富水砂层地铁盾构隧道渣土混合改良的流塑性与渗透性

[目的]盾构在富水砂层中掘进时,易产生刀盘扭矩过高、磨损严重以及螺旋运输机喷涌等问题。为了保证施工的安全性,需对渣土进行改良。[方法]以西安地铁16号线某盾构区间工程为依托,根据砂土地层自稳性差、摩擦性高、渗透率高的特点选取渣土改良剂。通过渣土坍落度试验、渗透试验、现场试验相结合的方式,采用泡沫单独改良、泡沫及膨润土泥浆混合改良两种方案开展富水砂层渣土改良试验研究。[结果及结论]实际盾构掘进施工中,在考虑安全、高效、经济的前提下,结合室内试验所得数据,确定采用膨润土泥浆、泡沫混合改良的方案。当膨润土与水质量比为1/8,发泡液质量分数为3%时,改良剂性能满足施工要求;泡沫单独改良渣土受含水率影响大,含水率越高,泡沫最佳注入率越小。中砂的最佳改良方案是BIR(膨润土泥浆注入比)为10%,FIR(泡沫注入率)为20%~25%;砾砂的最佳改良方案是BIR为10%,FIR为35%~40%。工程实践表明,渣土混合改良效果良好,盾构掘进参数平稳。

多固废协同制备再生可控性低强度材料及其性能研究

可控性低强度材料(CLSM)是一种替代传统级配砂石回填的新型回填材料,具有良好的工作性和力学性能。为了提高CLSM中固废利用率,减少水泥用量,降低工程成本和施工难度,利用再生微粉、矿渣粉等固废材料配合盾构渣土制备CLSM,并通过SEM分析不同配比CLSM水化产物的微观形貌。结果显示,多固废协同制备的CLSM流动度可控制在135~215 mm,抗压强度可控制在3.40~5.93 MPa。再生微粉最佳掺量为20%,矿渣粉最佳掺量为30%,抗压强度最高可达5.93 MPa。再生微粉与矿渣粉复掺可以相互促进,将更多的水泥产物CH转化为C-S-H凝胶物质填补孔隙结构,提高材料结构强度。

水泥基复合材料固化铬污染盾构渣土性能及其机理研究

为了实现铬污染盾构渣土的资源化利用,解决单一水泥固化材料用量大、排放量高以及固化效果不理想等问题,研制水泥基有机-无机复合固化剂固化铬污染盾构渣土。以14 d养护龄期固化土无侧限抗压强度和浸出毒性为评判指标,通过设计“五因素四水平”正交试验确定复合固化剂最佳配比;采用极差分析法对各影响因素进行主效应分析,并结合XRD和SEM试验探究复合有机-无机固化剂的作用机理。研究结果表明:无侧限抗压强度和浸出毒性评判指标的最优解均为11%(质量分数,下同)水泥、5.50%生石灰、0.25%聚丙烯酰胺、1.10%硅酸钠和0.05%海藻酸钠;14 d养护龄期的试验13(A4B1C4D4E1)固化土无侧限抗压强度达1217.58 kPa,重金属铬浸出质量浓度为2.4 mg/L,满足相关规范要求;水泥、海藻酸钠和硅酸钠为固化土无侧限抗压强度评判指标的主要影响因素,水泥、海藻酸钠和生石灰为浸出毒性评判指标的主要影响因素;固化土无侧限抗压强度与重金属铬浸出质量浓度密切相关,具体表现为固化土无侧限抗压强度越大,重金属铬的稳定化效果越明显;大量的自由水被消耗、pH升高、新矿物的生成、土体微观结构改变及土颗粒间胶结作用增强是盾构渣土性能提高的主要原因;当固化土强度增大时,重金属铬的物理封闭作用增强;此外,发生水化反应形成的较高pH也促进三价铬生成难溶于水的氢氧化物沉淀,从而降低固化土重金属铬浸出毒性。

