砂土地层土压盾构隧道施工掌子面稳定性研究

土压平衡盾构在自稳性较差的砂土地层施工时若仓内支护压力过小可能诱发掌子面失稳,应引起高度重视。采用三维离散元方法分析了砂土地层土压盾构掘进与停机状态下的掌子面稳定性。研究建立了较为精细的土压盾构机模型并引入盾构动态施工过程,充分考虑了刀盘旋转切削土体与面板支撑对掌子面的影响,探讨了刀盘型式、隧道埋深以及刀盘转速等因素对掌子面极限支护压力与失稳区分布的影响规律,并从细观角度解释了砂土地层土压盾构隧道掌子面失稳机理。与既有研究相比,本文考虑了土压盾构动态施工对掌子面稳定性的影响,更加接近工程实际,研究成果可为确保砂土地层土压盾构隧道施工掌子面稳定提供参考。     

地铁区间土压平衡盾构隧道下穿既有河道施工控制措施

针对成都地铁6号线西华大道站至金府站区间隧道下穿既有河道的案例,总结盾构隧道下穿既有河道施工期间盾构机掘进参数和地层加固的工程措施,采用数值方法对盾构机掘进所引起的地层沉降和既有河道地层注浆加固效果进行模拟计算,并对盾构隧道施工期间的监测数据进行分析。结果表明：土压平衡盾构隧道下穿既有河道施工期所采取的土体改良、土舱压力、掘进参数和注浆加固措施是有效的,保障了地铁双线区间盾构隧道下穿既有河道施工安全与既有河道的正常运行。     

黄土地层盾构隧道施工的掘进试验研究

 黄土是一种典型的非饱和结构性土,其强度与土体结构特征密切相关。黄土地层中盾构法隧道施工开挖面稳定性受施工参数影响较大,控制不当容易造成开挖面土体松动或坍塌,严重影响隧道结构安全及周围环境。针对我国首次在黄土地层中修建的地铁盾构隧道西安地铁2号线,采用自主研制的土压平衡式模型盾构机开展室内掘进实验,研究黄土地层条件下盾构掘进对地层的扰动情况以及盾构施工关键参数的匹配问题。研究结果表明,黄土地层中盾构掘进引起的地层横断面沉降曲线与黏性土地层存在差异,曲线形式具体表现为下部呈深V型、上部区域呈缓和的盆状,并得到地层损失率K和地表沉降槽宽度系数i;地表位移时程曲线具有突变性,存在明显的三阶段特点;盾构顶推力的变化直接影响隔舱土压力的变化,掘进过程中隔舱土压力和出土率表现出一定的随机性,出土率有随顶推力的增大而呈减小的趋势,并与推进速度成反比。     

土压平衡式盾构掘进过程的相似模型试验

土压平衡式盾构掘进过程是一个多系统综合运作的复杂力学过程。为实现土压平衡盾构掘进过程的相似模拟,设计制造能够完成掘削面开挖、螺旋出土器出土、盾构机推进、管片拼装、盾尾注浆等全过程模拟的土压平衡式模型盾构机。其次对盾构-地层系统的相关参量进行甄别,选出对试验结果有重要影响的参量,同时基于相似理论,通过量纲分析的方法得到盾构-地层系统的相似准则。基于该相似准则,进行土压平衡式盾构掘进过程的室内相似模型试验,获得土压平衡式盾构掘进对地层影响的一般规律,该试验结果经过相似关系换算后可直接反映出原型中的实际地层沉降量。这种能够实现掘进全过程模拟的土压平衡式模型盾构机为深入研究盾构施工对地层及周围环境的影响提供新手段。     

