砂砾地层盾构施工注浆效应及作用机理研究

论文摘要

在砂砾地层中进行土压平衡式盾构开挖,由于砂砾地层渗透性大,砂卵石地层容易坍塌,地层成拱性差,因而地面的变形更加难以控制。运用注浆法对砂砾层进行注浆处理是盾构施工过程中遇到的常见方法。注浆技术虽然在隧道工程有着广泛的应用,但是目前对于注浆理论中渗透方面研究还不完善,很大程度上仍依靠施工经验,施工具有很大的盲目性,容易造成材料浪费或者留下工程隐患。因此弄清楚浆液在砂砾地层中的渗透机理是控制注浆过程的一项重要任务。土压平衡式盾构施工成功的关键,是要将开挖面开挖下来的土体在压力舱内调整成一种“塑性流动状态”。进入压力舱的砂砾类土体就很难形成这种“塑性流动状态”,从而影响盾构的排土特性,影响推进扭矩,以及机件磨损,也给施工带来困难。为解决上述问题,通常的办法都是向压力舱内注入一些添加材料来改良土体的状态。注入添加材泥浆（含水）是为了提高塑流性,此外由于砂砾切削土的渗水性大,必须同时确保止水性。因此,对砂砾地层中的盾构切口添加材的研究就显得尤为重要。通过室内模型试验针对大粒径砂砾卵石层地铁盾构施工中注浆材料的作用、浆液的注入率等对地表沉降的控制等问题进行系统深入的研究。并通过工程实例验证,能达到较好的控制效果。具体内容如下:1、研究砾石地层中盾构切口添加材泥浆的力学性态及其作用机理、不同泥浆配比作用效果及其适用性。针对砂砾地层盾构施工中,对几类泥浆切口添加材的泥浆粘度、失水量以及对混入泥浆添加材的砂砾切削土混合体的塑流性（塌落度）和止水性（透水系数）进行了研究分析比较。最后根据试验研究结果,得到砂砾地层中切口添加材的优化选择、优化配比及在砂砾地层切削土中的泥浆添加材的优化注入量等。2、砂砾土层背后同步注浆浆液的特性研究。针对盾构工法壁后注浆浆液（水泥-水玻璃双液浆,即C-S双液浆）的重要特性—粘度、凝结时间、结石体初凝强度和应力应变曲线进行了试验研究分析,包括不同水泥、不同水玻璃模数及不同水玻璃配比对双液浆特性的影响。得出双液浆的粘度变化曲线、凝结时间的变化曲线、初凝强度和应力应变的变化曲线,为实际盾构背后注浆施工过程中的水泥-水玻璃双液浆的优化配方的选择提供了依据。3、通过室内模型试验,针对砂砾地层盾构施工中盾构掘进时背后同步注浆的注入率、注浆材料对地表沉降量的效果影响等进行研究。得到在砂砾地层中盾构壁后同步注浆的注浆材料和注入率的合理范围。并通过工程同步注浆实例对地表沉降控制效果进行验证。4、砂砾层内部构造的复杂性和多变性给注浆理论研究带来了很大的困难,现有的砂砾层渗透注浆理论都是建立在各自理想的假设条件下的,与工程实际相差甚大。本文从浆液的流变性能和砂砾地层的分形特征出发,应用分形分维理论对砂砾层渗透注浆的浆液扩散规律进行了研究。以分形分维的非线性理论研究了砂砾土层中宾汉姆（Bingham）浆液的渗透情形,构造宾汉姆浆液在砂砾地层中渗透的分形理论的本构关系模型。应用砂砾土的分形渗透模型,获得宾汉姆浆液在砂砾土中的渗透率、启动压力梯度的分形理论的计算表达式。以CFD软件Fluent的对所推导的注浆参数之间的关系进行渗流分析比较,对该模型进行验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 盾构工法
• 1.1.2 砂砾土层的概述及特征
• 1.1.3 注浆技术的发展状况
• 1.2 研究背景
• 1.3 研究现状
• 1.4 研究内容
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 主要创新点
• 1.4.3 本文技术路线
• 第2章 泥浆添加材对砂砾地层开挖面的土体改良研究
• 2.1 概述
• 2.1.1 开挖面稳定机理
• 2.1.2 泥土的作用及必备特性
• 2.1.3 开挖面上泥膜的形成
• 2.1.4 泥土的塑流性管理
• 2.2 砂砾地层中切口添加材的研究意义
• 2.2.1 泥浆的主要性能
• 2.2.2 添加材（泥浆）的种类
• 2.2.3 添加材（泥浆）的必备的特征
• 2.2.4 研究意义
• 2.3 添加材优化配比的试验研究
• 2.3.1 研究的目的和方法
• 2.3.2 切口添加材泥浆的配比
• 2.3.3 泥土（添加材与切削土混合体）配制
• 2.3.4 试验条件及方法概要
• 2.4 试验结果比较分析
