文摘

可以实现伟大的现实意义和工程应用价值,当大量的排放EPB盾构隧道产生的土壤是回收和综合利用。作为盾构施工的关键过程之一,同步注浆需要大量的膨润土,水泥、粉煤灰、砂,和其他材料。研究重用神气活现的盾构同步注浆材料进行基于郑州地铁项目。出院土壤的物理特性和相位EPB盾构隧道通过实验室测试和XRD研究了。统计数据表明,神气活现的盾牌满足膨润土的性能要求和细沙在同步注浆材料。神气活现的最优灌浆比率的重用了基于MATLAB的优化多目标规划的概念。考虑组合效应的渗流场、应力场、及时性的灌浆,灌浆压力的影响和同步注浆充填率表面沉降、地层塑性区,部分变形用有限差分法进行了分析。结果证明表面沉降和段变形可以更好地控制灌浆压力为0.18 MPa时,注浆率为120% -150%。

1。介绍

EPB盾构法已经成为最广泛使用的施工方法在城市地铁建设在中国。生成大量的淤泥在盾构施工。神气活现的盾牌不仅占用大量的土地,减少土壤质量,影响空气和水的质量,但也有一定的安全风险。除此之外,它是昂贵的直接运输垃圾废物处理区域。因此,重用神气活现的盾牌上的研究具有十分重要的现实意义和实用价值。

目前,一些研究的重用神气活现的盾牌被执行,包括以下几方面:(1)工程灌浆处理技术。咋et al。1]研究了公式wastewater-based钻井液转化为土壤环境友好。治疗过程可以实现无害的处理和有效利用钻井废弃物。通过无侧限抗压强度的数据分析、三轴抗压强度、间接抗拉强度、湿度敏感性,和地震模数、示范等。2]得出可行的使用修改的钻井废物作为公路建设的基本材料。惠特克等。3]研究了钻井泥浆的应用程序的影响对土壤盐分积累和浸出率,以及应用的时间和速度的影响钻井泥浆的小麦产量进行了讨论。盾(4]研究了钻井泥浆处理技术,探讨了固化处理技术在钻井废物通过实验室研究。彭et al。5)系统地分析和研究了几种主要无害的处理方法(凝固治疗,二次利用废料灌浆)在中国。(2)重用神气活现的盾牌:通过灌浆处理过程的威悉河河隧道开挖,Grohs [6)发现沙子可以用作承载层分离,隔音的墙的覆盖层,根据不同公路路基填料粒子的内容。钟等。7]研究了挖掘的重用粉细沙在盾构同步注浆。他等。8]使用盾牌淤泥砂(模数为1.88)从双站王家墩车站中心武汉地铁3号线作为细骨料准备环保单一液体同步注浆材料通过优化实验与高性能混合比例。总之,尽管学者们取得丰硕成果的重用盾神气活现的,很少有研究的重用EPB盾淤泥作为同步注浆材料,和系统化的研究成果尚未报道。同步注浆是盾构施工的关键环节之一。通常,灌浆注入盾尾之间的间隙和段来填补这一缺口和控制地层变形(9- - - - - -12]。同时,隧道周围的灌浆形成保护层,以提高盾构隧道的不渗透性13- - - - - -15]。地层,盾通过通常是软土地层包含大量的粘土颗粒和细沙。如果进行适当的治疗,出院土壤是一个高质量的原料同步注浆。

针对这一点,根据建筑的例子一段穿越粉质粘土层和粘土质粉砂地层砂质粉土在郑州地铁,论述了可行性的重用盾,和最好的比例同步注浆重用神气活现的盾牌。此外,灌浆压力和填充率的影响表面沉降、土壤塑性区和段变形进行了研究。研究结果将为类似工程提供参考。

2。项目概述

一定部分的郑州地铁的主要地层粘土质粉砂地层砂质粉土,和当地层粉质粘土层和砂质粉土和粘土质粉砂层。根据地质勘探,56%的粉质粘土地层隧道穿越的,38%是细沙,和6%的粉质粘土和砂质粉土,如图1。

