盾构开挖面不稳定土体置换加固技术研究

作     者：黄恒儒 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘泓;张厚美

授予年度：2017年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：盾构开仓 开挖面 不稳定土体 置换加固 

摘      要：在盾构施工中,有时因为清除泥饼、检查刀具和更换刀具等需要进入土仓内作业,当遇到不稳定地层时,往往不能直接开仓,一般只能选择地面加固或压气的方法开仓。地面加固后开仓的方法成本高、工期长、加固地点不能预先确定,有时地面不具备加固条件。压气法开仓因其可通过压缩空气来达到止水和支撑掌子面的目的,施工成本相对较低,工期较短。但在稳定性较差的松散地层中(如砂层、花岗岩残积土层等),由于其透气性较好,实施压气作业仍存在地层稳定时间较短、无法顺利完成仓内作业或甚至不能成功建立气压的问题。盾构机在软弱松散地层中开仓时,出土排渣使开挖面卸荷导致周边岩土体出现应力集中的状态,当周边岩土体不能承受集中应力的作用时就会向土仓内移动坍塌并在开挖面形成塌空区,塌空区出现后开挖面周边岩土体的应力状态再次发生改变并引起开挖面产生第二次坍塌,依次渐进坍塌由开挖面向地表逐渐发展。在开挖面坍塌发展的过程中,如果能利用气压暂时稳定周边岩土体,并向土仓注入可凝固性的浆液填充塌空区,在土仓再次排渣后开挖面原不稳定部位已被浆液固结体代替,此时若浆液固结体的强度能使开挖面自稳,则可以安全开仓作业。基于这种思路,文章开展了盾构开挖面不稳定土体置换加固的研究,主要内容如下:(1)开展盾构开挖面稳定性的分析研究,研究通过加气压提供极限支护压力主动引导开挖面土体坍塌形成塌空区,并把塌空区控制在安全范围;(2)根据仓内置换加固技术原理,选择置换加固浆材;(3)开展非可凝固性浆液和凝固性浆液的配合比试验,选择最优浆材;(4)开展仓内非可凝固性浆液置换可凝固性浆液的试验研究;(5)把上述研究成果在工程实例应用。上述研究主要得出以下结论:在出土降压过程中往开挖面施加极限支护气压能形成暂时安全稳定的塌空区,满足置换加固的要求,采用三维楔形体计算模型推导计算塌空区形成过程中极限支护气压的的方法可行;对于非可凝固性的膨润土砂浆置换仓内可凝固性的水泥膨润土浆,两种浆液的密度差值0.16g/cm以上时置换率达到90%以上,效果较好。