OPC-MCA固化剂对盾构废泥的固化性能及其微观作用机制研究

通过添加高炉矿渣(GGBS)、脱硫石膏(FGDG)、铝酸钙粉、生石灰和明矾到普通硅酸盐水泥P.O42.5(OPC)中,制备一种新型盾构废泥改良材料OPC-MCA。首先,通过正交测试法确定OPC-MCA中各原料的最优配比。然后,使用该材料和OPC在10%~40%的掺量下处理芜湖市城南过江隧道工程产生的盾构废泥,并检测不同固化时间(3、7、28 d)下的抗压强度。最后,采用扫描电镜(SEM)、工业CT系统和X射线衍射(XRD)观察和分析固化后废泥试样的微观形貌、孔隙和裂纹特征以及矿物成分变化。研究结果表明:OPCMCA的最优材料配比为51%OPC、32%GGBS、8%FGDG、5%铝酸钙粉、3%生石灰、1%明矾;OPCMCA对芜湖盾构废泥的固化能力比OPC的强,在低掺量情况下更是如此;固化剂掺量和固化时间的增加会导致试样强度增加、脆性增强,并使部分试样转变为拉伸破坏;在OPC-MCA固化的试样中检测到了OPC固化试样中未检测到的水化硅铝酸钙(C-A-S-H)和单硫型硫铝酸盐(AFm),并且钙矾石(AFt)含量也更高;在同等掺量下,OPC-MCA固化试样中大尺寸孔隙的比例以及孔隙的总体积均比OPC固化试样的小。

中国盾构隧道工程关键技术的新进展综述

从研究背景与思路、机制/原理、材料/装备、技术论证、试验研究、工程应用等方面介绍中国大直径盾构掘进主轴承事故分析及国产主轴承的自主研发、盾构隧道工程安全高效掘进渣土适配性改良技术及配套材料、盾尾安全保障核心材料研发、盾构隧道新型管片连接技术、城市隧道三模掘进机关键技术等5个方面关键技术的最新进展情况。认为:1)自主研制的超大型盾构机用直径8.01 m主轴承大型套圈纯净度、大型滚子纯净度、大型套圈疲劳性能、大型滚子硬度均匀性、套圈材料淬透性和淬硬层深度、保持架焊缝疲劳寿命和拉断力均优于进口水平;构建了真实对数曲线大型滚子设计方法,突破了高精度大型滚子加工技术,处于国际先进水平,高精度加工和装配保证了零件尺寸精度及形位公差均满足设计要求;通过产品验收、装机应用论证和工程应用,表明应用该大直径主轴承不会产生接触疲劳强度不足和微动引起的疲劳磨损,可用于超大直径盾构隧道工程建设。2)针对黏性、富水砂性和硬岩等复杂地层,以改善岩土环境为核心,研发出了高配向密度的聚合型泡沫剂、高分子抗黏剂、喷涌防止剂和耐磨抑尘剂等环保型系列渣土改良剂,形成了盾构泥饼、喷涌和磨损原位改良主动防控技术,建立了通用地层适配性盾构渣土动态改良技术体系,保障了盾构安全高效掘进。3)针对盾构掘进过程中的盾尾密封失效难题,研发了“黏-稠-流”有机统一的新型盾尾密封油脂,温度敏感性低(黏温系数0.4)、抗水压能力强(最高抗水压3.5 MPa),整体性能提高1.3倍,为盾尾安全提供了有力保障;针对盾构同步注浆浆液泌水、离析和地层沉降难题,研发出了同步注浆充填剂,优化了惰性充填浆液配比,30 min零泌水,实现了壁后惰性充填,保障了管片壁后注浆质量和地层沉降精细化控制。4)新型管片连接技术采用环缝插入+纵缝滑入的连接形式,可以高标准地控制隧道接缝张开量和错台量,管片制作及拼装精度高,可降低接缝防水难度,提升成型隧道的质量,无需设置手孔,无需人工紧固作业,自动化程度高,施工效率高,可节约施工成本及改善洞内拼装作业环境。5)研制出的土压+泥水+TBM三模掘进机能够满足复杂多变、软硬不均复合地层等几乎所有地层的掘进施工,且可在不停机、不拆装设备的前提下实现掘进模式的快速转换,在TBM掘进模式下螺旋输送机+泥浆管道可协同排渣,解决了富水硬岩地层掘进排渣难的问题,机械化和智能化程度高,安全可靠,施工效率高,可改善工人作业环境,节省工期和成本。中国盾构隧道建设取得的巨大成就,推动了中国乃至世界盾构隧道技术的发展和进步,但仍时有安全事故发生,需从装备、材料、技术、管理等方面进一步研究和突破。在今后较长的时间内,中国盾构隧道(尤其是大直径盾构隧道)仍将处于高速建设发展期,面临的建设条件将越来越复杂,技术难度和挑战也将越来越大。要实现盾构隧道建设的快速、安全、健康,需处理好盾构隧道技术领域的关键问题,实现盾构隧道关键核心技术的突破。上述关键技术仍需不断完善并加强推广和应用,以促进中国盾构隧道建设向高适应性、高智能、高可靠性、高效益、高质量、高安全性和低能耗方向发展,形成适合于中国“土壤”的盾构隧道新技术。