两个土压平衡盾构机的直径6250毫米被用于建设。钢筋混凝土部分被用作隧道衬砌。段的外直径6.2米,厚度0.35米,宽1.5米。神气活现的理论输出每圈49.4 m³。每环理论灌浆体积是4.1 m³,填充系数是1.5 - -2.0。

3所示。神气活现的盾作为注浆材料的可行性

3.1。神气活现的盾牌的工程特性测试

神气活现的盾牌的详细成分和相分析,主要包括密度、含水量、比重、限制含水量、孔隙比、饱和度、分级特性和其他物理特性测试,进行。神气活现的盾牌示例如图2。

3.1.1。基本物理性能

盾淤泥的基本物理性质可以通过物理性质测量,结果列在表中1。

根据测量结果,神气活现的样本有适度的水分含量和粘度指数为0.5。土样的低液限粉质粘土塑性状态。

3.1.2。颗粒级配曲线的淤泥

分析的粒度组成、土壤0.075毫米以上的粒度分布是由筛分方法,和土壤的粒度分布低于0.075毫米被密度计测量方法考虑微粒的存在在粉质粘土的淤泥。淤泥的粒度组成是体现在表2。颗粒级配曲线描绘在图3。

根据表2和图3粉质粘土样品的粒度分布不均匀,颗粒级配是好的。有很多微粒的样品。微粒的粒径小于0.075毫米的占39.32%,与粘土颗粒粒径小于0.005毫米的占8.45%。

只有筛选方法用于确定粒度分布,细度模数和泥浆内容用于评估质量的沙子样本分析的粒度组成淤泥的细沙。神气活现的细沙的粒度组成如表所示3,级配曲线显示在图4。

根据表3和图4,细沙样品的粒度分布是均匀的,可怜的,主要是在0.6 - -0.15的范围,和介质的组成主要是由砂和细砂。

3.1.3。矿物成分的分析

应用多功能x射线衍射仪(XRD)分析阶段的粉质粘土和细砂。神气活现的粉质粘土的矿物组成主要由石英(21.35%)、长石(16.38%),和蒙脱石(31.03%)。细沙的矿物组成主要由石英(35.03%)和长石(27.35%)。

3.2。神气活现的盾作为注浆材料的可行性分析

神气活现的粘土粉质粘土的矿物成分与良好的吸水膨胀性能高。此外,土壤样品的粒径很小,和土壤颗粒的比表面积每单位质量很大,可有效提高灌浆液体的粘度和稳定性。因此,它是可行的代替膨润土同步注浆液体原料的特性,如物理特性的基础上,神气活现的矿物成分,粒度组成部分的郑州地铁。此外,神气活现的细沙的矿物成分主要是石英和长石与小泥内容。回收的基本条件,运用工程砂,所以它是可行的替代原料的细沙同步注浆液体。

4所示。优化神气活现的重用率的灌浆

基于保护部分的工程情况,水泥、粉煤灰、粉质粘土,淤泥(代替膨润土),细沙在淤泥(替代河沙)、膨润土、和水是选为单一液体灌浆材料水泥砂浆与活跃。

利用均匀设计的基本理论和方法,可以有效地避免了大量的测试。均匀设计是由中国的统计学家方开泰教授和中国科学院的成员王元,这是英超方法进行多因素、多层次实验设计。它可以完成复杂的科研项目的研究和开发新产品和更少的实验。最大的特点是实验的数量可以等于最高级别数,而非实验因素的数量的平方。此外,许多实验的数量只有相关因素调查。然而,试验的数量应该大约3倍的实验因素,这有利于建模和优化。

