盾构隧道壁后注浆体特性及其对地层变形的影响研究

摘要

盾构法作为一种安全、环保、高效快速、低扰动的隧道施工工法，越来越广泛地被应用到地下工程施工中，已经成为了城市地铁隧道建设的主流工法。但盾构施工时，当管片衬砌环从盾尾脱出后，围岩与管片之间就不可避免的会形成盾尾空隙，盾尾同步注浆就成为盾构施工必不可少的环节，通常采用向盾尾空隙充填注浆材料的办法来达到控制地层变形的目的。基于此，本文针对盾构注浆浆液的工程性质、浆液压力充填分布、浆液固结压缩特性以及地层变形进行了相关研究，得到了以下主要成果和结论:
　　(1)对可硬性浆液的各项工程特性进行了正交设计试验研究。水灰比、膨水比、粉灰比、胶砂比、减胶比等是影响浆液工程性质的关键因素，增加用水量虽然会提高浆液的流动性，但却会降低浆液稳定性，使泌水率增大，收缩变形变大等;增加粉灰比能提高流动性，但会降低浆液早期强度并增加泌水率;膨润土的增加会显著降低浆液的泌水率和体积收缩率;适当的添加剂则能很好的改善浆液物理性质。
　　(2)设计了浆液固结变形试验装置，并利用该试验装置探讨了注浆压力、注浆浆液性质、隧道周边土体性质等对浆液固结变形的影响，归纳了浆液随时间变化的变形模型。一定条件下，随注浆压力的增大，浆液最终压缩量也更大，但注浆浆液的体积收缩率并不是随着压力的增大而无限增长。砂土的渗透系数大于粘土垫层，因而浆液能够更快的排水固结。影响浆液固结变形最本质的因素还是浆液自身性质，只有合理的根据施工环境确定合理的注浆浆液才能保证浆液的压缩变形控制在一定范围内。
　　(3)推导了考虑及不考虑浆液粘度时变性的注浆浆液沿环向充填时的压力分布规律:浆液环向压力分布主要有两个因素决定，浆液自重和浆液的粘度系数:当注浆浆液由注浆孔向上流动时，自重项和粘度项均起到阻力作用;当浆液向下流动充填时，粘度项仍起到阻碍作用，重力项却有使浆液压力增加的作用。而若考虑到浆液的粘度时变性，其主要影响到的是粘度系数项，主要表现为:无论是向上还是向下流动充填，其浆液压力损失会更大，相同位置处的浆液压力比不考虑粘度时变性的压力更小。
　　(4)运用ANSYS软件对盾构施工过程进行了简单的数值模拟，针对性的研究了注浆浆液弹性模量、注浆压力、注浆量等因素对于地层变形规律的影响。注浆浆液弹性模量、注浆压力以及注浆量都不同程度地对于地层变形产生影响，一般情况下，盾构同步注浆浆液的弹性模量、注浆压力以及注浆量的增加都会一定程度地减小地层位移，对于控制地表沉降的效果而言，注浆量和注浆压力增大较浆液弹性模量的增大更加明显。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题背景

1．2 盾构中的壁后注浆

1．3 盾构壁后注浆研究现状

1．3．1 壁后注浆浆液性质研究

1．3．2 壁后注浆浆液压力分布规律研究

1．3．3 壁后注浆对地层沉降的影响研究

1．4 研究内容和技术思路

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 主要技术思路

2 盾构壁后注浆浆液特性研究

2．1 盾构注浆浆液

2．2 浆液原材料性质

2．3 试验测试方法

2．3．1 密度

2．3．2 泌水率

2．3．3 体积收缩率

2．3．4 早期强度

2．4 试验设计

2．5 试验结果

2．6 浆液试验结果极差分析

2．6．1 密度极差分析

2．6．2 泌水率极差分析

2．6．3 体积收缩率极差分析

2．6．4 早期抗压强度极差分析

2．7 本章小结

3 盾构壁后注浆体固结变形特性研究

3．1 壁后注浆单元体模型

3．2 注浆浆液压缩变形试验设计

3．3 试验结果及分析

3．3．1 注浆压力对浆液压缩变形的影响

3．3．2 土质条件对浆液压缩变形的影响

3．3．3 浆液性质对浆液压缩变形的影响

3．4 注浆浆液变形模型

3．5 本章小结

4 盾构壁后浆液压力环向分布规律研究

4．1 注浆浆液流变特性

4．1．1 注浆浆液流型

4．1．2 注浆浆液时变性

4．2 注浆浆液扩散过程

4．3 盾构壁后注浆浆液压力分布模式

4．3．1 基本假设

4．3．2 不考虑时变性浆液压力分布模式

4．3．3 考虑时变性浆液压力分布模式

4．4 实例分析

4．5 本章小结

5 盾构壁后注浆对地层变形数值模拟研究

5．1 有限元法与ANSYS基本原理

5．2 ANSYS隧道模拟过程

5．2．1 土体材料模拟

5．2．2 管片及注浆层模拟

5．2．3 开挖单元模拟

5．2．4 掘进施工模拟方法

5．3 盾构施工三维有限元模拟

5．3．1 计算模型的建立

5．4 结果分析

5．4．1 注浆浆液性质对地层位移的影响

5．4．2 注浆压力对地层位移的影响

5．4．3 注浆量对地层位移的影响

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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