北京工业大学研究生开题报告论文开题报告

北京工业大学研究生开题报告

学位级别：□博士 ■硕士 □工程硕士 学 号： S200604004 研究生姓名： 姜 厚 停 指导教师姓名： 张在明 龚秋明 专业名称： 岩 土 工 程

所在学院： 建筑工程学院 开题报告时间： 2008年1月

北京工业大学研究生部制表

注意：本表基本情况及报告正文由研究生本人填写，硕士不少于3000字，博士不少于5000字。

格式要求：正文文字部分为5号宋体、单倍行间距排版，A4纸双面打印装订。

开题报告评价部分分别由指导教师及专家组书写。开题报告会结束后一周之内将报告原件交院（所）研究生教学秘书处。

一、基本情况

研究生姓名 院、系 学科、专业 姜厚停 建筑工程学院 岩土工程 学 号 指导教师姓名及职称 入学年月 S200604004 张在明 龚秋明 2006.09 1、 研究方向、论文选题范围： 地下工程 2、 拟定论文题目： 砂卵石地层土压平衡盾构开挖添加剂优化配比试验研究 3、 论文科研课题属于哪一级科研项目，经费来源及金额（课题来源选项分为国家计委、科委项目、国家经贸委项目、国家自然科学基金项目、其他部门项目、主管部门（部委级）项目、省、市、自治区项目、国际合作项目、学校级项目、自选项目、其它）： 北京市教委科技发展计划重点项目 4、 论文类型（基础研究、应用研究、开发研究、其它） 应用研究 选题研究内容和意义简介（限400字）： 随着我国城市隧道工程的讯速发展，盾构法得到了广泛的应用，在技术和经济上取得良好的效果，成为软土地基隧道施工的首选。在盾构施工过程中，具有良好塑流性的掘削土体，是保证土压摘 要 平衡盾构法施工的重要前提，砂卵石地层是一种典型的不稳定地层，掘进过程中土质塑流性差，会造成一系列的问题。因此，应用土压平衡式盾构机开挖砂卵石地层是个难点。解决这一问题的办法就是对砂卵石进行土体改良以满足施工要求，本文通过国内外文献调研及室内试验，根据砂卵石地层的特性，利用坍落度试验和搅拌试测出添加剂的最佳注入量，寻找建立适合不同级配砂卵石地层土压平衡的添加剂及配比方案，从而指导土压平衡盾构法在砂卵石地层的施工。 通过对本课题的研究，研究泡沫在混合土体中的作用机理，研究混合土体的性质。为以后北京地区乃至全国应用土压平衡式盾构工法开挖砂卵石地层提供参考。 关键词（用分号隔开、最多5个） 隧道工程；砂卵石地层；土体改良；添加剂；塑流性

二、开题报告

（一）选题依据与研究内容

1、选题依据（研究意义、国内外研究现状等）

随着我国城市隧道工程的讯速发展，盾构法得到了广泛的应用，在技术和经济上取得良好的效果，成为软土地基隧道施工的首选[1]。在盾构施工过程中，具有良好塑流性的掘削土体，是保证土压平衡盾构法施工的重要前提[2]，砂卵石地层是一种典型的不稳定地层，掘进过程中土质塑流性差，会造成一系列的问题[3]。因此，应用土压平衡式盾构机开挖砂卵石地层是个难点。在实际盾构法施工中，土体改良已经成功的应用于实践中，本文通过国内外文献调研及室内试验，根据砂卵石地层的特性，利用坍落度试验和搅拌试测出添加剂的最佳注入量，寻找建立适合不同级配砂卵石地层土压平衡的添加剂及配比方案，从而指导土压平衡盾构法在砂卵石地层的施工。 1.1 本课题研究路线 1、国内外文献调研；

2、进行室内试验，并自行设计一套简易试验装置，试验砂卵石与添加剂混合体的稳定性能； 3、选择几组典型的砂卵石进行试验。 1.2 国外学者对土体改良的研究情况

(1)荷兰代尔夫特大学A.bezuijen教授[4]等研究制作了一个直径50cm，高125cm的模型压力舱，盖板上设置加载装置和排土装置，容器有搅拌设备并可以向土中注入添加剂料，使用这一装置对推进时土舱内的土压力分布行进测量，对土体的塑流性进行了试验研究；同时也对砂土中加入泡沫后形成的混合物的渗透性、压缩性、粘滞性及空隙压力进行了相关研究。得到渗透性和气泡添加量有直接的关系，剪切抵抗是与混入气泡后的孔隙率有关等结论。