土压平衡盾构在砂卵石地层长距离穿越河流施工关键技术

从盾构机的改造,浆液配比试验,渣土改良等几个方面论述了土压平衡盾构隧道长距离穿越砂卵石地层并穿越河流的施工技术。在试掘进阶段对盾构掘进主要控制参数包括推进速度、刀盘推力、土仓压力、刀盘扭矩、刀盘转速、注浆参数等进行了调整。在掘进过程中严格按照试掘进阶段的参数执行。实施效果表明,完全达到了刀盘刀具的耐磨性要求,保证了盾构机在砂卵石地层中长距离穿越河流的安全。     

盾构平衡压力理论计算与应用技术

为了确保盾构穿越附近地表及建(构)筑物的安全,无论是土压平衡盾构还是泥水平衡盾构开挖面平衡压力的准确选取十分重要。对现今常用的周边圆弧形刀盘开挖面进行分析,通过开挖面几何尺寸理论计算准确推导出圆弧形刀盘开挖面原状土体无变形的各个点平衡压力计算公式。依据平衡压力计算和穿越不同地层、不同危险源提出周边圆弧形刀盘盾构土舱压力选取原则:在软弱地层、穿越重大危险源地段要严格按照平衡压力保压掘进,盾构土舱压力选取介于盾构上覆水土自重应力与静止侧向水土压力之间;在地层有一定成拱效应并且无重大危险源地段,根据地表沉降监测情况可适当降低平衡压力,盾构土舱压力选取介于地层水土自重应力与最小极限平衡压力之间,让地层土拱效应起作用,降低刀盘、刀具等的磨损。对于前大后小盾体的盾构机提出盾构在穿越软弱地层或重大危险源地段在盾体周围以平衡压力注入一定量的粘土,可有效降低盾体上方地表的沉降。对土压平衡和泥水平衡盾构施工有一定的指导作用。     

盾构刀盘前方地层变形机理及控制措施

盾构机是城市地铁施工的主要机械设备,由于长江三角洲地区多为软土,故该地区地铁区间施工基本采用土压平衡盾构机。盾构机掘进前、掘进中和掘进后均会对地面造成不同的垂直位移。本文以苏州地铁穿越苏嘉杭高速为实例,主要从地层变形分析,土仓压力控制(含修正数值选取)和出土量几个方面阐述了盾构掘进时前方土体的变形机理和控制措施,希望可以为以后盾构施工的沉降控制和穿越建(构)筑物施工提供技术参考。     

浅谈盾构机短距下穿既有线沉降工艺控制

盾构隧道下穿既有运营隧道时,将对既有隧道产生扰动,威胁着既有隧道的运营安全。针对土压平衡盾构下穿施工展开研究,探索粉质粘土地层盾构下穿施工中土仓压力、掘进推力、刀盘扭矩、刀盘转速、掘进速度、同步注浆量、同步注浆压力、出土量、盾构机姿态等施工参数的优化方法,提出适用于粉质粘土地层盾构下穿施工参数,形成盾构短距下穿既有运营隧道沉降控制技术,为西安地铁乃至西北地区盾构隧道下穿施工提供参考和借鉴。     

富水砂卵石地层土压平衡盾构掘进渣土改良技术

土压平衡盾构机在富水砂卵石地层掘进过程中,由于土体流塑性差,土舱内的渣土无法及时排出,导致推进速度缓慢,盾构推力及刀盘扭矩增大等现象,易出现地表塌陷事故.为此,文章以成都地铁17号线一期项目盾构隧道工程为背景,进行砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工土体改良试验研究.试验结果表明:采用泡沫剂或泡沫剂+膨润土作为土体改良剂对砂...     