固化盾构渣土耐久性试验研究及寿命预测

为了研究岩溶地区固化盾构渣土(SSM)耐久性能及寿命预测,以盾构渣土为主要原材料,利用水泥、粉煤灰、矿粉等胶凝材料进行固化处理,开展了20组完全浸泡正交试验并进行无侧限抗压强度试验及微观试验。结果表明:SSM无侧限抗压强度的变化特性主要与浸泡龄期有关,主要变化特征是前期强度缓慢增加,后期下降较快;SSM的耐久性能受配合比的影响,当水泥、粉煤灰及矿粉的掺量分别为0.357、0.071、0.021 kg时,SSM表现出来的耐久性能最好;C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶改善了盾构渣土的内部结构,是SSM体系抵抗侵蚀作用的耐久性强度来源;由寿命预测可知:水胶比为0.29、0.31、0.25的固化盾构渣土试件浸泡90 d后的最小寿命预测值分别是6.69、6.79、6.27 a,浸泡360 d后的最大预测值分别是48.5、54.38、50.34 a。

盾构余泥用作3种绿化植物种植基质的改良处理及可行性评价

[目的]研究城市固体废弃物盾构余泥的资源化处理方式,为盾构余泥的资源最大化利用和多元化利用提供参考。[方法]将盾构余泥和园林废弃物按不同比例配制成复合基质,通过盆栽试验研究不同基质的pH、容重、孔隙度、阳离子交换量、有效氮、有效磷、速效钾含量等基本理化性质,及各处理的发芽情况,分析不同基质对种子萌发的影响,探究适合用于绿化种植的基质配比。[结果]各改良基质处理下3种植物的综合评价指数不尽相同。熵权TOPSIS集成评价法分析结果显示,T40-5对盐肤木和草决明的综合评价指数最高,T50-3对刺槐的综合评价指数最高。[结论]盐肤木和草决明的最佳基质配方为:40%盾构余泥+40%园林废弃物+8%生物炭+10%膨润土+2%缓释颗粒肥;刺槐的最佳基质配方为:50%盾构余泥+30%园林废弃物+10%生物炭+8%膨润土+2%缓释颗粒肥。

盾构渣土的绿色处理及路基填料性能研究

随着我国地铁建设,产生了巨大量的盾构渣土。目前国内多采用消纳弃置,这种处理方式会造成土地资源浪费和环境污染。研制一种专业处理盾构渣土的复合固化剂,降低含水率,改良固化土颗粒组成,降低有机物含量,提高强度及稳定性。通过系列试验,对绿色处理后的盾构渣土的无侧限抗压强度、抗剪强度、加州承载比等力学性能指标进行分析,试验证明,绿色处理后的盾构渣土具有较高的强度和较好的工程特性,可用作道路路基填料。为盾构渣土的工程再利用提供了有益的参考。

