目前,土压平衡盾构机已经成为软土地层安全开挖隧道的主要装备。这类盾构机利用开挖后进入带压土仓内的渣土作为支撑开挖面水土压力的媒介物。通过螺旋输送机将土仓内一定量的渣土往外排放,实现调节土仓压力的目的。在隧道开挖过程中,由螺旋输送机平衡进入土仓和从土仓外排的渣土,来建立施工时掌子面的土压平衡状态。隧道开挖过程中的施工安全有效控制和土压平衡盾构机工作性能的优劣主要取决于开挖渣土的力学属性。工程中通常需要注入膨润土泥浆、泡沫剂溶液、高分子聚合物和其它改良剂(如肥皂水、生石灰等)来调节渣土以改变挖掘渣土的性质,进而形成塑性流体状渣土,其中膨润土泥浆、泡沫剂溶液和高分子材料是三种主要的改良剂。有效的渣土改良极大地改善了机器性能并提高了通过螺旋输送机渣土流动的可控性,保障了盾构施工安全。尽管在工程实践中通常采用渣土改良方法,但是鉴于砂砾性渣土的低流动性、高渗透性及大内摩擦角性状,目前工程界对于砂砾层渣土改良合理添加剂的认知并不完全一致,并且经常遇到与渣土力学性质相关的土压平衡盾构机操作相关的问题,严重影响了施工安全。鉴于此,本论文以实验室试验为出发点,结合数值仿真技术、理论分析推导和模型机测试,开展了相关研究工作。首先介绍了渣土改良剂和砂砾性渣土的实验室试验工作,在此基础上进行了改良后砂砾性渣土的盾构螺旋输送机力学特性测试。主要研究内容及结论如下:1、开展了膨润土泥浆、泡沫剂溶液和高分子聚合物三种渣土添加剂的参数配比实验室试验,并在此基础上进行了砂砾性渣土的改良试验。泡沫剂溶液的发泡率和半衰期试验表明:泡沫剂浓度为7%,发泡压力0.4MPa时,发泡效果最好。钠基膨润土改良剂的土与水的质量比1:5时,在膨化时间21h～24h后,可以取得最佳的膨化效果,此时的粘度值在600 mPa*s以上。高分子聚合物HPMC浓度为1%,溶解时间在1h左右时粘度为5000mPa*s;高分子材料CMC在浓度1.5%时,溶解时间在2h左右取得较高的粘度,7800mPa.s。2、考虑实际工程中渣土所处的土仓应力环境,自行设计了可同时对渣土进行压缩和十字板剪切测试的试验装置,研究了原状砂土和添加渣土改良剂后的渣土力学性能规律。试验结果表明:泡沫改良砂土的可压缩性较膨润土泥浆和高分子材料更高,经膨润土泥浆和高分子材料改良后的砂土具有相似的压缩特性。浓度7%的泡沫剂溶液,在掺入比为40%时压缩系数较高;剪切速率对砂土剪切强度存在明显影响,在试验设定的速度范围内,剪切速率越高,剪切强度值越大,且增长分为两个阶段,剪切线速度小于28mm/s时,剪切强度呈缓慢增加或基本持平,当剪切速度大于28mm/s时,剪切强度呈快速线性增长。3、根据北京地铁14号线15标所用盾构土仓和螺旋输送机,用SolidWorks软件进行实体建模,利用散体介质颗粒流方法的EDEM软件,经实验室试验和数值试验进行参数标定后,建立了土仓排空状态下的螺旋机排土计算模型、土仓中土量基本稳定状态下的螺旋输送机排土计算模型、土仓升/降压状态下的螺旋机排土计算模型以及螺旋输送机不同安装角度时的螺旋机排土计算模型,系统研究了螺旋机的排土率、隔板压力及螺旋机扭矩之间关系。仿真结果揭示:在土仓内颗粒达到一定数量(例如700000)且这个数量保持基本稳定的情况下,螺旋机断面质量流量随螺旋机转速的增加而增加。当土仓内颗粒数量减少到一定程度时(例如100000),采用较高的螺旋机转速对提高“排土效果”意义不大;在土仓排空情况下,螺旋机扭矩随着计算时间的增加波浪式下降,可采用负指数函数对此下降进行较好的拟合。在土仓内颗粒达到一定数量且随螺旋机转动这个数量保持基本稳定的情况下,螺旋机扭矩随螺旋机转速的增加而降低。除螺旋机转速360deg/s的情况外,螺旋机扭矩随其转速的增加大致呈负指函数规律下降。螺旋机安装角度与其扭矩之间存在很好的线性相关性。随螺旋机安装角度的增加,螺旋机扭矩相应线性增加;在盾构螺旋输送机输送散体介质过程中,虽然螺旋机的各种工作性能参数,例如扭矩、断面质量流量、螺旋机外壳压力和土仓隔板压力,都表现出一定的“离散”和“波动起伏”特征,但仍然可以采用连续函数对其进行很好描述。4、基于土压平衡盾构螺旋输送机内改性渣土的力学环境和受力状态,通过分析渣土微元体的受力和运动情况,根据稳态时动量矩平衡条件,推导出了土压平衡盾构螺旋输送机螺旋管内改性渣土等效螺旋剪应力计算公式,分析得出了螺旋输送机的螺旋管内渣土摩擦剪应力驱动扭矩与出现在输送机壳体和改性渣土之间的界面处产生的剪切应力密切相关的结论。5、依据盾构螺旋输送机机械结构,探讨了螺旋机驱动扭矩的组成,通过力学分析推导出了各组成扭矩计算公式,进而建立了螺旋输送机的驱动扭矩理论模型;其次,在假设螺旋管内改性渣土填充率为百分之百的条件下,利用渣土微元体受力分析,给出了稳态时螺旋输送机螺旋管方向压力场分布计算方法。理论模型表明压力场分布和螺旋驱动扭矩均与螺旋几何结构和转动速度,渣土流输送角度和改良后渣土的力学性质等有关。6、利用自行研制的盾构模型螺旋输送机,进行了砂砾土添加改良剂后的力学特性实验室试验研究。试验结果表明孔隙水压力大小受电机转速影响较小,在土箱内渣土所受压力不变的情况下,可以认为孔隙水压力为常数。渣土体积输送率是评价螺旋输送机外排渣土能力的一项重要指标,试验结果显示体积输送率随转速增大而提高,大转速下的渣土排出率的稳定性较低速时的情况欠佳。不同转速下的排渣效率情况表明,螺旋输送机排渣效率与电机转动速度有关,当速度变快时,效率有降低趋势,当速度变慢时,效率有提高趋势。作为颗粒间接触面平均法向应力的有效应力,其值大小直接影响改良后渣土的抗剪切强度。实验室模型机试验测试结果表明,电机转速的变化对有效应力的影响较小,大转速下的有效应力线性度明显优于低速下的相应结果。