海域复杂地层超大直径泥水盾构掘进参数分析研究

以汕头苏埃通道超大直径泥水盾构应用为背景,结合盾构TBM大数据平台开展数据分析。依据海瑞克S1046盾构设计特点,提出刀具贯入阻力、泥水阻力、摩擦阻力的计算方法;分析了掘进段刀具贯入阻力、泥水阻力、摩擦阻力变化规律及在总推力中的占比,建立了泥水阻力与盾构埋深的关系、总推力与摩擦阻力的关系;对比了基岩段和软土段转速和贯入度特点,分析了两段掘进中扭矩和贯入阻力的概率密度分布特点,结合基岩段和软土段TPI和FPI显著的差异性,提出了判别盾构在基岩段和软土段的方法。研究表明,利用TPI和FPI进行地层的识别准确有效,能够较好指导现场施工。     

考虑地表沉降的盾构隧道掘进参数优化研究

盾构掘进过程中,掘进参数的控制是影响地表沉降的重要因素。基于盾构掘进对围岩的扰动机理,分析了正面附加推力、刀盘摩擦、盾壳摩擦和盾尾间隙造成的地表沉降,在此基础上,以地表沉降为评价指标,以千斤顶推力、刀盘转速和土舱压力等掘进参数为控制变量,建立最优控制问题进行掘进参数的优化,并运用于盾构隧道下穿既有铁路的施工中,验证了掘进参数优化方法的有效性。     

泥水平衡式盾构模拟试验系统的研制与应用

为了探究泥水盾构水下掘进控制和泥水平衡机理等问题,在调研国内外模型盾构设备的基础上确定泥水盾构的基本参数和工作模式,研制出泥水平衡盾构模拟试验系统,包括模型箱、盾构机总成、推进机构、液压动力系统、操作系统、深冷装置等主要部分。该系统可对最高100 m水头条件下泥水平衡盾构施工的主要过程进行模拟,可较真实地再现泥水平衡盾构掘进过程中泥膜的动态形成过程,从而阐明水土压力平衡的机理等关键技术问题,并可为泥水平衡盾构的设计和控制提供重要参数。以砂卵石地层为例配制相似地层和泥浆,并进行盾构试掘进,对设备的功能性进行验证,并初步研究了泥水盾构掘进过程中地表位移的时空变化规律和地层中泥膜的形态。结果表明,由于刀盘无超挖且地层开挖后直接由盾壳支撑,土体移动受到限制,地层变形主要由开挖导致的应力释放产生。排渣装置长度较长,可暂存的渣土量多,使得盾构通过前地表沉降随顶推力和刀盘、排渣装置转速的增大而增大;盾构通过后的地表沉降则由于盾壳与土体的摩擦作用有所减小。在盾构刀盘前方,泥浆渗入地层的范围大致关于盾构轴线对称,泥膜形态呈倒扣的"锅底"形分布,其范围约占刀盘外径的20%~43%。     

既有上部建筑荷载下盾构施工引起土体附加应力分析

为考虑既有建筑下盾构施工对土体附加应力的影响,将建筑荷载按照土的有效重度等效为一定厚度的覆盖土层。基于弹性力学Mindlin解,给出既有上部建筑荷载下盾构施工过程中,刀盘正面推力、盾壳与土体之间的摩擦力引起周围土体附加应力的解析解;同时推导既有上部建筑荷载下盾构施工过程中,刀盘与土体之间的摩擦力引起周围土体附加应力的解析解。结合具体的计算案例,分析刀盘正面推力、盾壳摩擦力和刀盘摩擦力引起的土体附加应力的分布规律和对周围环境的影响;同时,针对不同上部建筑荷载对刀盘正面推力以及盾壳摩擦力引起的土体附加应力的大小和分布规律的影响进行分析。结果表明:既有上部建筑荷载下盾构施工引起周围土体的附加应力受刀盘正面推力、盾壳摩擦力的影响很大,为主要影响因素,具有一定程度的扩散性,其中沿推进方向的附加应力分量较为明显;而刀盘摩擦力对周围土体附加应力的影响较小,但具有一定程度的波动性,附加应力关于轴线近似成反对称分布。其中,刀盘正面刀具与土体之间的摩擦力引起的周围土体附加应力的波动效果尤为显著。不同建筑荷载对盾壳摩擦力引起的附加应力xσ和yσ的影响幅度和影响规律较为明显;其中xσ受建筑荷载影响的效果最为显著。该研究对指导盾构地铁隧道的设计和施工有着基础性的意义。     

