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原文传递盾构渣土基轻质同步注浆材料及其扩散机理研究

论文题名：	盾构渣土基轻质同步注浆材料及其扩散机理研究
关键词：	地铁盾构渣土;轻质同步注浆材料;扩散机理;最优配比
摘要：	我国城市地铁建设如火如茶，建设规模不断扩大。盾构法由于具有明显的优势，己成为轨道交通建设的首选方案。在盾构掘进过程中，不可避免产生了大量的盾构渣土。仅济南一地，远期渣土产量将达到万亿方以上。大量盾构渣土运输和堆放造成了严重的环境污染。国家提出“碳中和”与“碳达峰”战略，大力推动固废再利用技术研究。盾构渣土作为固体废弃物的一种，实现资源化利用具有显著的经济效益和社会效益。本文以济南地铁盾构渣土为例，依托住建部“泉域盾构地铁绿色安全施工方法与协同控制平台”课题，提出了利用盾构渣土制备高性能胶凝材料和轻质同步注浆材料的方法。并利用实验、理论推导和模拟手段开展了盾构渣土基轻质同步注浆材料及同步注浆扩散机理研究，并取得了如下研究成果: 　　(1)针对济南泉域地质特点，研究并分析了2号线、4号线和6号线穿越地层概况，得出济南地区的地铁渣土主要以黏土、石灰石和闪长岩为主，其中黏土含量最多，闪长岩次之，灰岩含量较少。分析了济南地铁2号线的盾构渣土分布情况，并对济南地铁2号线盾构渣土进行了理化分析，分析了代表区间的典型渣土的物理含水率、表观密度、比重、孔隙比、渗透系数和粒径分布。并采用XRF、XRD和热重手段，分析了其成分和热分解特性，论证了其制备渣土基硅铝系胶凝材料和轻质同步注浆材料的可行性。　　(2)以盾构渣土为主要原材料，采用率值设计方法，矿物组成为导向，解决了盾构渣土成分复杂性难题。采用实验手段，揭示了不同促进剂、不同煅烧温度和不同率值条件下，渣土基高贝利特和高阿利特胶凝材料形成机理，通过性能优化实验，分析了渣土基高贝利特和高阿利特胶凝材料凝结性能和强度特性，形成了以盾构渣土为原材料制备渣土基高贝利特和高阿利特胶凝材料的技术。通过复合掺加手段，实现了渣土基高贝利特胶凝材料和高阿利特胶凝材料的优势互补，形成了盾构渣土基胶凝材料制备技术。　　(3)分析了影响渣土基轻质同步注浆材料性能产生的因素。利用宏观力学实验和SEM微观分析手段，揭示了不同水灰比、粉煤灰掺量、不同外加剂和密度条件下的强度性能和演化性能。针对盾构渣土黏土含量不稳定问题，研发了高流全黏土质渣土轻质同步注浆材料，最终得到兼顾浆液流动性和强度的最优配比方案，形成了盾构渣土基轻质同步注浆材料制备技术。　　(4)分析了盾尾间隙和同步注浆类型。利用理论推导和试验结合的方法，揭示了轻质同步注浆材料压力。密度模型。推导了同步注浆环向和纵向注浆扩散模型，论证了轻质同步注浆材料在充填型同步注浆过程中的优越性。基于球孔扩张理论，推导了轻质同步注浆材料的球形和柱形同步注浆压密模型，得到了压密注浆压力分布模型和管片受压模型。基于柱形孔扩张模型，提出了基于土体孔隙率收缩的竖向位移计算方法。建立了轻质同步注浆材料浆.土固结体厚度模型，揭示轻质同步注浆材料的同步注浆压力消散过程。　　(5)分类分析了影响同步注浆压力控制的地层、浆液和施工因素，提出了不同扩散类型同步注浆临界压力和最优压力判别方法。总结了不同同步注浆模式下，注浆压力及盾构管片计算模型利用分析案例，阐述了同步注浆压力最优计算方法，对比了普通注浆浆液和轻质同步注浆浆液在注浆扩散时的浆液压力分布和消散过程，证明了轻质同步注浆材料在注浆时的优越性。依托济南地铁4号线开展了盾构渣土基轻质注浆材料现场利用，并通过密实度检测、地表沉降监测和管片上浮监测等数据，证明了轻质同步注浆材料能够实现对地层的有效充填和加固。
作者：	张益杰
专业：	岩土工程
导师：	李利平
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022