【摘要】：本文以蘭州市地鐵1號(hào)線世紀(jì)大道站-奧體中心站區(qū)間風(fēng)井隧道土壓平衡盾構(gòu)工程為背景,在充分了解蘭州砂卵石顆粒級(jí)配和滲透性特征的基礎(chǔ)上,采用塌落度試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、摩擦試驗(yàn),刀盤扭矩試驗(yàn)和數(shù)值模擬,對(duì)改良渣土的防噴涌和降低刀盤扭矩性能進(jìn)行研究,確定了土壓平衡盾構(gòu)在富水砂卵石地層施工的渣土改良配比方案,為蘭州地鐵低含砂率強(qiáng)滲透性砂卵石土壓平衡盾構(gòu)降低刀盤扭矩及螺旋輸送機(jī)防噴涌提供參考。主要研究內(nèi)容及結(jié)論包括以下部分:(1)蘭州砂卵石顆粒級(jí)配及滲透性研究在車站開挖過程中,對(duì)盾構(gòu)施工涉及砂卵石層進(jìn)行勘察報(bào)告總結(jié)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和室內(nèi)篩分試驗(yàn),研究了蘭州砂卵石分布、成因、顆粒級(jí)配及滲透性特征,得出如下結(jié)論:蘭州砂卵石顆粒級(jí)配不良,缺乏中間粒組;與北京和成都典型砂卵石地層相比,具有含砂率低,滲透性強(qiáng)的特點(diǎn)。(2)高水壓條件下砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)防噴涌研究采用膨潤土和泡沫劑單獨(dú)或混合對(duì)盾構(gòu)涉及的砂卵石土層進(jìn)行渣土改良,通過塌落度值15-20cm確定改良劑的最優(yōu)摻入比,然后采用模型桶進(jìn)行常水頭滲透試驗(yàn)和高水壓擊穿試驗(yàn),對(duì)改良渣土滲透性和抗噴涌能力進(jìn)行了研究,通過理論計(jì)算確定出具有良好和易性和低透水性的改良配比方案。結(jié)果表明:單獨(dú)摻入體積比分別為12.5%膨潤土、10%泡沫或混合7%膨潤土和8%泡沫改良渣土滿足塌落度15-20cm要求;改良砂卵石滲透系數(shù)和擊穿水壓可以滿足30m水頭壓力下螺旋輸送機(jī)出渣口防噴涌的要求,泥漿和泡沫混合摻入比分別為7%和8%的配比方案防噴涌效果更佳。(3)降低刀盤摩擦扭矩試驗(yàn)通過模型桶、滑板和剪切摩擦試驗(yàn),對(duì)不同改良砂卵石的摩擦系數(shù)進(jìn)行研究,為改良渣土降低刀盤扭矩提供參數(shù),結(jié)果表明.:相比含水率8%的砂卵石,改良砂卵石能降低摩擦系數(shù)20-50%,泡沫降低摩擦系數(shù)效果優(yōu)于膨潤土;通過刀盤扭矩和螺旋輸送機(jī)土壓平衡計(jì)算,當(dāng)?shù)侗P扭矩為50%-80%額定扭矩,土倉壓力保持在0.8-1.6bar時(shí),對(duì)應(yīng)摩擦系數(shù)為0.2-0.3。(4)改良砂卵石刀盤扭矩試驗(yàn)進(jìn)行盾構(gòu)刀盤扭矩測(cè)試模型試驗(yàn),通過制作多種刀盤形式,測(cè)試不同渣土中刀盤不同部位扭矩,研究渣土改良對(duì)刀盤扭矩的影響規(guī)律,結(jié)果表明:在未改良砂卵石中,攪拌扭矩和剪切扭矩所占比重較大;在改良砂卵石中,刀盤摩擦矩,開口剪切力矩和其他部位攪拌矩分別約占總扭矩的50%-70%,10%-20%和20%;渣土改良能夠顯著降低刀盤各部分扭矩,尤其是對(duì)于攪拌棒和刀具的攪拌扭矩,可降低75%-90%;對(duì)開口剪切扭矩可降低65%-85%,對(duì)于刀盤面板和側(cè)面摩擦扭矩,則可降低50%以上;刀盤開口剪切扭矩不僅和開口總面積大小有關(guān),還和開口尺寸大小相關(guān),刀盤扭矩隨開口率增大而減小,開口率增大20%,刀盤扭矩約降低10%。