饱和土盾构施工引起的三维土体变形及孔隙水压力研究

推导半无限空间饱和土中盾构施工切口附加推力、盾壳摩擦力和盾尾注浆压力参数变化引起的任意点土体竖向变形和超孔隙水压力计算公式;结合实际工程参数,采用数值积分的方法计算软土区盾构掘进引起的土体变形和超孔隙水压力,并与实测数据进行对比。研究结果表明:本文方法计算所得地表变形与实测值接近,比Mindlin解的预测更合理;在盾构穿越断面的过程中,盾构开挖面到达和盾尾通过时引起的土体孔隙水压力较大,开挖面到达时的孔隙水压力主要由切口附加推力和盾壳摩擦力引起,盾尾通过时的孔隙水压力则由盾尾注浆压力和盾壳摩擦力引起。     

软土区双线盾构施工引起的土体变形及孔压研究

以杭州地铁2号线某盾构区间工程为背景,推导饱和软土双线盾构掘进引起的土体变形及孔压理论解,结合实际工程参数分析土体及超孔压变化规律;控制切口附加推力、盾壳摩擦力和盾尾注浆压力的取值,研究不同施工参数对土体竖向变形的影响。结果表明:盾构接近研究断面时,施工参数对土体变形的影响较大;当双线盾构推进通过研究断面一定距离后,其施工引起的横向地表位移变化和切口附加推力作用下的超孔压变化趋于稳定;盾壳摩擦力对孔压的影响范围主要集中在盾构穿越一半长度内;当双线盾构远离研究断面后,盾尾注浆作用产生的超孔压力趋近于0;研究结果可为杭州软土区类似盾构工程提供指导建议。     

双圆盾构"下穿"引起下立交底板的附加荷载分析

利用弹性力学Mindlin解,推导得到的双圆盾构正面附加推力、盾壳与土体之间的摩擦力引起的附加应力计算公式,对双圆盾构施工在下立交底板上引起的附加荷载进行了分析.研究结果表明:正面附加推力引起的附加荷载非常小,开挖面前方下立交底板上产生压力、后方产生拉力,拉力较压力小很多;盾壳摩擦力引起的附加荷栽分布规律与正面附加推力相似.但其引起的附加荷载较大,在两者共同作用中占主要地位;底板与盾构净间距、埋深、土体黏聚力对附加荷载大小及分布均有显著影响.     

泥水盾构掘进参数对地面沉降影响实例研究

通过对杭州庆春路过江隧道施工中泥水盾构掘进参数及地面沉降的分析,讨论泥水盾构掘进参数对地面沉降的影响。分析表明:①适当提高切口泥水和同步注浆压力使地面微量隆起,可抵消部分地层损失,降低地面总沉降量;②及时快速的盾尾同步注浆是减少盾尾地层损失的关键,而单纯增加注浆量并不能起到控制盾尾沉降的作用;③在保证掘进稳定均匀的前提下,提高掘进速度可以降低地面沉降,相反,盾构长时间搁置会加剧地面沉降;④适当降低刀盘扭矩的同时加大转速,可以加快推进速度,减少刀盘的扰动和盾构偏转,同时降低切削土块的尺寸,减少盾构掘进泥浆管堵塞的风险;⑤良好的盾构姿态控制,可以减少超挖以及盾壳对周围土层的摩擦、挤压,从而减少地层损失和固结沉降;⑥盾构掘进所致地面隆起变形较无规则,使得横断面地面沉降偏离高斯曲线分布。     

贯入度与刀间距对TBM滚刀破岩推力的影响

针对目前盾构机在硬岩地层施工中经常遇到刀具选型、掘进速度慢及参数设定不确定等难题,本文以施工现场高硬度凝灰岩为岩样,进行了推力与贯入度和刀间距与破岩推力的试验。研究盾构两种常规滚刀的刀间距、掘进转速及贯入度的关系,为类似硬岩盾构施工提供试验基础和参考。     

复合地层中盾构刀具磨损超前控制研究

通过分析国内土压平衡式盾构隧道典型工程案例,对上软下硬地层近年来的施工问题和采取的主要措施统计分析,总结出土压平衡盾构在上软下硬地层中施工关键问题及其规律。结合地层特性,针对滚刀磨损问题,提出评估上软下硬地层分布情况及盾构施工地质适应性问题的方法;同时,对盾构机掘进过程中的盾构推力、刀盘扭矩、贯入度变化监测统计,通过比推力及比扭矩指标变化实现对地质变化的预判,提出调整措施。结合实际工程,当盾构在上软下硬地层掘进时,通过评估地层分布,进行针对性的施工预判调整,能有效降低滚刀受冲击荷载的影响,避免盾构产生过快磨损,延长滚刀正常工作时的掘进距离,显著提高上软下硬地层中盾构施工效率。     

