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渣土改良是保障土压平衡盾构施工顺利进行的关键技术之一,对于砂卵石地层施工过程中常遇到的刀盘扭矩大、积仓以及喷涌等施工难题,目前仍没有很好的渣土改良解决方案。开发适用于砂卵石地层的新型渣土改良材料对于拓宽土压平衡盾构工法的地层适应性具有重要意义。本文通过理论分析、室内实验以及现场验证的方式开展新型渣土改良剂配方研制工作,主要研究成果如下:(1)提出了一套泡沫析液半衰期测试方法和泡沫剂原液性能评价指标,研究了泡沫稳定性影响因素、商用泡沫剂性能特征,并确定了自制泡沫剂性能优选指标和评价方法。(2)研制了6种不同稳定性的泡沫剂配方,其半衰期介于10-60min,并得出冬季施工时可以通过往配方中复配二乙二醇丁醚来降低泡沫剂原液的克拉夫特点。对比分析了自制泡沫剂与商用泡沫剂原液在发泡性能、酸碱盐耐受性以及耐低温效果,验证了自制泡沫剂综合性能的优异性。(3)研究了泡沫参数对砂卵石改良效果的影响规律性特征,总结了不同泡沫参数对砂卵石土体流塑性、渗透性和剪切强度的改良效果,得出“高稳定性、中等发泡倍率和注入比”下的泡沫对砂卵石的综合改良效果较佳。(4)研制了一种新型高分子触变型泥浆材料,提出采用A/B液混合形成触变型泥浆的方式来应对全断面富水的大粒径砂卵石地层中的渣土改良难题。基于室内流塑性和渗透性改良实验结果,优选出了其各组分的浓度和配比为:13wt%泥浆:20wt%N-触变剂:34wt%硅酸钠:0.5wt%羟乙基纤维素=10:1:2:2。(5)验证了自制泡沫剂在北京地铁19号线、8号线3期工程中的应用效果。并结合室内实验及现场试验结果,分别得出了适用于无水砂卵石地层降低刀盘扭矩、富水砂卵石地层减小螺旋机喷涌频率的合理泡沫参数范围。总结了现场盾构掘进参数相关性特征规律,给出了砂卵石地层改良剂的选用与参数建议。