砂卵石地层高水压条件下土压平衡盾构防喷涌研究

发布时间：2017-06-24 08:04

  本文关键词：砂卵石地层高水压条件下土压平衡盾构防喷涌研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着我国经济的快速发展和城市人口的不断增长,城市道路交通问题日趋恶化,于是人们逐渐加大对地下空间的开发与利用,地下轨道交通建设发展蓬勃,水下隧道建设规模也越来越大,越来越多的城市交通急需修建大量的河底、湖底、江底和海底隧道。水下隧道常用盾构法施工,当盾构隧道位于水位以下,洞室围岩为富水的砂卵石地层,高压力的水体穿越土舱和螺旋输送机形成集中渗流带动土舱内的土颗粒一起涌动,很可能发生喷涌现象,施工过程应采取安全有效的防喷涌措施。本文以兰州地铁1号线奥世区间(下穿黄河)隧道工程为依托,通过渣土改良试验和数值模拟,进行高水压下土压平衡盾构防喷涌研究。其主要研究内容和成果如下：(1)综合分析了土压平衡盾构隧道喷涌研究现状以及渣土改良机理,为兰州地铁1号线奥世区间隧道工程防喷涌研究提供理论基础,对奥世区间砂卵石地层取样,进行级配分析、松散系数等分析试验,得到盾构施工过程的地层信息,结合施工现场出渣量等信息优化注浆系统。(2)测试分析多种浓度的膨润土泥浆的粘度和比重,确定适用于本次施工的膨润土泥浆的最佳浓度,通过坍落度试验,分别研究含水率、泡沫、膨润土、泡沫与膨润土混合剂对砂卵石的流塑性影响,为渣土改良选择添加剂提供参考。(3)将膨润土泥浆与砂卵石按一定体积比进行混合搅拌,通过模型桶进行渗透性试验,得到不同配比渣土的渗透系数和最大击穿水压力值,对比分析试验结果,对注浆方案进行了优化。(4)运用FLAC3D有限差分软件,选取奥世区间隧道工程的多种工况,对高水压条件下土压平衡盾构的渗流情况进行数值模拟,得出盾构机螺旋输送机内的水压力值分布情况以及渗流对地层的影响范围,对各工况计算结果进行对比分析得到最不利情况。(5)总结数值模拟产生的数据,将最不利水压力值与渗透试验所得最大击穿水压力值进行对比分析,检验渣土改良效果,优化渣土改良方案,有效防止下穿黄河隧道土压平衡盾构施工过程中喷涌现象的发生,为兰州地铁1号线奥世区间隧道的设计与施工提供理论依据和技术指导。
【关键词】：土压平衡盾构 喷涌 渣土改良 渗透试验 数值模拟
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U455.43
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-13
• 1 绪论13-27
• 1.1 研究背景与意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-17
• 1.2.1 土压平衡盾构方面14
• 1.2.2 螺旋输送机防喷涌方面14-15
• 1.2.3 渣土改良方面15-17
• 1.3 土压平衡盾构及喷涌机理概述17-20
• 1.3.1 土压平衡盾构机工作原理17-18
• 1.3.2 喷涌发生的机理18-19
• 1.3.3 喷涌的影响因素及控制措施19-20
• 1.4 渣土改良机理概述20-25
• 1.4.1 渣土改良目的20-21
• 1.4.2 渣土改良添加剂21-22
• 1.4.3 渣土改良系统22-23
• 1.4.4 主要添加剂的作用原理23-25
• 1.5 本文主要研究内容及技术路线25-27
• 1.5.1 研究内容25-26
• 1.5.2 技术路线26-27
• 2 兰州地铁1号线奥世区间隧道工程概述27-39
• 2.1 工程背景概况27-29
• 2.1.1 盾构下穿黄河的关键风险因素27-28
• 2.1.2 奥体中心站-世纪大道站区间概况28-29
• 2.2 工程地质条件29-33
• 2.2.1 地形地貌29-30
• 2.2.2 地质构造30
• 2.2.3 地层分布特征30-33