盾尾刷环形密封系统单元试验及水密性机制研究

盾构法已经成为了城市地铁隧道建设的主流施工法，由于盾尾刷密封效果不佳导致的漏水、漏浆等重大安全责任事故屡屡发生。通过建立盾尾刷-油脂腔密封系统密封单元试验装置，探讨油脂稠度、油脂压力、盾尾间隙对其水密性能的影响。试验结果表明：(1)根据油脂锥入度不同，盾尾密封渗漏出现两种模式：锥入度低时渗漏物为外界泥水，锥入度高时渗漏物为外界泥水与油脂混合物。为提高盾尾密封性能，油脂锥入应控制180～200(1/10 mm)范围内。(2)盾尾渗漏临界压力可由油脂压力、贴合力确定，略微小于油脂压力，因此工程中设定油脂压力比盾尾空隙中泥水或注浆浆液压力大0.5 MPa是合理的。(3)盾尾渗漏临界压力受油脂压力影响更大些，但盾尾刷贴合力则影响油脂逃逸和油脂压力的稳定，因此盾构掘进过程中加强盾尾刷和密封系统的管理以避免砂浆侵入导致盾尾刷失去弹性引起的密封失效。研究成果可为盾尾密封系统的设计和施工管理提供参考。     

类矩形土压平衡盾构施工附加应力分析

 采用弹性力学Mindlin解,考虑刀盘正面附加推力和不均匀壳体摩阻力,分析类矩形盾构施工引起的土体附加应力。结果表明,类矩形盾构掘进引起的附加应力具有区域特征,刀盘前方土体受压,后部土体受拉。与双圆盾构、大直径圆形盾构相比,类矩形盾构掘进引起的附加应力较小,接近大直径圆形盾构,有利于土体扰动控制。研究结果可为类矩形盾构施工地下管线保护、地层扰动控制及“单洞双线”地铁隧道盾构选型等提供参考。     

超大直径双线泥水盾构施工的三维数值模拟

以上海长江西路隧道工程为背景,基于适合软土的修正剑桥模型并综合考虑盾构开挖、开挖面泥水压力、盾尾注浆以及盾壳刚度和坡度等因素,建立单台超大直径(=15.43m)泥水盾构往返推进的三维有限元模型。分析不同施工步、不同泥水压力下北线盾构施工对地表沉降以及新建南线隧道的横向位移影响。通过数据分析发现,盾构返回推进时的地表位移规律明显区别于单条隧道施工的情况;盾构的反向推进会造成已建隧道管片的挤压变形以及顺指针的旋转;返回推进时,泥水压力的不同取值对已建隧道的横向位移影响显著。根据数值分析结果提出相应的施工建议:盾构返回施工时适当减小泥水压力;密切监控盾构返回推进时切口断面后1倍刀盘直径范围内已建隧道管片的变形量。     

盾构施工过程中的土体变形研究

 基于盾构施工过程,利用弹性力学Mindlin解,通过坐标变换经积分推导刀盘与土体之间摩擦力所引起的地面变形计算公式,并得到盾构施工引起的总地面变形计算公式。结合杭州地铁一号线工程中具有代表性的粉砂土层,分析盾构与土体的复杂相互作用,并对盾构与土体相互作用引起的土体变形特征进行计算。通过计算发现,盾构施工中盾壳摩擦和正面推力是盾构推力设置的主要因素,而刀盘与土体摩擦是刀盘扭矩设置的主要因素,盾构前方土体隆起主要由盾壳摩擦引起,刀盘摩擦作用主要引起地表沉降的非对称分布,地表沉降主要由盾尾空隙产生。通过实例计算并与实测结果对比发现,使用盾构变形计算公式适用范围在盾构机头前后±2L距离处,对指导实际盾构施工具有重要意义。     

复合地层泥水盾构掘进参数相关性研究

以南昌市轨道交通4号线在建泥水盾构过江隧道为工程依托,对安丰站—东新站区段泥水平衡盾构掘进穿越不同地层时主要掘进参数的演化规律展开研究,探讨4项主要盾构掘进参数之间的相关性,对盾构总推力、刀盘扭矩、掘进速度以及刀盘转速之间的相关性进行对比分析,最终可以推导出以中风化泥质粉砂岩为主的复合地层条件下泥水平衡盾构掘进参数与不同地层的关系模型,通过一系列现场实时数据对比并进行统计分析,可以发现:掘进速度与盾构总推力和刀盘扭矩呈弱线性相关性;刀盘扭矩和盾构总推力呈弱线性相关性;刀盘转速与掘进速度之间参数取值不存在明显的相关性。     