泥岩地层盾构渣土改良技术研究

依托成都轨道交通资阳线盾构工程穿越泥岩地层进行盾构防泥饼渣土改良方案研究和大量实践,分析了泥饼的形成过程和影响因素,并结合泥岩地层特性,提出了合理的渣土改良方案,包括用取改良材料、开展渣土改良试验、确定改良参数的范围,并根据现场实际情况进行修正,指出实施安全质量控制要点和掘进控制措施,可以有效预防盾构泥饼对掘进施工产生的负面影响。

大粒径富水卵石、漂石土地层大直径土压盾构掘进关键技术

为解决大直径土压盾构在大粒径富水卵石、漂石土地层条件下刀盘刀具磨损严重、刀盘被卡、地表塌陷、渣土喷涌等工程难题,结合都四山地轨道交通项目DSZQ-1标永丰站—蒲阳站区间盾构隧道工程的施工情况,从盾构选型设计、超前地质预警处理、掘进参数选择、渣土改良、螺机防喷涌等方面进行研究,总结出都江堰地区大粒径富水卵石、漂石土地层大直径土压盾构掘进关键技术,为后续工程在此类地层施工提供了借鉴依据。

地铁盾构区间端头加固TRD工法施工碴土置换率研究

临江富水粉细砂地层大直径盾构始发和接收井端头加固对加固效果有极高的要求,TRD渠式切割水泥土工法作为一种地层加固措施,有较好的加固效果,通过对TRD渠式切割水泥土加固工法的阐述,结合地铁大直径盾构区间端头加固工程实例,介绍TRD渠式切割水泥土墙的施工工艺及参数控制,对影响置换土的置换率主要因素进行分析,并通过理论公式计算得到理论置换率。与实际现场置换土方量对比,得出对TRD工法施工中有指导意义的理论结果,为后续工程施工组织提供借鉴经验。

基于深度卷积自编码网络的渣土车厢点云数据自校正方法

为解决智能化盾构施工中,施工隧道内所采集的渣土车原始点云数据存在畸变,从而影响渣土体积测量准确性的问题,基于点云数据处理与深度学习的方法,建立基于深度卷积自编码网络的渣土车厢自适应去畸变模型。首先,采用包围盒滤波和反距离加权插值对渣土车厢点云数据进行滤波与补全操作,接着使用真实渣土车厢尺寸构建网络的理想输出,并通过灰度化将点云数据转换为伪特征图,构建网络的数据集;然后,以传统卷积自编码网络为基础构建渣土车厢自校正网络,网络设计融合堆叠式卷积层和栈式自编码的处理方法,增加网络层数以获得更优的特征表达;最后,使用盾构掘进现场数据进行试验。结果表明:本文提出的渣土车厢点云数据自校正方法在保证时间效率的前提下,渣土车厢数据的峰值信噪比(PSNR)达到29.73,结构相似性(SSIM)达到0.86,均优于传统自编码网络与几何约束矫正的方法。证明了本文方法的正确性与有效性,能够提高隧道内所获取渣土车厢点云数据的可用性,同时为点云数据去畸变技术在三维重构和工程领域的应用提供了理论依据。