(5)土壓平衡盾構(gòu)施工渣土滲流數(shù)值模擬采用FLAC3D有限元軟件,通過改變改良渣土的滲透系數(shù),對(duì)水壓力在螺旋輸送機(jī)內(nèi)的遞減規(guī)律進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究,驗(yàn)證渣土改良方案對(duì)于盾構(gòu)施工防噴涌的有效性,為富水砂卵石地層中土壓平衡盾構(gòu)渣土改良防噴涌提供參考。得到結(jié)論如下:螺旋輸送機(jī)內(nèi)渣土水壓力分布從進(jìn)渣口到出渣口呈線性遞減趨勢(shì),出渣口水壓隨渣土滲透系數(shù)的減小而減小;在盾構(gòu)機(jī)底部水壓為300kPa左右,改良渣土在滲透系數(shù)為5.61×10-5cm/s時(shí),出渣口水壓接近為零,為保證不發(fā)生噴涌的臨界滲透系數(shù);與滲透試驗(yàn)得到的擊穿水壓135kPa相比較,螺旋輸送機(jī)進(jìn)渣口、中間位置和距出渣口 1/4長度處的抗噴涌安全系數(shù)分別為1.29,2.08和3.79,具有較高的防噴涌可靠性。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U455.43
【圖文】：

隧道^u挖施工及過江、過河隧道施工等。土壓平衡盾構(gòu)則由于設(shè)備及施工簡(jiǎn)單，逡逑適應(yīng)地層范圍大而被日益廣泛使用，成為我國城市地鐵隧道建設(shè)的主要選擇。逡逑土壓平衡盾構(gòu)構(gòu)造及工作原理示意圖如圖１－１所示，盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)時(shí)，刀盤旋轉(zhuǎn)逡逑切削下來的開挖面渣土，通過刀盤開口進(jìn)入密封土倉，再通過土倉下部的螺旋輸逡逑送機(jī)將渣土排出土倉。當(dāng)土倉充滿渣土后，通過調(diào)整刀盤切削土體的速度和螺旋逡逑輸送機(jī)排出渣土的速度，可以使土倉內(nèi)渣土作用在開挖面上的壓力和盾構(gòu)前方地逡逑層的土壓力和水壓力保持平衡，從而保證開挖面的穩(wěn)定。在此過程中，需要^u挖逡逑到密封土倉的渣土具有較好的流塑性、保水性、較低的摩擦系數(shù)和滲透系數(shù)，從逡逑而保證刀盤切削順利，渣土易于攪拌、流動(dòng)，不結(jié)餅，且不應(yīng)在螺旋輸送機(jī)出口逡逑出現(xiàn)噴涌。由于大多數(shù)情況下原始土層切削下來的渣土難以滿足上述要求，從而逡逑使土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的適用范圍受到一定的限制。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適用范圍如圖１－２逡逑所示