• 2.4.1 泥浆的粘度、静切力和动切力试验结果
• 2.4.2 各类泥浆的粘度、静切力和动切力的比较
• 2.4.3 泥浆的失水量的比较
• 2.4.4 泥土混合体塑流性比较
• 2.4.5 泥土混合体抗渗性比较
• 2.4.6 几类泥浆的触变性的比较
• 2.4.7 试验结论
• 2.5 切口添加材对开挖面土体改良的影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 砂砾土层中盾构背后双液浆的研究及作用机理
• 3.1 概述
• 3.1.1 注浆的分类
• 3.1.2 背后注浆的目的和要求
• 3.1.3 水泥一水玻璃类浆液
• 3.1.4 水泥—水玻璃浆液的性能
• 3.1.5 C-S 双液浆的填充加固机理
• 3.2 C-S 双液浆特性的试验研究
• 3.2.1 同步注浆材料的性能要求
• 3.2.2 浆液的技术指标
• 3.2.3 试验方案的选择
• 3.2.4 试验项目
• 3.2.5 试验步骤
• 3.3 普通硅酸盐水泥C-S 双液浆
• 3.3.1 浆液的配置
• 3.3.2 浆液的粘度与稳定性
• 3.3.3 浆液的凝结时间
• 3.4 复合水泥C-S 双液浆
• 3.4.1 浆液的配置
• 3.4.2 浆液的粘度与稳定性
• 3.4.3 浆液的凝结时间
• 3.5 早期（终凝）强度的变化
• 3.5.1 强度试块的配比选择
• 3.5.2 试块的制作与养护
• 3.5.3 抗压强度的试验方法
• 3.5.4 均值强度
• 3.5.5 应力-应变曲线
• 3.6 试验结果分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 砂砾土层中盾构背后注浆效果的试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 注浆模型试验的设计
• 4.2.1 试验设计说明
• 4.2.2 试验装置的设计
• 4.2.3 试验方案设计
• 4.3 试验方法与步骤
• 4.3.1 试验系统
• 4.3.2 试验步骤
• 4.3.3 试验测试内容
• 4.4 地表位移与开挖距离关系
• 4.4.1 140%注入率
• 4.4.2 170%注入率
• 4.4.3 200%注入率
• 4.4.4 230%注入率
• 4.5 砂砾土中背后注浆效果的分析
• 4.5.1 注入率的范围
• 4.5.2 注浆材料的作用
• 4.6 背后注浆实例验证
• 4.6.1 工程概况
• 4.6.2 监测点布置以及同步注浆参数
• 4.6.3 地表沉降监测分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 分形砂砾土层中盾构背后注浆的理论模型研究
• 5.1 概述
• 5.2 背后注浆的流变性分析
• 5.2.1 流变学简介
• 5.2.2 浆液的流变性分类
• 5.2.3 牛顿流体
• 5.2.4 非牛顿流体
• 5.2.5 浆液的流变性分析
• 5.3 浆液的流变模型的确定与简化
• 5.3.1 浆液的流变特性
• 5.3.2 渗流模型的简化与假设
• 5.4 砂砾土颗粒的分形特性
• 5.4.1 分形
• 5.4.2 分形维数
• 5.4.3 砂砾土颗粒分形模型的理论依据
• 5.4.4 砂砾土体分形维数的统计方法研究
• 5.5 砂砾土孔隙的分形几何特性
• 5.5.1 砂砾土空隙的分形特征
• 5.5.2 弯曲渗流路径的分形标度关系
• 5.6 分形砂砾土层中BINGHAM 浆液分形模型及试验验证
• 5.6.1 本构关系研究
• 5.6.2 工程参数理论模型
• 5.6.3 理论模型的试验验证
• 5.7 砂砾土层中注浆渗透模型与数值仿真验证
• 5.7.1 理论分析
• 5.7.2 CFD 软件Fluent 的渗流分析
• 5.7.3 理论结果与Fluent 解的比较分析
• 5.8 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 全文结论
• 6.2 建议
• 主要符号说明
• 附表
• 参考文献
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文
• 致谢