土压平衡盾构出渣温度实时监测系统设计与应用

为弥补现有研究中土压平衡盾构出渣温度监测技术的不足,自主设计研发一套土压平衡盾构出渣温度实时监测系统,其由土舱壁、螺旋机筒壁、出渣口和皮带机4处安装的温度传感器实时监测出渣温度,并将监测数据传输到盾构PLC界面实时显示和记录。该系统首次应用于深圳地铁6号线支线某工程。应用结果表明:1)该系统能实时监测刀盘前方渣土的温度变化情况,稳定性良好,且可在PLC操作界面实时查看历史数据,自动化程度高。2)同一时刻不同位置监测点温度存在0.5~1.0℃的差异,且地层的变化会导致出渣温度发生变化。3)在黏土地层和强风化岩层中,当出渣温度<35℃时,属于正常范围;当出渣温度为35~45℃时,属于警戒范围;当出渣温度>45℃时,属于异常范围。施工时应结合转矩、推力、掘进速度的变化,综合判断刀盘刀具是否结泥饼。

利用液态DME-TTFP对盾构渣土绿色高效脱水研究

针对盾构渣土脱水过程中处理时间长、脱水效率较低和药剂环境污染等问题,使用液态二甲醚与三亚磷酸酯复合材料(DME-TTFP),通过相变法对盾构渣土进行脱水,探究不同DME-TTFP掺入量和反应时间对盾构渣土脱水效果的影响规律。通过X射线衍射法(XRD)、X射线荧光光谱法(XRF)、扫描电镜(SEM)、比表面积分析(BET)等方法表征盾构渣土脱水前后的物质组成、粒径分布及颗粒形貌,并对盾构渣土在脱水过程中的水分形态变化进行分析。结果表明:1)DME-TTFP掺入量和处理时间显著影响盾构渣土的脱水效果,盾构渣土的含水率随着液态DME-TTFP投加量和反应时间的增加而降低;2)将液态DME-TTFP与渣土中水分的质量比控制为8,脱水时间控制为15~20 min,可将渣土的含水率稳定在23%左右,达到最高效的脱水状态;3)脱水前后渣土粒径分布较为稳定,DME-TTFP不会残留在渣土中,对渣土的成分组成影响较小,具有较强的可重复利用性;4)在脱水过程中,前期自由水会优先脱离,反应中后期部分结合水会逐渐脱离,结合水脱除率可达35%以上。

盾构弃渣在岩溶充填注浆材料中的资源化利用

为经济、环保地处理盾构弃渣,依托南宁国际空港综合交通枢纽城市轨道交通机场线引入机场盾构隧道工程,探讨盾构弃渣就地消纳用于岩溶充填注浆原料的可行性。首先,选用L16(44)的正交试验设计,开展盾构弃渣制备岩溶注浆材料室内试验,并研究各影响因素对于浆液性能指标的影响规律;其次,通过多目标-理想点法获取浆液最优配合比;最后,将研究成果成功应用于工程现场。研究结果表明:1)盾构弃渣用于岩溶充填注浆原料是可行的,一定程度上解决了盾构弃渣的处理问题,且该注浆材料可满足后续盾构安全高效掘进;2)在最优配合比(水灰质量比∶盾构弃渣掺量∶速凝剂掺量∶膨胀剂掺量=1.41∶35.80%∶0.48%∶0.31%)下浆液各性能参数均符合岩溶充填注浆要求;3)注浆后取芯样发现,浆液与岩溶充填物胶结紧密,后续盾构掘进过程无异常突变情况,注浆和掘进效果达到预期,且盾构弃渣在简易处理后即可实现浆液现场快速配制,可节省约30%的材料成本,其经济与环境效益显著,具有广泛的推广及应用价值。

聚丙烯纤维改性盾构渣土强度特性研究

隧道建设越来越多,盾构渣土产生量将不断上升,盾构渣土逐渐成为发达城市固体废弃物的主要来源。纤维能够有效地提高土体强度,通过纤维对盾构渣土进行改良,以期解决其再利用问题。本文以北京某大直径盾构隧道盾构渣土为研究对象,采用自主研发的固化剂和聚丙烯纤维进行改良,在室内制作聚丙烯纤维改性土试块与纯固化剂改性土试块进行强度特性对比分析,并用扫描电镜对试样的微观结构进行了研究。结果表明:当聚丙烯纤维改良盾构渣土纤维含量为0.5%时,无侧限抗压强度值最大为1026 kPa,比纯固化剂改性土无侧限抗压强度提高了77.5%;纤维改性土粘聚力为304 kPa,比纯固化剂改性土粘聚力提高了36.9%;纤维改性土内摩擦角受纤维含量影响较小;且纤维改性土中聚丙烯纤维与改性土形成了非常强的物理连接,提高了土体的整体性、强度和稳定性。