同步注浆的液体是一种单一的液体,和它的影响因素可以分为四个属性,即水胶比、binder-sand比率,bentonite-water比率,和飞灰水泥比率。水胶比是水胶结材料的比率。bentonite-water比膨润土比水。水泥砂比砂胶结材料的比例。飞灰水泥比率是水泥粉煤灰的比例。分析各影响因素的影响在灌浆的施工性能和设计最佳的混合比例,每个影响因素五水平的测试集,和数量的测试是测试的实际水平的三倍。因此,15组的测试安排,即4因素和15的制服设计的水平。指附录方开泰的我均匀设计与均匀设计表(16),统一的设计是由选择列1,2,4,6的U15∗(157)。材料的比例均匀设计表中列出4。灌浆材料的性能测试主要包括项目比重测试、一致性测试,流动性测试,出血率测试,凝结时间试验、石头收缩试验和无侧限压缩试验。测试结果展示在表5。

基于统一测试的结果,使用SPSS软件进行回归分析与回归方法,并采用二次多元回归模型分析变量之间的相互作用。 在哪里x_我和x_k试验因素,b₀,b_k,b_jkcoregression系数,x₁水胶比,x₂binder-sand比率,x₃是bentonite-water比率,x₄是飞灰水泥比率。每个因素的回归方程是根据获得的测试结果。

基于回归分析的结果,每个灌浆材料的影响因素和浆液的性能进行了分析。因素是改变它的值范围内,这个因素的比重的影响砂浆,石头收缩率,初始流动性,3 h出血率、凝结时间、抗压强度进行了研究。同时,独立变量的多目标规划问题是决定根据间隔均匀试验因素水平,和MATLAB优化工具箱中的fmincon函数用于解决多目标规划问题与理想点的方法。同步注浆材料的最优比例由表列出神气活现的盾牌6。灌浆材料的性能最优比例表中列出7。

5。数值模拟研究神气活现的盾构同步注浆的效果

5.1。计算模型和参数

201环210环的左边线的间隔是用作测试部分神气活现的重用。隧道左线部分在205年的环是选为计算部分进行同步注浆施工参数的敏感性分析,通过应用FLAC3D有限差分软件。这个项目的地质调查数据的基础上,主要的隧道地层是细砂和粉质粘土。特定的地层参数如表所示8。稳定地下水位埋深的约16米,隧道顶部是18米离开水面。两行之间的距离的部分大约是13.5米。只有灌浆施工的影响在左线被认为是在计算考虑到正确的线被发掘。

根据盾构机的参数,就可以计算出理论塌方差距(25毫米)一半的区别是铣刀直径(6480毫米)的外径盾尾。的理论缺口(70毫米)一半的区别是在盾尾盾尾的内径和外径的段(6200毫米)。的理论厚度环一半的区别是由灌浆的铣刀直径和外直径段(140毫米)。

由于随机性和复杂性在岩土材料的物理和力学性能,下面的计算条件和数值模拟中使用的假设:假设每一层的厚度均匀,没有相互干扰、围岩和支护结构是均匀和各向同性材料;下面的地层地下水深度渗透;隧道开挖期间的水位保持不变;灌浆是不可压缩的,各向同性,nondilutable并不阻止。

根据把原理、开挖引起的位移和应力变化可以忽略在开挖区域用3到5倍的隧道跨度。因此,左、右、上和低维隧道的开挖面积不少于3 - 5倍的隧道跨度的实际数值模拟过程。计算模型如图5。边界约束水平限制前面,后面,左边,和正确的模型,模型的底部的垂直约束,和自由边界模型的顶部。流体在渗流边界的流体交换在左,右,和底部边界约束,没有液体限制强加在正面和背面的界限。

层土壤模拟固体元素,它遵循mc故障判据。盾构段模拟与固体元素,它符合弹性本构模型。段共同被认为是通过设置刚度降低系数为0.7。盾构机的钢板是由壳单元模拟符合弹性本构模型。灌浆层模拟固体元素按照弹性本构模型和被视为透水材料。由于灌浆是用来填补开挖直径和保护身体,与固体元素填充层模拟弹性本构模型,它被认为是不透水材料。