圆砾泥岩复合地层泥水盾构下穿房屋沉降控制技术研究

圆砾泥岩复合地层中盾构微扰动施工控制是岩土工程实践中面临的难题。南宁地铁1号线盾构下穿友爱居民小组面临圆砾与泥岩复合地层的挑战,首先对泥水盾构泥浆性能指标进行优化,采用现场试验确定了富水圆砾地层袖阀管注浆加固浆液配合比;利用自动化监测系统对盾构下穿房屋的沉降进行实时监控,并借助及时通讯工具实现穿越施工中信息化施工;定义圆砾泥岩复合地层盾构开挖面内泥岩高度与盾构机刀盘直径的比值为复合比λ,分析掘进参数平均值随λ的变化规律。通过现场实测结果表明:袖阀管注浆能够有效的控制建筑物沉降,自动化监测能够实时反映盾构推进导致房屋变形,为施工反馈控制提供依据,泥水盾构在圆砾泥岩复合地层中会遇到开挖仓压力波动过大,刀盘扭矩、推力增大,贯入度降低等现象。当λ≤0.15上述现象基本不发生;当0.15≤λ0.6时,参数平均值波动最剧烈,对沉降控制十分不利;当λ≥0.6时,扭矩和总推力进一步增大,但开挖仓压力波动情况稍弱而贯入度会进一步降低。要以盾构开挖仓压力控制为指标而非追求推进速度,提高转速、降低泥浆黏度是减少参数波动的有效手段。     

泥质粉砂岩地层泥水盾构掘进参数变化规律及关联性分析

以南昌市轨道交通1号线某区间隧道内具有代表性地层的泥水盾构掘进参数为研究对象,在对泥水盾构总推力、刀盘扭矩及转速、掘进速度及泥水仓水土压力等与地层因素紧密关联的相关参数进行统计分析的基础上,重点研究了掘进参数沿区间纵向变化规律,进而确定了泥质粉砂岩地层条件下的盾构掘进参数合理控制范围。同时对刀盘扭矩与总推力、掘进速度与刀盘转速、刀盘扭矩与掘进速度等相互之间的关联性进行了分析,最终推导出了泥质粉砂岩条件下的泥水盾构掘进速度及刀盘扭矩的回归数学模型。通过数据对比表明,泥水盾构在中(微)风化地层段施工过程中实测数据与拟合值比较吻合,即所设计的预测模型能够满足工程所需精度。     

大直径泥水盾构盾尾密封失效原因及应对措施

为了明确大直径泥水盾构盾尾密封失效的原因,解决因盾尾密封失效而造成盾构掘进无法正常施工的问题,从设计与制造、工地组装及负环拼装、盾构掘进施工三方面详细阐述了盾尾密封性的主要影响因素,提出相应的控制措施,为以后大直径泥水盾构隧道项目施工提供参考和借鉴。     

软土地区静力触探试验影响因素及机理研究

为了探究软土地区静力触探试验影响因素以及作用机理，依托龙锦路东侧、竹林北路北侧地块为背景，使用数值模拟软件对软土地区静力触探试验进行模拟，结果表明：随着内摩擦角增大锥尖阻力与侧摩阻力随之增大，且侧摩阻力所占总贯入阻力增大；粘聚力对锥尖阻力与侧摩阻力的影响相似，随着粘聚力增大锥尖阻力与侧摩阻力逐渐增大，但侧摩阻力所占总贯入阻力比例基本不变；弹性模量逐渐增大时，锥尖阻力、侧摩阻力以及比贯阻力均逐渐增大。     

不同地层条件泥水盾构掘进参数演化规律研究

依托南昌市轨道交通4号线(安丰站—东新站)在建泥水盾构过江隧道工程,研究泥水盾构掘进穿越不同地层时主要掘进参数的演化规律,并探讨各项盾构掘进参数之间的相关性。首先通过数理统计的方法对泥水盾构施工过程中的总推力、刀盘扭矩、掘进速度以及刀盘转速进行统计分析,着重研究掘进参数沿区间隧道纵向不同地层中的变化规律,说明盾构掘进机器参数与地层有关且在中风化泥质粉砂岩中最稳定。