基于大数据的泥水盾构排渣量测算方法优化研究

为提高泥水盾构排渣量测算精度,依托深圳某超大直径盾构隧道工程,引入单环地层平均密度值,分析实测排渣量与进、排浆密度差的相关性,拟合函数变量k,提出基于开挖地层密度值的泥水盾构排渣量测算方法。研究表明:1)采用开挖地层密度值作为测算排渣量的变量之一,测算排渣量结果稳定性好,波动程度低;2)泥水盾构排渣量与进、排浆密度差呈正相关;3)采用基于开挖地层密度值的泥水盾构排渣量测算方法计算的单环排渣量,相对误差≤30%的环数占总环数的88%,大大提高了泥水盾构排渣量的测算精度与稳定性。

盾构泡沫剂生态友好性能测试方法与评价指标探讨

盾构渣土因含有大量难以降解的化学泡沫剂逐步成为一种新型固体废弃物。为解决含泡沫剂的盾构渣土排放后容易造成生态环境破坏的问题,从盾构泡沫剂的原材料出发,优选来自天然动植物的原材料以及植物基改性原材料,通过正交试验方法进行配方优化,研制出一种生态友好型盾构泡沫剂(HS-Ⅰ型)。结合盾构施工现场渣土清运时对周边生态环境的影响,提出盾构泡沫剂的生态友好性能测试方法与参考评价指标,并根据所提出的方法进行HS-Ⅰ型盾构泡沫剂和传统化学泡沫剂的斑马鱼试验、室外试验田试验对比研究。结果表明,HS-Ⅰ型盾构泡沫剂对斑马鱼致死率仅为市场上传统化学泡沫剂的1/10~1/5,HS-Ⅰ型盾构泡沫剂对植物生长影响远低于传统化学泡沫剂。

盾构隧道渣土的物理力学性质及资源化利用研究

为应对盾构隧道渣土日益庞大的产量,形成对盾构渣土的资源化利用体系的系统性认识是有必要的.取样得到国内6个不同城市的典型盾构隧道工程所产生的渣土,并对其进行试验得到了不同城市盾构渣土的含水率、液塑限含水率、颗粒粒径、贯入指数、CBR承载比等物理力学性质,探讨了盾构渣土潜在的资源化利用前景.阐述了目前盾构渣土的资源化处理技术的原理、适用场景、品质要求,据此结合盾构渣土的物理力学性质进行分析,提出了不同性质渣土的分类体系,从而说明不同性质渣土可能的处理方式,进一步总结出一套盾构渣土综合利用途径流程,以期为我国的盾构渣土的资源化利用发展提供一定参考.

盾构渣土砖制备技术及性能研究

北京东六环路(京哈高速~潞苑北大街)改造工程预计出渣300万方(约450万t)。为实现盾构渣土的资源化利用,采用多种测试手段对盾构渣土的性能进行分析和研究,并以盾构渣土为主要原材料,采用机制砂改善级配,以水泥、石灰为胶凝材料,通过振动压力成型制备盾构渣土免烧砖。对制备的砖进行性能研究,结果表明:优化配比后,采用盾构渣制备砖的性能基本能够满足MU20要求。采用60%机制砂对盾构渣土进行改性后制备砖的宏观力学和耐久性能得到明显改善,且采用改性后砂制备砖的微观性能明显优于单纯采用盾构渣制备砖的微观性能。明确了基于盾构渣土制备免烧砖的可行性和技术路线,为国内同类型盾构渣土的资源化利用提供参考。