵石能降低摩擦系数20～50％，泡沫降低摩擦系数效果优于膨润土;通过刀盘扭矩和螺旋输送机土压平衡计算，当刀盘扭矩为50％～80％额定扭矩，土仓压力保持在0.8～1.6bar时，对应摩擦系数为0.2～0.3。　　(4)改良砂卵石刀盘扭矩试验　　进行盾构刀盘扭矩测试模型试验，通过制作多种刀盘形式，测试不同渣土中刀盘不同部位扭矩，研究渣土改良对刀盘扭矩的影响规律，结果表明:在未改良砂卵石中，搅拌扭矩和剪切扭矩所占比重较大;在改良砂卵石中，刀盘摩擦矩，开口剪切力矩和其他部位搅拌矩分别约占总扭矩的50％～70％，10％～20％和20％;渣土改良能够显著降低刀盘各部分扭矩，尤其是对于搅拌棒和刀具的搅拌扭矩，可降低75％～90％;对开口剪切扭矩可降低65％～85％，对于刀盘面板和侧面摩擦扭矩，则可降低50％以上;刀盘开口剪切扭矩不仅和开口总面积大小有关，还和开口尺寸大小相关，刀盘扭矩随开口率增大而减小，开口率增大20％，刀盘扭矩约降低10％。　　(5)土压平衡盾构施工渣土渗流数值模拟　　采用FLAC3D有限元软件，通过改变改良渣土的渗透系数，对水压力在螺旋输送机内的递减规律进行三维数值模拟研究，验证渣土改良方案对于盾构施工防喷涌的有效性，为富水砂卵石地层中土压平衡盾构渣土改良防喷涌提供参考。得到结论如下:螺旋输送机内渣土水压力分布从进渣口到出渣口呈线性递减趋势，出渣口水压随渣土渗透系数的减小而减小;在盾构机底部水压为300kPa左右，改良渣土在渗透系数为5.61×10-5cm/s时，出渣口水压接近为零，为保证不发生喷涌的临界渗透系数;与渗透试验得到的击穿水压135kPa相比较，螺旋输送机进渣口、中间位置和距出渣口1/4长度处的抗喷涌安全系数分别为1.29，2.08和3.79，具有较高的防喷涌可靠性。
作者：	张淑朝
专业：	地下工程
导师：	贺少辉
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文