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

发布时间：2020-07-23 12:09

【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。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U455.43
【图文】：

示意图,土压平衡盾构,地层,渣土

隧道^u挖施工及过江、过河隧道施工等。土压平衡盾构则由于设备及施工简单，逡逑适应地层范围大而被日益广泛使用，成为我国城市地铁隧道建设的主要选择。逡逑土压平衡盾构构造及工作原理示意图如图１－１所示，盾构机前进时，刀盘旋转逡逑切削下来的开挖面渣土，通过刀盘开口进入密封土仓，再通过土仓下部的螺旋输逡逑送机将渣土排出土仓。当土仓充满渣土后，通过调整刀盘切削土体的速度和螺旋逡逑输送机排出渣土的速度，可以使土仓内渣土作用在开挖面上的压力和盾构前方地逡逑层的土压力和水压力保持平衡，从而保证开挖面的稳定。在此过程中，需要^u挖逡逑到密封土仓的渣土具有较好的流塑性、保水性、较低的摩擦系数和渗透系数，从逡逑而保证刀盘切削顺利，渣土易于搅拌、流动，不结饼，且不应在螺旋输送机出口逡逑出现喷涌。由于大多数情况下原始土层切削下来的渣土难以满足上述要求，从而逡逑使土压平衡盾构机的适用范围受到一定的限制。土压平衡盾构机适用范围如图１－２逡逑所示

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地铁１号线西起西固区石岗，东至城关区东岗，全长约３４ｋｍ。东西横贯兰逡逑州市三大中心区，城关中心区、安宁－七里河中心区、西固中心区。成为兰州中心逡逑城区形成“一河两岸三心七组团”新格局的骨干交通动脉。图１－３所示兰州地铁１逡逑号线一期工程西起西固区陈官营，东至城关区东岗，线路全长２６６９２．３６３ｍ，皆为逡逑地下线路，共设车站２０座。逡逑—、：逦１逡逑图１－３兰州地铁１号线逡逑受新构造运动、黄河河谷盆地及黄河冲洪积扇作用的共同影响，七里河“三逡逑滩地区”沉积了巨厚的第四系下更新统卵石层（３－１１）和第四系全系统卵石层逡逑（２－１０）。兰州市地铁１号线一期工程盾构法施工掘进需大范围穿越砂卵石地层，逡逑穿越砂卵石地层的区段主要为奥体中心站？西关十字站区段，约为１１．８ｋｍ，除如逡逑图１－４所示奥体中心？世纪大道（中间风井）区段及迎门滩？马滩区间因下穿黄河逡逑需采用泥水平衡盾构法施工外，其余区间均采用土压平衡盾构法施工。逡逑ｖｌＣＳ＾邋＾逦＊■逦＼逡逑＆纪大道站逡逑＇ｔ￣ｘ逦一邋？逦－ｒ邋ｊ邋ｉｖ逡逑ｉ．．邋ＳＵ邋ｓｒｒ．ｎｉ逡逑图１－４兰州地铁１号线两穿黄河区间逡逑兰州地铁１号线一期工程是兰州市首次采用盾构法在砂卵石地层进行隧道施逡逑工，且穿越地层为含水量丰富、强透水的松散？密实的砂卵石地层，卵石含量高，逡逑３逡逑

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【参考文献】