(2)多伦多大学的Nikol Kochmanova博士[5](Nikol Kochmanova，2007)对土体改良及理论研究做了一系列的室内试验，试验材料为Feldspar公司生产的EPK高岭土和美国silica公司生产的ASTM 20/30砂，采用坍落度试验对不同发泡剂和不同泡沫注入比的混合土体做了研究，试验表明坍落高度才随着含水量的增加而增大。

(3)里尔力学实验室Stephane Quebaud博士[6对土压平衡式盾构掘进中添加剂(气泡)对土体性质的改变进行了深入的研究。试验由两部分组成：第一部分研究气泡特性,包括气泡的稳定性，发泡率和可压缩性，第二部分研究气泡和土体混合物的性质，在研究混合土体的性质时，作者采用进行了搅拌试验、坍落度试验、滑板试验、渗透试验，浸透试验分别研究了改良土的性质。已有的试验结果表明，气泡混合土的渗透性和气泡添加量有直接的关系，其对旋转翼的剪切抵抗则与孔隙率有关，总之，气泡有助于改善土压平衡式盾构在砂土中的掘进性能[34]。

(4)Degussa气泡公司的Qiu Ling Feng博士[7](2004)对粘行土体和砂性土进行了研究，结果表明对粘性土体和砂性土体应该用不同的泡沫进行改良，作者使用小型搅拌机对混合土体进行搅拌，通过混合土体对搅拌翼的表观粘附程度评价了泡沫的效果。

(5)学者Raffaele Vinai，Claudio Oggeri[8](2007)等通过室内的圆锥坍落度试验和压力舱模型试验设备对改良土进行研究，压力舱模型是一个直径600mm，高为800mm的圆筒，并设有加压系统和排土设备(螺旋输送机)，螺旋输送机的顶部有测量扭矩的装置，压力舱和螺旋输送机设置了4个压力计，监测土压的变化。试验表明：塑流性好的改良土，压力沿着螺旋输送机连续减小，而对于饱和砂土或含水量太大的混合土沿着螺旋输送机土压变化不明显。

(6)牛津大学的Sotiris Psomas[9](2001)硕士通过搅拌试验、压缩试验、渗透性试验和直剪试验对土压平衡式盾构施工的土体改良进行了一系列的室内试验，得到以下结论：

①、在压缩试验中，泡沫混合砂表现出高压缩性，而且能承受较高的竖向压力，试验后砂的空

隙比大于干砂在最松散状态下的空隙比，盾构机土舱内的压力通常在200Kpa左右，在此实验中得到，在土压力达到200Kpa时气泡仍然存在。

②、在直剪试验中，泡沫混合砂表现出较小的剪切力，说明泡沫能大大减小混合砂的抗剪力。 ③、在渗透性实验中，饱和砂的渗透性数是泡沫混合砂的10倍左右。

④、泡沫混合粗砂和泡沫混合细砂的性能相似，但是颗粒的大小仍然是决定土体性能的一个重要参数。

1.3 国内学者对土体改良的研究情况

(1)河海大学的朱伟教授和他的团队对土体改良做了全面的研究，发明设计了一套可以在室内进行发泡的试验装置，研究了气泡的性质，做了一系列泡沫做为添加剂的混合砂的室内试验[10]~[14]。

(2)郭涛[15](2005)利用朱伟教授发明的发泡装置，研究气泡的半衰期和气泡的发泡倍率与发泡剂浓度的关系，得出发泡剂浓度对气泡的半衰期和气泡的发泡倍率有决定性因素；并通过渗透试验对改良后砂的渗透性、塑流性做了研究。得到了混合土体的气泡掺入比越大则坍落度的减小幅度越大。

(3)林键[16](2006)同样采用朱伟教授发明的发泡装置产生的气泡，对砂土进行了改良，并进行了直剪试验、滑板试验和搅拌试验，得到了混合砂土性质与土质参数的直接关系。

(4)北京交通大学的宋克志博士[17](2005)研究了无水砂卵石地层在土压平衡式盾构工法下的土体改良，利用泡沫技术对砂卵石地层进行了室内试验和现场应用。结果表明：在加泥的基础上注入泡沫能显著地增强土压平衡盾构在砂卵石地层中掘进性能，不仅有利于保持开挖土土压平衡，而且机械负荷及刀盘磨损大大减轻，提高了工效。

(5)乐贵平等[18](2001)报道了采用加泥式土压平衡盾构掘进机施工通过北京市清河污水隧洞工程的实例，并给出了成功施工的关键在于配制性能适宜的加泥浆的结论，并做了坍落度试验确定最佳的泥浆配比。

2、选题的研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题等

2.1本课题研究内容 2.1.1泡沫的作用原理 1、 表面张力的减小[19]

