考虑尺寸效应的盾构始发与到达端头加固研究

分析和总结了既有端头加固模型的不足,针对其局限性．考虑尺寸效应对盾构始发与到达端头加同的影响,建立了适用于大直径盾构端头加同计算的荷载等效模型,将侧向梯形荷载等效为均布荷载和三角形反对称荷载的叠加。同时,应用既有模型和荷载等效模型对典型的黏土与砂土地层进行端头加固计算．分别讨论了应力及纵向加固范围与盾构直径之间的关系,分析了尺寸效应对端头加同的影响。研究结果表明,当盾构直径小于等于10m时,两种模型应力及纵向加固范围变化曲线几乎重合,既有模型的误差较小：当盾构直径大于10m时．既有模型的应力和纵向加同范围明显小于荷载等效模型,且随着直径的增大,两者的差值不断增大。因此,对于直径大于10m的盾构隧道,使用荷载等效模型进行端头加固计算更科学、更符合实际．结论更可靠。而且基于盾构始发与到达端头加固理论提出了大小盾构的分界点,为将来进一步研究类似问题提供了参考。     

盾构管片上浮量理论计算模型及上浮控制措施研究

盾构管片上浮会导致管片错台、破损,降低隧道的整体结构强度、防水性能及使用寿命。在建立管片受力模型的基础上,通过分析管片的受力状态建立了管片上浮的理论计算模型。以北京地铁新机场线3号风井至草桥站盾构区间为背景,对该区间管片异常上浮的原因进行了分析,通过改良同步注浆浆液性能有效地控制了管片的上浮量,并对改进前后的浆液特性进行了试验,最后基于浆液试验结果和理论计算模型对管片上浮量进行了计算。研究结果表明:管片上浮量的理论计算结果与实测值较为吻合,本文的理论计算模型具有较好的准确性; 管片在脱出盾尾后的短时间内会大量上浮,缩短浆液初凝时间、提高其早期强度是控制管片上浮的有效措施。     

也论岩石峰值后区特征

本文用系统稳定性理论分析了岩石峰后破坏过程,指出岩石峰后破坏的稳定性与岩石材料的弹模和断裂能、试件的形状尺寸,以及试验环境(试验机刚度、围压等)有关。提高试验控制的灵敏度有利于获取载荷-位移全过程曲线,但并不能改变岩石峰后破坏过程的稳定性。     

北京地铁盾构选型分析

介绍了盾构选型的基本原则和主要步骤,并结合北京地铁7号线某区间隧道实例具体分析了如何进行盾构的选型,并在一定程度上综合对比了土压平衡盾构和泥水平衡盾构的优缺点及2种盾构的发展趋势。     

盾构施工风险监控系统的研发与应用

以盾构施工过程中自动采集的施工参数数据为基础,研发了一套盾构施工风险监控系统,实现了对盾构施工参数的实时监控和预警,并能够对盾构施工参数信息进行全过程分析,对施工材料的消耗情况进行统计。该系统在北京地铁盾构隧道工程建设中得到了广泛的应用,实践表明其能够真实、有效地监控盾构施工情况,有效预测和规避风险事故的发生。     

土压平衡盾构刀盘环向开口率研究

盾构刀盘开口率是指刀盘开口部分的面积与刀盘总面积的比值,是盾构选型时需要考虑的重要指标,但这一指标无法反映刀盘开口位置是否合理。为了更好地反映刀盘开口状况,提出了刀盘环向开口率的概念。运用环向开口率特征曲线对北京地铁9号线军事博物馆站—东钓鱼台站区间土压平衡盾构刀盘环向磨损事件进行了分析,阐明了刀盘发生环向磨损的主要原因是刀盘上某一区域环向开口率过小,部分渣土淤积在此区域,另外渣土从开口率小的区域向开口率大的区域流动也造成了刀盘的环向磨损。刀盘环向开口率特征曲线是判断刀盘开口位置合理性的重要依据,开口位置合理的刀盘,除刀盘中心区域外其环向开口率特征曲线应该是平缓的,以保证刀盘上每一个区域都有合理的开口区域,确保渣土顺畅进入土舱,土压平衡盾构刀盘设计时应充分考虑环向开口率这一指标。     

