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原文传递黏性地层土压平衡盾构刀盘黏附试验及渣土改良机理研究

论文题名：	黏性地层土压平衡盾构刀盘黏附试验及渣土改良机理研究
关键词：	土压平衡盾构;刀盘黏附试验;渣土改良;改良土运移
摘要：	国家“十四五”以来我国轨道交通建设进入新发展阶段，盾构法凭借机械化优越性已成为城市轨道交通建设的主流工法。城市施工环境复杂多变，施工风险和难度呈几何级数增长，其中多处黏性地层城市地铁建设过程中，容易发生土压平衡盾构因刀盘结泥饼、堵塞等问题产生的频繁开仓，耽误工期以及排渣不畅导致的掘进压力失衡等工程隐患，难以保证施工效率及安全性。　　本文基于黏性地层土压平衡盾构施工过程中不同因素对刀盘黏附性影响规律不清及黏性土改良机理不明两大难题，通过理论分析、室内试验及数值模拟等研究手段开展了黏性地层土压平衡盾构刀盘黏附试验及渣土改良机理研究。系统解释了黏性地层盾构掘进过程中刀盘黏附形成过程及各因素对刀盘黏附性影响。研发了刀盘旋转黏附试验系统，开展黏性土刀盘旋转黏附试验。优选改良剂并进行变温条件下组合改良剂性能评价,通过室内试验验证组合改良剂对黏性土改良效果，提出基于稠度指数的黏性地层适配性改良技术，探究了黏土改良后的流变力学行为，揭示了土压平衡盾构改良黏性土流体运移规律，具体研究有: 　　(1)针对盾构刀盘黏附问题，基于黏性矿物的微观特性分析及水膜理论，在微观层面揭示盾构掘进过程中的盾构刀盘黏附形成过程;自主研发刀盘旋转黏附试验系统，实现刀盘温度可控，探究不同刀盘温度、含水率、黏土类型及黏土含量条件下刀盘黏附效果及旋转黏附力变化，得到不同因素影响下黏土黏附性变化规律，提出温度及稠度指数共同影响下刀盘黏附量变化方程。　　(2)基于优选适用黏性地层改良的“泡沫剂+抗粘剂”组合改良剂，开展不同温度条件下改良剂性能研究，通过半衰期和发泡倍率试验，揭示“泡沫剂+抗粘剂”组合改良剂的性能变化规律，并分析不同温度影响下泡沫性能变化趋势，得到较优改良剂性能的改良剂浓度和配合比，为后续黏性土改良室内试验改良方案的确定提供依据。　　(3)针对黏性土样，通过改良剂性能试验得到的较优性能改良剂浓度和配合比，对黏性土样进行室内改良，通过坍落度试验、直剪试验及刀盘黏附试验对改良效果进行评价，确定不同组合改良剂方案对黏性土样的改良效果，得到能有效减少土压盾构刀盘黏附问题发生的适宜改良方案，满足盾构高效安全施工的要求。　　(4)建立盾构渣土运输系统的四联体模型，采用计算流体力学中Herschel-Bulkley流变模型描述改良黏性土流变力学行为，开展流体场的三维模拟，揭示不同改良程度黏性土整体运移规律，探究改变螺旋输送机参数对改良黏性土渣土运移规律的影响。　　(5)综合前文研究基础，总结形成一套黏性地层适配性改良技术，并将改良技术应用于长春地铁某盾构区间、济南地铁某盾构区间，有效提高了施工效率，取得了较好的施工效果。
作者：	刘祥坤
专业：	岩土工程
导师：	李树忱
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023