5.2。模拟施工步骤

计算步骤模拟盾构施工的三个阶段:(1)盾构机阶段:盾壳单元和超挖填层模型中被激活;(2)段的盾尾阶段:盾壳单元和overexcavated填充层钝化、盾尾注浆层和管片在模型中被激活。整个环盾尾注浆压力的应用。考虑到剪切运动和固结灌浆(灌浆参数的变化率在早期阶段的整合是巨大的),要注意改变灌浆层的硬化参数在适当的时间和降低灌浆压力。(3)水泥浆硬化阶段:时间硬化参数的灌浆层也应该被应用在这个阶段。

更准确地模拟现场施工,盾构施工分为三个阶段(表6的计算步骤9根据灌浆体的硬化过程考虑到施工阶段和对地表变形的影响。在计算过程中,不同的地层应力释放系数设置为不同的施工步骤。

5.3。计算时间的灌浆参数

获取时间硬化参数在这项研究中,材料的弹性模量和泊松比之间的关系的灌浆和时间安装根据浆液性能参数的测量结果在不同的年龄,和的关系如下: 在哪里E弹性模量,MPa,λ泊松比,t是养护天0-28灌浆的d。

灌浆的硬化参数(表10根据整合时间点)在施工仿真的步骤2∼6。

5.4。施工效果分析在不同灌浆压力

5.4.1之前。范围和垂直分布的灌浆压力

假设灌浆压力、灌浆均匀分布在整个环与扩散的方式填充方法。盾尾空隙的填充率为100%。合理和充分研究灌浆压力对隧道结构的影响和表面变形、统一的灌浆压力的范围在整个环设置为0.10 MPa∼0.30 MPa,线性渐变是0.04 MPa共有6工作条件。

由于周向和纵向剪切运动时浆液灌浆,灌浆巩固随着时间的推移,它认为灌浆压力几乎减少到0后1 d内的分离环(即。9米远离盾尾)结合工程实践和文学研究。纵向灌浆压力的降低系数表中列出11。

5.4.2。数值模拟结果的分析

(1)表面沉降。不同注浆压力下地表沉降图所示6。外侧表面沉降曲线在不同注浆压力基本上是相同的,几乎符合高斯曲线的特点。灌浆压力有很大的变化对地表沉降的影响。最大地表沉降逐渐随灌浆压力的增加而减小,但沉降槽的宽度保持不变。灌浆压力大于0.22 MPa时,表面的隆起发生约25米离轴两边的盾,和隆起增加灌浆压力的增加。

如图7,段变形椭圆和水槽作为一个整体在水土压力和注浆压力的影响。段变形特征点的变化大大不同灌浆压力下,和整体解决部分随灌浆压力的增加而减小。段的变化值融合体现在图8。与灌浆压力的增加,垂直的部分逐渐增加,而水平收敛段显示了一个先增加然后减少的趋势。当灌浆压力设置为0.18 MPa,水平收敛段达到4.16毫米的最大价值。

(2)塑性区分布。表12显示了土壤塑性区分布在不同的灌浆压力。塑性区主要分布在双方的隧道,和大小随灌浆压力的增加而减小。当灌浆压力的值小于0.18 MPa,隧道周围有拉伸失效单元。

控制隧道地表沉降监测项目的值是10毫米根据监测技术规范的城市轨道交通工程和工程监测的一级要求。图6表明最低灌浆压力为0.18 MPa。图8礼物,灌浆压力的增加,收敛段间隙逐渐增加。灌浆压力容易导致过度段错位和开裂,所以灌浆压力均匀分布在整个环应该设置为0.18 MPa。

