上软下硬地层盾构施工掌子面顶推力技术研究

针对济南地铁2号线北园路站至七里堡站地质条件复杂、地层软硬不均等问题,易导致盾构机姿态难以控制,出现超挖、欠挖,严重影响围岩稳定性,引起地表沉降。通过现场调查、数值模拟穿越上软下硬地层,重点研究盾构开挖掌子面顶推力控制技术。结果表明,盾构穿越上软下硬地层时,适当调整掌子面上下部顶推力有利于控制地表沉降。     

不同顶推力下盾构施工对地层变形的影响分析

盾构施工参数不当会引起过大的地表沉降与地层变形,造成安全事故与经济损失。本文以广州市轨道交通十八号线万顷沙站～横沥站区间隧道工程为背景,采用MIDAS/GTS NX有限元软件,改变刀盘顶推力参数,研究盾构掘进引起的地表沉降变化以及地层变形规律,并结合实际施工过程分析了土体变形的原因。结果表明：表层土体在盾构施工作用下发生沉降,其形态符合peck提出的沉降曲线;在较小刀盘顶推力下,完成一半掘进环数管片施作时的施工工况地表沉降最小;地表沉降峰值随着刀盘顶推力的增大而减小,但减小的幅度趋于稳定;顶推力的增大能降低掌子面土体的塌陷程度;12000kN刀盘顶推力下地表沉降趋势与现场实测数据基本吻合,说明本次数值模拟结果较为准确,对隧道施工有一定的指导意义。     

土岩复合地层中盾构施工引起的地表位移预测

盾构穿越上软下硬土岩复合地层时极易引起地表沉降。为探究其规律，分析了盾构开挖面在复合地层中的收敛模式，考虑了层状地层对地表位移的影响，对传统的随机介质理论进行了简化，推导了复合地层中盾构施工引起的地表位移计算公式，依托杭州环城北路—天目山路盾构隧道工程进行了地表沉降的计算和可靠性验证，搜集并分析了26组地表沉降实测数据，反分析计算得到了对应的土体损失率，并进一步分析了土体损失率的分布及取值规律。结果表明：简化方法与传统随机介质理论计算结果相近，计算曲线与实测数据相吻合；复合地层中的土体损失率分布在0.09%～2.2%，与黏性土中类似；同一工程（区段）中土体损失率随硬岩比的增大而减小，且大致呈线性相关。     

复合地层盾构施工土仓压力对地表沉降的影响

鉴于上软下硬复合地层不仅具有软岩地层的不稳定性,又有硬岩的强度。如果在该种地层盾构施工的土仓压力控制不当,易造成地面塌陷。文章以深圳地铁五号线工程地质条件为实例,通过FLAC3D有限元软件对上软下硬地层条件下盾构施工土仓压力的变化对周边土体位移的影响进行了数值模拟,并与实测结果进行对比。研究表明:在上软下硬复合地层中,掘进时应保持较高的土仓压力与掌子面的压力平衡,地表沉降的范围与沉降的最大值都随着土仓压力的增大而减小。计算所得沉降曲线与实测沉降曲线基本吻合,可为类似工程提供借鉴。     

南京复杂地层中盾构掘进地表沉降实测数据分析

通过现场实测数据,分析了南京至高淳城际快速轨道工程TA04标段3号盾构井—胜太路站区间隧道不同埋深、地质及施工参数条件下,盾构施工对地表沉降的影响规律。实测结果表明:盾构在上软下硬复合地层施工时地表沉降值显著大于在全断面硬岩地层施工工况,土舱压力对上软下硬复合地层开挖面稳定影响较大;全断面硬岩地层盾构施工引起的地表沉降值几乎不受埋深、土舱压力及同步注浆等变化的影响。结合施工过程中刀具磨损、开挖面结泥饼等施工难点,提出了根据硬岩与上软下硬复合地质条件盾构施工分别采取欠压推进和保压推进等技术措施,取得了良好效果。     

上软下硬复合地层盾构施工地表沉降控制探讨

在上软下硬复合地层条件下开展盾构施工的难度比较大,刀盘对于岩土体的切削程度不一,容易扰动地层,还会出现地表沉降问题。在空间组合形态上,软层与硬层组合多变,且地表沉降较为复杂,无法确保盾构施工安全。此次研究通过分析上软下硬地质结构,综合分析盾构施工技术特点和地表沉降机理,找寻影响盾构所致地表沉降的影响因素,以此维护施工安全性和稳定性,并且希望能够对相关人员起到参考作用。     

土压平衡盾构穿越上软下硬复合地层风险分析及应对措施

盾构穿越上软下硬复合地层一直是盾构法施工的一大难题,论文以厦门地铁2号线建业路站~湖滨中路站盾构区间上软下硬复合地层施工为例,分析介绍了土压平衡盾构穿越上软下硬复合地层的风险和应对措施,取得了工程实效,为同类地层盾构施工提供了借鉴。     

上软下硬地层中土仓压力变化对地表变形的影响研究

以深圳地铁14号线大～宝区间盾构工程为依托,研究在不同土仓压力下上软下硬地层地表沉降变形影响规律.为解决上软下硬地层条件下盾构不同土仓压力对地表的变形问题,提高土仓压力设置的准确性,从现场实际工况入手,结合现场实际地层情况,建立上软下硬地层模型,计算现场地表纵向和横向方向的地表沉降规律,并根据现场检测情况,为盾构穿越上...     