我们知道，水分子之间由氢键相连，当表面活性剂溶于水后，憎水基致使水分子之间的氢键断裂，同时重新构建周围水分子的结构，使得憎水基受到水分子的排斥，因此，水的表面覆盖了一层表面活性剂，其憎水基与空气接触，从而减小了水的表面张力[20]，如图2-1所示。

图2-1 表面活性剂的性质

2、吸附性

当表面活性剂加入液体中，他吸附在固体-液体、液体-气体和不同液体分界面上[5]。 3、润滑作用

表面张力的减小增加了润滑作用，由于结合水的流动使得原先被结合水束缚的土颗粒可以自由流动。如图2-1所示[19]

4、静电排斥作用，如图2-1所示，使得由静电力结合的土粒分开。 5、泡沫混合土的微观示意图如下所示：

图2-2 泡沫混合土的微观示意图[9]

由以上可以总结出泡沫的性能如下：

由于泡沫的体积极小，可以迅速渗透到砂卵石中，将砂卵石包裹起来，降低了土体的密实度；同时，泡沫具有润滑性能，能改善土体颗粒的构造，其泡沫混合土示意图如图2-2所示，直接减小土体颗粒之间的摩擦，改善土体的的塑流性。泡沫的大部分由气体构成，气泡具有压缩性或叫做弹性，故掘削土压变动小，利于掘削面的稳定。 2.1.2膨润土泥浆作用原理[26]~[28]

膨润土水化后，形成不透水的可塑性胶体，同时挤占与之接触的土颗粒之间的孔隙，在“阻塞”和“架桥”效应的作用下，积聚于土壤与泥水的接触表面，从而形成泥膜。膨润土泥浆和土体相互作用后形成的泥膜参见图2-3[22]。

图2-3 膨润土泥浆与土体作用形成混合土体的结构

2.1.3 高分子类聚合物的作用原理

聚合物是土压平衡式盾构法比较常用的添加剂，而且起着非常重要的作用，如：维持掌子面平衡、减小刀盘扭矩和减小刀具的磨损等[21][22]。

聚合物除了增强泡沫的稳定性以外，还有以下主要的功能[31]~[33]： 1、 吸收土体中的自由水[20]，如高吸水性树脂[23]（环氧树脂等）；

2、 连接混合土中的微小颗粒，增强掌子面附近土体水的粘性，从而降低土体的渗透性[24]，如

CMC等；

3、润滑混合土体并在螺旋输送机帮助形成“塞子”，使渣土顺利排出； 4、阻止或减小土体与掌子面和其他金属表面之间的粘着力； 5、抗阻塞性能。 2.2 本课题研究目标

随着对土压平衡式盾构工法研究的不断深入，以及各种添加剂料应用于土体改良中，土压平衡式盾构工法适用的土层范围不断扩大，但对于砂卵石地层的土体改良来说，仍然是个难点，特别是添加剂的选择以及配比关系[29][30]，本文将做以下两方面的探索：

（1）通过参考牛津大学和河海大学的泡沫生产的试验装置，自行设计一套适合室内试验的发泡装置，按照泡沫的要求（如发泡剂浓度、发泡倍率等）制造出合适的泡沫。经压缩空气的作用，发出直径为30~400um的气泡。此装置可以通过改变网格的大小制造出不同直径的泡沫，方便系统地研究泡沫的性质，如泡沫的半衰期、发泡倍率与气泡直径的关系等，从中找到满足盾构施工要求的泡沫。

（2）由于砂卵石地层的特殊性，本项目采用合适的添加剂（如泥浆和泡沫等添加剂）进行土体改良，并通过坍落度试验评价混合土体的流动性，并明确以下内容：不同稳定性气泡和不同气泡掺入比对改良土流动性的影响；气泡改良后开挖土的流动性随时间变化的规律；不同泥浆注入量对改良土流动性的影响。

（3）在搅拌试验中，主要明确以下关系：不同的添加剂加入情况下对混合土性质的影响；添加剂对搅拌扭矩的影响规律。 2.3拟采取的试验方法 2.3.1 泡沫的制作过程 发泡装置如图2-3所示

图2-3泡沫的发泡装置

仪器如下：面板试流量计、水泵 、空气压缩机、调压阀、阀门、发泡装置以及附属设备(桶管等) 材料：发泡剂和水

按照泡沫的要求(如发泡剂浓度、发泡倍率等)在上述装置中制造出合适的泡沫。经压缩空气的作

用，发出直径为30~400um的气泡，并试验泡沫的性质。 2.3.2、坍落度试验

• 将砂卵石进行筛分试验，画出试样的颗粒级配。

• 做不同含水量试样的坍落度试验，水的含量分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%和30%，