5.5。施工效果分析与不同的灌浆量

5.5.1。充填灌浆

(1)模拟方法。收敛单元建立的计算模型来模拟灌浆的影响不完全填满盾尾的空白。作为显示在图9当段只是盾尾分开,土壤会收敛于隧道。假设当浆液填充盾尾间隙的80%,剩下的20%是土壤的收敛。确保连续性数值模拟的网格,收敛单元用于替换空单元,并给出这些单位小强度参数的近似模拟。

(2)工作条件。假设充填和注浆率是80%∼100%,具体情况如表所示13。

(3)分析的数值结果①表面沉降。不同回填灌浆条件下地表沉降图所示10。水平表面沉降的曲线在不同回填灌浆利率基本上是相同的,这几乎是符合高斯分布的特点。回填灌浆的变化对地表沉降速率有很大的影响。与回填灌浆速率的增加,地表沉降的最大值逐渐减少,和变化是相当大的。的宽度设置槽回填灌浆速率变化时保持不变。②段变形。图11显示段不同回填灌浆条件下的变形。整个段沿椭圆变形和下沉的影响下水土压力灌浆压力。段变形特征点的变化大大不同灌浆压力下,和整体解决部分随灌浆压力的增加而减小。回填灌浆速率和段收敛之间的关系是描绘在图12。与回填灌浆速率的增加,垂直和水平收敛收敛段表现出增加的趋势;段椭圆率的增加,随着回填灌浆速率的增加。③塑性区分布。表14是土壤的分布没有回填灌浆的塑性区。塑性区主要分布在隧道的左右,和大小随充填灌浆速率的增加而减小。上面的塑性变形区域的左和右隧道大回填灌浆率小于100%时,很容易导致隧道上方土壤的不稳定。

控制隧道地表沉降监测项目的值是10毫米根据监测技术规范的城市轨道交通工程和工程监测的一级要求。图10显示,当回填灌浆率小于100%,最大地表沉降大于10毫米。考虑到表面沉降和塑性区分布、回填灌浆速率应该是100%。

5.5.2。渗透注浆

灌浆注入率的变化的影响表面沉降、段变形、塑性区分布模拟的同时,灌浆注入率100% - -200%进行计算和分析。假设浆液注入率超过100%时,会发生渗透灌浆,整个环均匀渗透。与此同时,基于该方法在Lei et al。17),弹性模量可以大致计算根据grout-soil混合物(3),并根据灌浆采用泊松比相应的计算阶段。表中给出的具体条件15。 在哪里E₃MPa是grout-soil混合物的弹性模量,E₁的弹性模量是土壤地层隧道所在地,MPa,E₂相应的弹性模量是灌浆,MPa,然后呢n_f的有效孔隙度是土壤地层隧道所在地,这是25.44%。

仿真结果如图13- - - - - -15。仿真结果表明,灌浆注入量的变化对地表沉降影响不大,部分变形,塑性区分布。随着灌浆注入量的增加,最大地表沉降减少。段的椭圆率增加,然后随灌浆注入量的增加而减小。当灌浆注入率是120%,垂直和水平收敛收敛段达到最大。

6。结论

(1)粉质粘土的矿物组成盾牌淤泥主要由石英(16.38%)、长石(21.35%),和蒙脱石(31.03%)。细沙的矿物组成主要由石英(35.03%)和长石(27.35%)。可行的使用粉质粘土和细砂神气活现的盾牌来取代膨润土和细沙同步注浆的原材料,分别。(2)基于统一测试结果,SPSS多元回归分析和MATLAB用于解决非线性规划问题。最优比例神气活现的盾构同步注浆材料水灰比0.74,binder-sand比率为0.84,bentonite-water比率为0.11,飞灰水泥比率为2.75。(3)使用有限差分法分析了灌浆压力和填充率的影响考虑渗流场的共同作用,应力场,灌浆时间属性。从计算结果和经济效益的角度来看,当灌浆压力限制在0.18 MPa和灌浆速率安排120%∼150%,地表沉降和变形段粪采用灌浆时更好的控制。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学国家重点项目(没有。51938005)。作者感谢这个机构的支持。