• 2.3 水文地质条件33-35
• 2.3.1 黄河水文条件33-34
• 2.3.2 地下水文条件34-35
• 2.3.3 地下水动力学状态的核查35
• 2.3.4 涌水、涌砂问题35
• 2.4 盾构机下穿黄河主要技术问题35-39
• 2.4.1 盾构机选型35-37
• 2.4.2 刀盘形式及其构造的选择37-38
• 2.4.3 螺旋输送机选型38-39
• 3 砂卵石地层性能分析及渣土改良试验39-57
• 3.1 砂卵石地层级配分析试验39-42
• 3.1.1 试验目的及方法39-40
• 3.1.2 试验结果分析40-42
• 3.2 砂卵石地层松散系数试验42-44
• 3.2.1 试验目的及方法42-43
• 3.2.2 试验结果分析43-44
• 3.3 膨润土泥浆配比试验44-48
• 3.3.1 粘度测试44
• 3.3.2 比重测试44-45
• 3.3.3 试验结果分析45-48
• 3.4 膨润土改良渣土坍落度试验48-51
• 3.4.1 试验步骤48
• 3.4.2 钙基膨润土改良渣土坍落度试验48-49
• 3.4.3 钠基膨润土改良渣土坍落度试验49-51
• 3.4.4 试验结果分析51
• 3.5 其他因素对砂卵石地层流塑性的影响51-54
• 3.5.1 含水率对砂卵石地层流塑性的影响51-52
• 3.5.2 泡沫对砂卵石地层流塑性的影响52-53
• 3.5.3 混合添加剂对砂卵石地层流塑性的影响53-54
• 3.6 本章小结54-57
• 4 砂卵石渣土改良渗透性试验57-75
• 4.1 试验概述57-63
• 4.1.1 试验目的及原理57-58
• 4.1.2 试验设备58-59
• 4.1.3 试验内容59-60
• 4.1.4 试验步骤60-63
• 4.2 试验设备可靠性的验证试验63-64
• 4.2.1 普通中粗砂渗透性试验63-64
• 4.2.2 未改良渣土(砂卵石)渗透性试验64
• 4.3 钙基膨润土泥浆改良渣土的渗透性试验64-66
• 4.3.1 体积比为1：7的泥浆改良渣土64-65
• 4.3.2 体积比为1：4的泥浆改良渣土65
• 4.3.3 体积比为1：6的泥浆改良渣土65-66
• 4.3.4 体积比为1：5的泥浆改良渣土66
• 4.4 钠基膨润土泥浆改良渣土的渗透性试验66-69
• 4.4.1 体积比为1：20的泥浆改良渣土67
• 4.4.2 体积比为1：15的泥浆改良渣土67-68
• 4.4.3 体积比为1：10的泥浆改良渣土68-69
• 4.5 两种膨润土的改良效果比较69-72
• 4.5.1 Ca、Na基膨润土特性比较69-70
• 4.5.2 坍落度比较70
• 4.5.3 最大击穿水压比较70-71
• 4.5.4 渗透系数比较71-72
• 4.6 泡沫膨润土混合剂改良渣土渗透性试验72-73
• 4.7 本章小结73-75
• 5 高水压条件下渗流分析FLAC3D数值模拟75-87
• 5.1 FLAC3D软件介绍75-76
• 5.2 分析工况76
• 5.3 建立数值模型76-79
• 5.3.1 模型尺寸76-77
• 5.3.2 定义材料参数77-78
• 5.3.3 渗流边界条件78
• 5.3.4 本构模型及破坏准则78-79
• 5.4 数值分析过程79-80
• 5.5 工况一计算结果分析80-83
• 5.5.1 水压力云图80-81
• 5.5.2 监测点水压变化曲线81-83
• 5.6 工况二计算结果分析83-86
• 5.6.1 水压力云图83-84
• 5.6.2 监测点水压变化曲线84-86
• 5.7 本章小结86-87
• 6 结论与展望87-89
• 6.1 结论87-88
• 6.2 展望88-89
• 参考文献89-93
• 作者简历93-97
• 学位论文数据集97

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