比较试样坍落度随含水量增大的变化规律，找出能满足盾构施工要求最佳的含水量。 • 1.3本试验的发泡液为1%、2%、3%三种浓度，制成不同稳定性和发泡倍率的气泡； • 1.4对于砂卵石地层，泥浆由膨润土制成，泥浆的密度D=1.4~1.5；

• 1.5 在试样中分别加入泡沫和泥浆，另做一组同时加泡沫和泥浆进行试验，做这三组的对比

试验。

2.3.3、搅拌试验

搅拌试验的试样和添加剂配比与坍落度试验的一样，目的是更好的模拟土舱里的真实情况，方便、直观地研究气泡混合土性质对压力舱内刀盘和搅拌翼板搅拌扭矩的影响规律，再者验证坍落度试验的结果。

试验仪器：小型砂浆搅拌机，电流表 2.4本项目拟解决的关键问题

（1）作为比较理想的添加剂泡沫，气泡直径、发泡液浓度和发泡倍率等与泡沫性质的关系，从而可以更高效地使用泡沫，这是泡沫使用的关键问题。

（2）确定满足砂卵石地层盾构施工所需细颗粒的含量，泥浆的最佳浓度；另一方面泡沫与土体混合后的作用时间，也是需要研究的关键问题。

（3）通过搅拌试验，分析泡沫和泥浆所起的作用，研究添加剂对刀盘和螺旋排土器扭矩的影响。

4、论文研究进度计划（含研究进度计划安排、研究经费预算及解决办法）、预期研究结果

进度安排：

• 2007年11月～2008年1月 文献前期阅读、试验设计、形成论文基本思路 • 2008年1月～2008年6月 试验材料准备、验数据记录、整理 • 2008年6月～2008年9月 试验数据分析 • 2008年9月～2009年3月 论文撰写 • 2009年3月～2009年5月 论文修改

（二）论文研究工作基础及条件保障

1、工作基础（含入学以来取得研究成果、参与或承担的科研项目情况等）

入学以来努力学习，不敢有丝毫的怠慢，各科都取得了令人满意的成绩。直到这个学期才接触到科研项目，并参与了这个项目，在此期间利用学校图书馆查阅了大量的文献及相关的著作，对本课题有了相对深入的了解。已经熟练掌握所用试验的步骤和规则，有信心顺利完成此课题。

2、工作条件（设备条件、实验场地条件、可能遇到的困难及应对措施）

添加剂中的发泡装置是自行设计的，试验场地在建工学院试验大厅，经过最近一段时间的准备，试验前的准备工作已经基本完毕，正在调试阶段。

（三）参考文献（参考文献目录用标准规范格式，在正文引用处须标注）

[1] 张凤祥 朱合华 傅德明 盾构隧道 人民交通出版社. 2004

[2] 周文波. 盾构法隧道施工技术及应用. 建筑工业出版社. 2004 (Bob-chow. Shield tunnelling

technology. China architecture&building press 2004)

[3] 傅德明 我国隧道掘进机应用技术的发展现状[J] 岩土工程界2004 5(2)19-25

[4] A.Bezuijen, P.E.L.Schamince, j.A.kleinjan, Additive Testing for Earth Pressure Balance Shields,

Geotechnical Engineering for Transportation Infrastructure. Balkema, pp.1991一1996, 1999.

[5] Nikol Kochmanova,2007. The effects of soil conditioning agents on fine and coarse-grained soils with

applications in earth pressure balance machine tunnelling. A thesis submitted in conformity with the requirements for the degree of applied science graduate department of civil engineering university of toronto.

[6] Quebaud,S. Sibai,M. J-P.Henry. 1998. Use of chemical foam for improvement in drilling by

earth-pressure balanced shields in granular soils [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, Vo1.13, No.2, pp.173~180.

[7] Qiu Ling Feng. Soil conditioning for modern EPBM drives[J]. Tunnels and Tunnelling International,

2004,No.12,pp.18~20.

[8] Raffaele Vinai， Claudio Oggeri， Daniele Peila. Soil conditioning of sand for EPB applications: A

laboratory research[J]. Tunnelling and Underground Space Technology. 2007

[9] Sotiris Psomas. Properties of foam/sand mixtures for tunnelling applications，A thesis submitted for

the degree of Master of Science to the Department of Engineering Science.2001.

