砂砾石地层条件下的土压平衡矩形顶管土体改良试验研究

摘要

采用土压平衡矩形顶管法在砂砾石地层中修建城市地下中短隧道时，由于该类土体流塑性差，容易产生刀盘“闭塞、结饼”等现象，很难维持土压舱与开挖面水土压力之间的动态平衡，严重时导致开挖面失稳、坍塌事故的发生。因此，如何将土舱内渣土改良至塑性流动状态即“良好的流动性”、“低摩擦性”、“高压缩性”、“低渗透性”是顶管顺利顶进的重要前提。
　　本文以采用土压平衡矩形顶管法修建的内蒙古科技大学地下通道工程为背景，采用监控量测、搅拌试验、直剪试验、坍落度试验等研究方法，对砂砾石地层条件下土压平衡矩形顶管土舱土体改良方法进行了研究，主要研究内容和成果如下：
　　通过现场监测数据及室内试验，对该工程采用的PAM溶液+粉土泥浆的土体改良方法与改良效果进行研究。结果表明：该工程中渣土改良效果不理想，机头刀盘磨损及闭塞现象严重，地表沉降多次超限，实际顶进速度仅为1.5mm/min，该种土体改良方法仍有较大的改进空间。
　　基于该工程土体改良效果的不足，提出了PAM溶液+膨润土泥浆的土体改良方法，研究该种方法不同添加剂配比对改良后土体性能指标的影响规律。结果表明：PAM溶液的最佳浓度为2g/L，膨润土泥浆最佳质量浓度范围为9％～11%；随着PAM溶液注入比的增加，改良后土体的坍落度、压缩系数逐渐增大，搅拌扭矩先增大后减小，内摩擦角逐渐减小；根据改良后土体性能最终选取泥浆注入比为10%～14%，PAM溶液注入比为17%～18%的改良方案。
　　通过搅拌法和罗氏泡沫仪试验，配制出两种最佳的发泡体系，分别为：FW2，发泡率为5.75，半衰期为330s；FW3，发泡率为5.5，半衰期为420s。在此基础上，研究不同添加剂配比对改良后土体性能指标的影响规律，结果表明：随着泡沫注入比的增加改良后土体坍落度逐渐增大，搅拌扭矩、内摩擦角逐渐减小；确定出最佳的土体改良方案，即泥浆注入比为8%～10%，泡沫注入比为15%～20%。
　　经过综合评价分析得到：当泥浆注入比大于8%时，砂砾石地层中土压平衡矩形顶管施工泡沫土体改良效果优于PAM；根据试验结果结合现场施工经验，设计出两种土体改良方案的施工工艺。

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1 绪论

1.1 土压平衡矩形顶管法的发展历史与工作原理

1.2 土压平衡矩形顶管施工中常见问题

1.3 土压平衡矩形顶管施工“土体理想状态”

1.4 土体改良常用改良剂

1.5 土舱土体改良研究现状

1.6 土压平衡矩形顶管法与盾构法对比

1.7 研究的目的及意义

1.8 本文主要开展的工作

2 内蒙古科技大学地下通道土体改良效果研究

2.1 工程概述

2.2 主要风险源及控制标准

2.3 监控量测方案

2.4 土体改良方法及存在的问题

2.5 本章小结

3 砂砾石地层条件下的聚丙烯酰胺土体改良试验研究

3.1 PAM+钠基膨润土土体改良机理分析

3.2 搅拌扭矩公式推导

3.3 土体改良搅拌试验

3.4 PAM溶液浓度确定

3.5 膨润土泥浆浓度的选取

3.6 PAM+泥浆土体改良试验结果分析

3.7 PAM土体改良效果综合评价

3.8 本章小结

4 砂砾石地层条件下的泡沫剂配比及土体改良试验研究

4.1 顶管施工用泡沫的基本要求

4.2 发泡剂与稳泡剂的选取

4.3 搅拌法及试验数据分析

4.4 罗氏泡沫仪试验结果分析

4.5 泡沫土体改良试验研究

4.6 本章小结

5 PAM土体改良与泡沫土体改良效果评价及施工工艺

5.1 室内试验数据对比分析

5.2 改良后渣土处理对比分析

5.3 土体改良方案的经济性对比分析

5.4 两种改良方法对出土率的影响

5.5 土体改良施工工艺

5.6 本章小结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