地鐵１號(hào)線西起西固區(qū)石崗，東至城關(guān)區(qū)東崗，全長約３４ｋｍ。東西橫貫蘭逡逑州市三大中心區(qū)，城關(guān)中心區(qū)、安寧－七里河中心區(qū)、西固中心區(qū)。成為蘭州中心逡逑城區(qū)形成“一河兩岸三心七組團(tuán)”新格局的骨干交通動(dòng)脈。圖１－３所示蘭州地鐵１逡逑號(hào)線一期工程西起西固區(qū)陳官營，東至城關(guān)區(qū)東崗，線路全長２６６９２．３６３ｍ，皆為逡逑地下線路，共設(shè)車站２０座。逡逑—、：邐１逡逑圖１－３蘭州地鐵１號(hào)線逡逑受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、黃河河谷盆地及黃河沖洪積扇作用的共同影響，七里河“三逡逑灘地區(qū)”沉積了巨厚的第四系下更新統(tǒng)卵石層（３－１１）和第四系全系統(tǒng)卵石層逡逑（２－１０）。蘭州市地鐵１號(hào)線一期工程盾構(gòu)法施工掘進(jìn)需大范圍穿越砂卵石地層，逡逑穿越砂卵石地層的區(qū)段主要為奧體中心站？西關(guān)十字站區(qū)段，約為１１．８ｋｍ，除如逡逑圖１－４所示奧體中心？世紀(jì)大道（中間風(fēng)井）區(qū)段及迎門灘？馬灘區(qū)間因下穿黃河逡逑需采用泥水平衡盾構(gòu)法施工外，其余區(qū)間均采用土壓平衡盾構(gòu)法施工。逡逑ｖｌＣＳ＾邋＾邐＊■邐＼逡逑＆紀(jì)大道站逡逑＇ｔ￣ｘ邐一邋？邐－ｒ邋ｊ邋ｉｖ逡逑ｉ．．邋ＳＵ邋ｓｒｒ．ｎｉ逡逑圖１－４蘭州地鐵１號(hào)線兩穿黃河區(qū)間逡逑蘭州地鐵１號(hào)線一期工程是蘭州市首次采用盾構(gòu)法在砂卵石地層進(jìn)行隧道施逡逑工，且穿越地層為含水量豐富、強(qiáng)透水的松散？密實(shí)的砂卵石地層，卵石含量高，逡逑３逡逑

地鐵１號(hào)線西起西固區(qū)石崗，東至城關(guān)區(qū)東崗，全長約３４ｋｍ。東西橫貫蘭逡逑州市三大中心區(qū)，城關(guān)中心區(qū)、安寧－七里河中心區(qū)、西固中心區(qū)。成為蘭州中心逡逑城區(qū)形成“一河兩岸三心七組團(tuán)”新格局的骨干交通動(dòng)脈。圖１－３所示蘭州地鐵１逡逑號(hào)線一期工程西起西固區(qū)陳官營，東至城關(guān)區(qū)東崗，線路全長２６６９２．３６３ｍ，皆為逡逑地下線路，共設(shè)車站２０座。逡逑—、：邐１逡逑圖１－３蘭州地鐵１號(hào)線逡逑受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、黃河河谷盆地及黃河沖洪積扇作用的共同影響，七里河“三逡逑灘地區(qū)”沉積了巨厚的第四系下更新統(tǒng)卵石層（３－１１）和第四系全系統(tǒng)卵石層逡逑（２－１０）。蘭州市地鐵１號(hào)線一期工程盾構(gòu)法施工掘進(jìn)需大范圍穿越砂卵石地層，逡逑穿越砂卵石地層的區(qū)段主要為奧體中心站？西關(guān)十字站區(qū)段，約為１１．８ｋｍ，除如逡逑圖１－４所示奧體中心？世紀(jì)大道（中間風(fēng)井）區(qū)段及迎門灘？馬灘區(qū)間因下穿黃河逡逑需采用泥水平衡盾構(gòu)法施工外，其余區(qū)間均采用土壓平衡盾構(gòu)法施工。逡逑ｖｌＣＳ＾邋＾邐＊■邐＼逡逑＆紀(jì)大道站逡逑＇ｔ￣ｘ邐一邋？邐－ｒ邋ｊ邋ｉｖ逡逑ｉ．．邋ＳＵ邋ｓｒｒ．ｎｉ逡逑圖１－４蘭州地鐵１號(hào)線兩穿黃河區(qū)間逡逑蘭州地鐵１號(hào)線一期工程是蘭州市首次采用盾構(gòu)法在砂卵石地層進(jìn)行隧道施逡逑工，且穿越地層為含水量豐富、強(qiáng)透水的松散？密實(shí)的砂卵石地層，卵石含量高，逡逑３逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2767307