[10] 朱 伟 陈仁俊. 盾构隧道施工技术现状及展望 第 1 讲———盾构隧道基本原理及在我国的使

用情况[J] 岩土工程界4(11)19-21 2001 [11] 朱伟，陈仁俊.盾构隧道基本原理及在我国的使用情况[[J1.岩土工程界，2001年第11期，pp.19}21. [12] 朱伟，陈仁俊.盾构隧道技术问题和施工管理〔J}.岩土工程界，2001年第12期，pp.14}16 [13] 朱伟，陈仁俊.盾构隧道的应用前景及发展方向[J}.岩土工程界，2002年第1期，pp.18}20.

[14] 魏康林，朱伟.盾构隧道施工技术发展新方向〔J}.河海大学学报(自然科学版)，2001年第29期，

pp.28一31。

[15] 郭涛. 盾构用发泡剂性能方法评价及研究[D]. 河海大学硕士论文，2005

[16] 林键 土体改良降低土压平衡式盾构刀盘扭矩的机理研究(D) 河海大学硕士论文，2006 [17] 宋克志 汪波 孔恒 袁大军 王梦恕，无水砂卵石地层土压盾构施工泡沫技术研究 岩石力学与

工程学报2005-13-021

[18] 乐贵平 赵宏伟 周秀普 孟学文. 穿越全断面砾石层的盾构施工[J]. 现代隧道技术. 2001 38(5).

9~12

[19] Langmaack, L. Advanced Technology of Soil Conditioning in EPB Shield Tunnelling, MBT

Publication. 2000.

[20] Kupferroth F.J, Ellenberger P, Bo Anders Kalin. The use of foams and polymers in Earth Pressure

Balanced TBMs, Degussa Construction Chemicals-Underground Construction Group, Switzerland [22] Milligan, G., 2000. Lubrication and Soil Conditioning in Tunnelling, Pipe Jacking and Microtunnelling

State of the Art Review, GeotechnicalConsulting Group, London.

[23] Webb, R. and Breeds, C.D. (1997) “Soft ground EPBM tunnelling - West Seattle, Alki tunnel”.

Tunnelling 97, conf. proc., Inst. of Mining and Metallurgy, London, UK. pp. 501-514.

[24] Milligan, G., 2001. Soil conditioning and lubricating agents in tunneling and pipe jacking, In:

Proceedings of Underground Construction 2001, London, pp. 105–116.

[25] Haukur J, etc. The significance of mixed face conditions for TBM performance [J].World Tunneling,

Annual Technical Review ,2002.

[26] 鞠建英 (韩)申东铉 膨润土在工程中的开发与应用 中国建材工业出版社 2003

[27] 魏康林 土压式平衡盾构施工中泡沫和膨润土改良土体的微观机理分析[J] 现代隧道技术 2007 [28] 崔学奇 吕宪俊 周国华 膨润土的性能及其应用[J] 中国非金属矿工业导刊 2000 2(14) 6-9 [29] 周秀普 盾构法施工技术在无水砂卵石地层中的应用[J] 市政技术2003 21(4) 195~203

[30] 唐益群等. 土压平衡式盾构在砂性土中施工问题的试验研究[J]. 岩石力学与工程学, 2005,24(1)

52-56

[31] Bezuijen, A., Schamine′e, P.E.L., 2000. Model experiments using foam simulation the drilling with

an EPB shield, GeoDelft Report No. BF51010. Delft, GeoDelft.

[32] Bezuijen, A., Schamine′e, P.E.L., 2001. Simulation of the EPB-shield TBM in model tests with foam

as additive. Proceedings of Congress on Modern Tunnelling Science and Technology. Balkema, Kyoto, Rotterdam,pp. 935–940.

[33] Vinai, R., Oggeri, C., Peila, D., Pelizza, S., 2006. Condizionamento con schiuma dei terreni per

applicazioni EPB: sperimentazione mediante un nuovo apparato di laboratorio, Gallerie e grandi opere sotterranee, vol. 78(1), Patron Editore, Bologna (in Italian).

[34] A.Bezuijen, P.E.L.Schaminee,J.A.Kleinjan. \"Additive testing for earth pressure balance shields\"

[A] .12`t' Eur.conf. on Soil Mech. And Geotech. Engng, Amsterdam[C], June 1999

三、开题报告评价（本项分别由指导教师及专家组填写）

指导教师对该生选题报告的简要评语（本栏由指导教师在开题报告会之前填写完毕）： 指导教师签名： 年 月 日 开题报告会时间： 年 月 日 午 时— 时 地点： 姓名 评 审 专 家 组 成 组长： 职称 所在单位及学科专长 博导/硕导 （出席者）签名 开 题 报 告 会 评审意见：（由评审专家组填写） □ （正常）通过； □ 不合格， 年 月 日前重做开题报告。 其它评语： 评审组长签名： 年 月 日