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目前城市轨道交通的发展速度与日俱增，不可避免在恶劣的地形环境中进行施工，在地下空间开发过程中盾构法施工为首选之法。随着盾构技术广泛应用于各大城市中的地铁隧道、公路隧道等基本建设，应用范围拓展，隧道将穿越各种地层条件。其中富水砂性地层具有颗粒级配较差、孔隙率较大、流塑性差、内摩擦角大、黏聚力低、渗透性高等特点，当土压平衡盾构穿越该地层时，易发生“喷涌”现象和排渣不畅的施工难题，难以保证盾构机的正常掘进，甚至造成开挖面失稳、地表沉降等重大灾害。因此，开展土压平衡盾构穿越富水砂层“喷涌”机理分析及改良渣土在螺旋输送机内的运移规律研究，对于分析盾构穿越富水砂层时喷涌、排渣不畅等工程难题发生的原因及相对应的措施有重要的意义。
本文以南昌轨道交通某标段盾构隧道穿越富水砂层为背景，针对“喷涌”现象、排渣不畅等工程难题，开展了土压平衡盾构穿越富水砂层“喷涌”机理分析及改良渣土在螺旋输送机内的运移规律研究。本文主要研究内容包括:
(1)通过土仓及螺旋输送机分段解析的方式，分别采用有限元和解析法，推导了土仓和螺旋输送机水头分布方程，将结果与已有研究对比验证。针对典型盾构参数进行计算，开展了盾构机械参数、土体参数敏感性分析，提出了防止喷涌的两大措施，机械改造与添加改良剂。
(2)考虑砂土渗透性的影响因素，通过多孔介质渗流理论、级配优化和微观结构分析的方法，对泡沫剂、膨润土、高分子聚合物三种改良剂对砂土渗透性影响展开分析，分别从不同角度分析了其对砂土渗透性的改良机制，为富水砂层隧道工程选取适应改良剂提供理论基础。
(3)设计并开展改良剂优化试验、得到最优泡沫剂溶液浓度及对应的性能参数，并用之于渗透性试验及坍落度试验，得到改良剂浓度、注入比、高分子聚合物掺量等对砂土渗透性及流动性的影响规律，综合考虑砂土流动性、渗透性及经济效益等方面的影响，得到适应该地层的最优改良方案。
(4)从理论角度出发，推导了螺旋输送机土压梯度和排渣土流量方程，开展参数敏感性分析，结果表明螺旋输送机机械参数和渣土性质参数均为土压平衡盾构渣土运移的重要影响因素。因此，既要合理地设计螺旋输送机机械尺寸，也要利用渣土改良等技术来调节渣土性质，保证盾构顺利排渣及隧道施工的高效性、安全性。
(5)通过理论分析，研究改良渣土在螺旋输送机内流动的控制方程。结合数值模拟，通过滑移网格与静态网格相结合的方式，利用Fluent对螺旋输送机内改良渣土的运移进行模拟，验证改良方案的适应性。同时工程应用表明，采用本文提出的改良方案，盾构机在富水砂质地层中掘进过程中，各项工作参数稳定且无喷涌现象的发生，说明渣土改良效果显著，保证了隧道施工的安全高效。
本文研究内容为“喷涌”特性和防治、渣土改良剂改良机理、及渣土在螺旋输送机内的运移规律提供了新的研究方法，对土压平衡盾构穿越富水砂性地层工程具有重要的参考借鉴意义。
本文以南昌轨道交通某标段盾构隧道穿越富水砂层为背景，针对“喷涌”现象、排渣不畅等工程难题，开展了土压平衡盾构穿越富水砂层“喷涌”机理分析及改良渣土在螺旋输送机内的运移规律研究。本文主要研究内容包括:
(1)通过土仓及螺旋输送机分段解析的方式，分别采用有限元和解析法，推导了土仓和螺旋输送机水头分布方程，将结果与已有研究对比验证。针对典型盾构参数进行计算，开展了盾构机械参数、土体参数敏感性分析，提出了防止喷涌的两大措施，机械改造与添加改良剂。
(2)考虑砂土渗透性的影响因素，通过多孔介质渗流理论、级配优化和微观结构分析的方法，对泡沫剂、膨润土、高分子聚合物三种改良剂对砂土渗透性影响展开分析，分别从不同角度分析了其对砂土渗透性的改良机制，为富水砂层隧道工程选取适应改良剂提供理论基础。
(3)设计并开展改良剂优化试验、得到最优泡沫剂溶液浓度及对应的性能参数，并用之于渗透性试验及坍落度试验，得到改良剂浓度、注入比、高分子聚合物掺量等对砂土渗透性及流动性的影响规律，综合考虑砂土流动性、渗透性及经济效益等方面的影响，得到适应该地层的最优改良方案。
(4)从理论角度出发，推导了螺旋输送机土压梯度和排渣土流量方程，开展参数敏感性分析，结果表明螺旋输送机机械参数和渣土性质参数均为土压平衡盾构渣土运移的重要影响因素。因此，既要合理地设计螺旋输送机机械尺寸，也要利用渣土改良等技术来调节渣土性质，保证盾构顺利排渣及隧道施工的高效性、安全性。
(5)通过理论分析，研究改良渣土在螺旋输送机内流动的控制方程。结合数值模拟，通过滑移网格与静态网格相结合的方式，利用Fluent对螺旋输送机内改良渣土的运移进行模拟，验证改良方案的适应性。同时工程应用表明，采用本文提出的改良方案，盾构机在富水砂质地层中掘进过程中，各项工作参数稳定且无喷涌现象的发生，说明渣土改良效果显著，保证了隧道施工的安全高效。
本文研究内容为“喷涌”特性和防治、渣土改良剂改良机理、及渣土在螺旋输送机内的运移规律提供了新的研究方法，对土压平衡盾构穿越富水砂性地层工程具有重要的参考借鉴意义。