基于Timoshenko梁的盾构上跨对既有隧道纵向变形影响研究

采用修正的Loganathan理论研究了盾构上跨过程中土体损失引起的既有隧道纵向位移,考虑剪切变形的Timoshenko梁理论分析隧道内力变化及管片间错台量,基于弹性力学理论中的剪切效应建立了隧道纵向变形微分方程并求解,研究了隧道剪切刚度、土体损失率对隧道弯矩、剪力、管片间错台量变化规律。将计算结果与已发表监测数据对比,分析了Timoshenko梁发生弯曲变形后梁横截面不再与中性轴垂直,与不考虑剪切变形的Euler-Bernoulli梁的差异。研究表明:考虑剪切变形的理论解能准确预测隧道纵向变形,能矫正不考虑剪切变形条件下弯矩、剪力内力值过大以及无法计算管片错台量的缺陷。研究为预测盾构近距离上跨对既有隧道影响分析提供一种有效方法。     

基于端头加固理论的盾构尺寸效应及界线研究

分析和总结了既有端头加固模型的不足,针对其局限性,考虑尺寸效应对盾构始发与到达端头加固的影响,提出了改进的荷载等效模型。基于既有模型和改进模型,对粉质粘土、粉土、砂土及与砂卵石等四种地层进行端头加固统计计算,讨论了应力及纵向加固范围与盾构直径之间的关系,验证了端头加固的尺寸效应,给出了大小盾构的分界线。研究结果表明:直径小于10 m和大于10 m盾构隧道端头土体的纵向加固范围、最大拉应力及最大剪应力同直径的关系曲线呈现明显不同的变化特征,10 m直径可以作为大小盾构的有效分界线。对于直径大于10 m的盾构隧道,使用改进模型进行端头加固计算更科学、更符合实际,结论更可靠。基于盾构始发与到达端头加固理论提出的大小盾构尺寸界线,可为将来进一步研究类似问题提供了参考。     

TBM滚刀破岩效果及新型刀具的应用研究

TBM滚刀磨损是影响TBM掘进效率和施工成本的重要因素,不同刀刃刃形的破岩效率和磨损均会有所不同。本文对楔形弧刃滚刀的破岩机理进行了分析,建立了滚刀法向切削力计算模型,分析了滚刀刀刃角对法向切削力的影响;继而设计了3种不同刀间距、3种不同刃形滚刀,并进行了室内滚刀破岩试验。试验结果表明:刀间距15 mm为合理刀间距;尖刃滚刀最易磨损,齿刃比弧刃滚刀破岩效果好,破岩效率相对较高且耐磨损。结合工程现场实际情况,研发了一种新型齿刃楔形刀具,并应用到工程现场TBM斜井掘进。应用情况表明:新型齿刃楔形刀具比两种常规刀具的磨损量减少20 %,刀具寿命有所提高。新型齿刃楔形刀具的研发和成功应用,解决了斜井TBM掘进刀具的较大磨损和频繁更换问题,为TBM长距离斜井掘进提供了技术支持,缩短了掘进工期,节约了施工成本。     

基于强度与稳定性的端头加固理论模型及敏感性分析

为确保盾构始发与到达的顺利进行,避免施工过程中发生端头土体失稳,引发地表沉陷、塌方等工程事故,基于土体强度与稳定性的基本理论,作者就如何确定端头土体纵向加固范围和建立砂土复合地层端头滑动模型进行了研究.在具体分析了现有端头加固理论模型的优缺点后,提出一种基于强度理论的荷载等效模型和基于稳定性理论的砂性土端头滑动模型.该端头加固理论模型,与已有的计算模型相比,更真实地反映了端头土体的受力状况,因而与工程实际情况更为接近,且具有地层适应性.同时,为了检验新强度理论模型的合理性,分别对新旧模型进行实例比算,并对2种模型的主要影响因素进行了敏感性分析.研究结果表明:当盾构隧道直径较小时,已有模型和新提出模型的计算结果误差较小,计算结果较为接近;随着盾构隧道直径的不断增大,已有模型的荷载简化会引起较大的计算结果误差,如将其结果应用于工程,可能会引发较严重的工程事故;对于大直径盾构,特别是盾构隧道直径大于10m时,建议采用本文提出的改进理论模型进行端头加固设计和验算,由此得出的加固范围更加符合工程实际情况,对工程有很强的指导意义.同时基于强度理论提出的荷载等效模型为非对称荷载问题的研究提出了一种新的研究方法和求解思路,对今后类似问题的求解具有较好的借鉴意义.