土压平衡盾构软硬不均地层掘进控制策略

上软下硬地层掘进盾构施工中极易出现地表沉降、刀具磨损等的难题,如何在上软下硬地层中控制掘进参数、判断刀具磨损及仓内状况是盾构施工管理的重点,本文结合广深地区上软下硬地层施工经验,对上软下硬地层盾构掘进策略进行总结分析,明确控制要点。     

大直径泥水平衡盾构长距离穿越长江上软下硬复合地层施工技术

文章总结了盾构长距离穿越上软下硬地层的施工技术,从刀盘刀具配置、掘进参数控制、管片拼装、同步注浆等方面提出了大直径泥水盾构穿越上软下硬地层中的掘进技术控制,对复合地层大直径泥水盾构穿越技术提供技术参考。     

土压平衡盾构掘进对上软下硬地层扰动研究

 采用Ф800 mm模型盾构开展室内掘进试验以研究土压盾构掘进对上软下硬地层的扰动特征,试验充分考虑土压盾构动态施工全过程的影响。建立与室内掘进试验对应的离散元模型定量分析软土超挖现象并挖掘其他地层扰动信息。研究结果表明：土压盾构在硬岩地层中掘进时地表沉降曲面呈现向软土侧展开的“扇面”状;进入上软下硬地层后地表沉降值与范围均急剧增加,沉降曲面呈现自上而下逐渐收缩的“漏斗”状,硬岩侧收缩速度快于软土侧;上软下硬地层地表位移小于均质软土地层,而地中沉降显著大于后者;上软下硬地层地中沉降槽宽度参数沿深度方向呈指数增加,硬岩占断面比例越小,地中沉降槽宽度参数越大。相同埋深条件下,上软下硬地层地中沉降槽宽度参数小于均质软土地层。硬岩占断面比例越大,渣土中砂土所占比例与相应理论值差异越明显。地表水平位移在竖向沉降槽曲线反弯点处最大。研究可为土压盾构在上软下硬地层施工提供参考。     

上软下硬地层中盾构开挖面稳定的可靠度研究

考虑到土体参数的变异性,为了更科学合理地评价盾构隧道开挖面的稳定性,本文结合深圳地铁5号线特殊地层的特点,提出用可靠度方法研究上软下硬地层中开挖面稳定性。在参数不确定的地层工况下,采用数值模拟方法,通过四种神经网络方法预测开挖面支护压力比,选择预测误差最小的GRNN网络方法映射出足够多的压力比,统计求支护压力比概率分布特征。最后建立隧道开挖面稳定的极限状态方程,运用MATLAB软件编写计算可靠度程序,对开挖面的稳定进行可靠度分析。该研究能够科学合理地评价开挖面的稳定程度,对于盾构施工过程中合理地设定开挖面支护压力也具有一定的指导意义。     

复合地层盾构隧道管片施工病害特征及成因分析

上软下硬复合地层盾构隧道施工,极易发生管片裂损病害,对盾构隧道长期安全影响显著。以某地铁盾构隧道为依托,针对施工阶段管片裂损情况进行了大量现场调查,总结归纳了管片裂损分布规律及裂损特征。在此基础上,采用理论分析和扩展有限单元法,系统分析了管片裂损的成因机制。研究结果表明:盾构隧道管片衬砌裂损按照所占比例由大到小依次为环向区域性剥落、纵向裂纹、边角部裂损,环向区域性剥落和纵向裂纹属于结构性裂损,边角部裂损属于材料性裂损。纵向裂纹与千斤顶推力和接触面不平整有关,其产生及扩展多沿千斤顶推力分界面分布,裂纹扩展是能量积累—释放的往复过程,表现出台阶式渐进递增的特点,开裂机制为受拉破坏。环向区域性剥落与环间错台有关,与榫槽径向允许位移量8 mm相等的错台高差是管片发生环向区域性剥落的临界值。在上软下硬复合地层采用错缝拼装进行盾构隧道施工时,应避免使用带榫管片或减小管片榫槽深度。     

穿越软硬突变地层隧道纵向不均匀沉降分析

纵向穿越软硬突变地层的盾构隧道在外部施工因素影响下极易产生不均匀沉降,从而诱发管片环间错台、螺栓剪断和接缝渗漏水等病害。为进一步研究外部因素对其竖向位移的影响,基于Winkler弹性地基梁理论推导任意荷载作用下隧道竖向位移公式,结合Boussinesq解采用两段分析法分析地面堆载大小、尺寸以及隧道埋深对盾构隧道竖向位移规律的影响。以厦门地铁2号线某区间为工程实例,验证理论公式的合理性。研究结果表明：在地面堆载作用下,隧道竖向位移曲线多数服从正态曲线分布,且软土区盾构隧道竖向位移普遍大于硬土区;堆载长度对最大竖向位移的影响有限,当堆载长度超过一定界限时,最大竖向位移不再增大,但其范围会随之扩大;当堆载宽度超过一定限度时,竖向位移曲线基本不再发生变化;当埋深较浅时,软硬土交界处盾构隧道两侧竖向位移差异不大,随着埋深的增大,隧道最大竖向位移逐渐向软土区偏移。研究结果可为纵向穿越软硬突变土层地铁盾构隧道的设计提供参考依据。     

盾构公路隧道结构性能检测评估指标及应用研究

就评价运营城市盾构公路隧道结构的整体功能性,安全性能和耐久性能的指标体系进行了研究,并提出了获得上述指标的运营盾构隧道结构检测方案的"三步法"和基于隧道结构纵向长期变形、营运隧道先验信息及踏勘结果的修正的隧道结构检测区段划分方法。最后以服役近40年的我国第一条越江隧道上海打浦路隧道为例,采用上述方法对表征该隧道结构当前性能的整体功能性、安全性和耐久性指标进行了检测并给出部分检测结果。结果表明,文中给出的指标体系基本能够反映运营盾构隧道结构的服役性能状态,采用文中提出的检测方案可准确的获得上述指标,从而对运营盾构隧道结构的服役性能现状做出有效判定。     

青岛城市地下空间稳定性三度区域划分研究

针对青岛独特的上软下硬地层城市地质环境特征,文中采用基于有限元强度折减的数值计算方法和基于现场监测数据的统计分析方法,对青岛城市地下空间稳定性区域划分进行了系统研究。从围岩稳定性角度出发,提出了“难区域(R_D1)—易区域(R_E)—难区域(R_D2)”三度区域的概念,并指出上软下硬地层城市地下空间稳定性区域划分问题的研究重点是R_D1与R_E分布范围及分界覆岩厚度H_r(D1-E);软弱地层厚度H_s越大,开挖跨度D越大,R_D1分布范围越大,R_E分布范围越小,H_r(D1-E)越大,反之 H_r(D1-E)越小。研究成果为城市地下空间的合理开发利用提供了理论基础和依据。     

超大直径盾构隧道始发关键技术

南京市纬三路过江通道工程Φ14.93 m泥水平衡式盾构已成功始发。南京纬三路过江通道工程位于南京长江大桥和已建成通车的南京长江隧道之间,是长江上第四条过江公路隧道,其直径大,承受水压高,所处位置地质情况复杂,隧道部分段要穿越上软下硬的复合地层,施工风险大;过江段采用X型交叉过江方案,隧道内部为单管双层结构形式。过江段隧道采用泥水气压平衡盾构机进行施工,一次性掘进距离长。盾构机始发作为盾构隧道施工的关键技术,包含了许多周到细致的工作。针对盾构机始发前各种工作的准备,总结出南京纬三路过江通道工程盾构机始发关键技术,为今后类似工程提供参考。     

双洞效应的黄土公路隧道变形影响离心模型试验

目前,有些黄土公路隧道受到地形限制只能采取小净距隧道形式,为了更好地解决彼此开挖相互受影响带来的安全隐患问题,笔者开展了6组基于先加载后开洞思路的离心模型试验,研究了不同净距和间距的组合下双洞效应黄土公路隧道地表及地层的变形规律。试验结果表明:间距保持1D时,随着净距的增大,双洞间的相互影响程度明显减弱,先行洞开挖对后行洞的次生扰动逐级递减;地表沉降轮廓由单核心盆地演变为多核心盆地,地层变形曲线从V形发展为W形;压力拱效应明显且成拱高度随两隧体净距的增加而升高。间距变为2D时,无论净距如何取值,地表和地层沉降的最大值都会在右侧隧道中心线附近出现,右侧隧道上覆土体变得更为敏感。净距2D间距2D时,地表和地层沉降均在右侧先行隧道拱顶上方出现6组工况下的最大沉降值,评定为最不利工况;间距1D净距取1.5D和2D时,两隧体间均可形成自稳的宽底承载土柱体。因此,小净距黄土公路隧道合理净距取值范围为1.5D~2D,相应的掌子面间距宜控制在1D内。     

深部高应力隧道TBM护盾长度和推力计算方法研究

岩石隧道掘进机(TBM)法开挖长隧道是一种安全、快速、有效的隧道开挖方法,但TBM复杂高应力隧道掘进时易发生卡机事故,因此,TBM在设计之初应尽可能考虑地质环境的影响,降低TBM的卡机风险。通过分析高应力常规地层和高应力软弱破碎地层对TBM的影响,提出了高应力常规地层和高应力软弱破碎地层TBM卡机的两个判据。根据两个判据提出了考虑围岩力学参数的高应力隧道TBM护盾长度设计和推力设计理论计算方法,并给出了参数选取依据。最后依据西南地区某高应力隧道的实际围岩地质参数,计算分析了现有TBM设计的合理性。本研究可为TBM的盾体长度和推力设计计算提供围岩力学参数依据。     

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...