地表超载对软、硬地层中既有盾构隧道影响的试验研究

为了探明地表超载对软、硬地层中既有盾构隧道的影响,通过隧道与地层相互作用的模型试验,对地表超载作用下隧道变形、土压力及土体沉降进行了量测。试验结果分析表明,相同的地表超载作用下,软土地层中的隧道横椭圆变形要大于硬土地层中的隧道横椭圆变形。当隧道穿越土层的土体压缩模量较小时,地表超载作用下隧道上覆土层表现为被动土拱土压力;当隧道穿越土层的土体压缩模量较大时则为主动土拱土压力。隧道竖向收敛变形与其穿越土层竖向压缩量之间的关系分析表明,隧道横断面变形刚度与穿越土层的土体压缩模量共同决定隧道上覆土层的沉降状态,从而决定了地表超载对既有盾构隧道的影响。研究成果定性地揭示了软土地区既有盾构隧道在地表超载作用下极易发生变形超限的机理。     

Laboratory model tests and field investigations of EPB shield machine tunnelling in soft ground in Shanghai

In the last decades, many studies have been presented by different scholars on the environmental problems induced by the shield tunnelling in soft ground. But it mainly concentrated on ground surface settlement, tunnel surface stability and the influence to existing structures. Among them, little attention was paid to soil disturbance caused by the mismatch of machine’s operation parameters. In order to reveal this inherent relation, a series of laboratory model tests were carried out in the 1/16 scale for a field tunnel in practice where the tunnel had 6.4 m diameter. The tests to simulate earth pressure balance (EPB) shield tunnelling in soft ground were conducted with a microshield machine (0.4 m diameter). Measurements were carried out simultaneously in each test for total jack thrust force, cutting torque, chamber pressure, mucking ratio, ground surface displacement, and earth pressure. Based on the analysis of test results under different overburden ratio, cutterhead aperture ratio and screw rotation speed, the relationships between machine’s operation parameters themselves and its influence on disturbance to surrounding soil mass were discovered. Such discoveries were also verified by the field investigations. These results are useful for engineers and technicians to select suitable and serviceable machine operation parameters and reduce environmental influence at all stages of tunnel construction.     

地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟

在全面分析土压平衡式盾构施工过程中影响周围土体变形各主要因素的基础上，提出一种能够综合考虑各种因素的盾构施工三维非线性有限元模拟方法，通过对某地铁隧道盾构施工过程的模拟，分析了盾构推进过程中隧道周围及地表处土体的位移和变形以及横断面不同深度上的沉降分布规律，计算得到的隧道纵向地面沉降分布曲线与实测数据非常接近，计算结果表明所提出的盾构施工模拟方法是有效可行的。     

14.93m泥水平衡盾构施工扰动实测研究

利用现场监测数据研究14.93 m泥水平衡盾构施工诱发的地层扰动的程度、波及范围和持续时间。监测项目包括5根测斜管、9个地表沉降监测点和20个侧向土压力传感器,监测持续45 d。将采集到的测斜数据和深层水土压力数据绘制成云图,结合地表沉降曲线分析表明:盾构正面支护性能优良,盾构切口通过前后地层几乎没有产生位移,盾构底面以下侧向应力扰动度<10%。盾尾脱出及其后一环脱出是地层扰动最剧烈的时刻,隧道开挖卸载造成了底面以下2D×1.5D(D是隧道直径)范围内应力扰动>10%;采用127%的同步注浆率造成了隧道周边土体的向外挤压和地表隆起,土层最大水平位移位于盾构肩部和腰部注浆孔之间,最大位移19.7 mm,距离盾构轴线2.5D范围以外的位移<2 mm;地面隆起最大值41.3 mm,距离盾构轴线外侧1.5D以外的位移<4 mm。盾构远离监测断面30 d后,地面隆起回落57%。     

近距离多线叠交盾构施工对既有隧道变形的影响研究

针对上海地铁新建11号线先下后上近距离穿越既有4号线,形成三层隧道四线叠交的特殊工况,采用有限元数值模拟和现场监测相结合的方法,考虑既有隧道周围土压力的分布规律,研究了盾构下穿施工时土仓压力和注浆压力以及上穿施工时压重范围和压重量对既有隧道变形的影响。研究结果表明：下穿施工结束时,既有隧道的沉降量不随土仓压力比的改变而改变,但随注浆压力比的减小而增大;上穿施工应采取压重措施预防既有隧道的上浮和局部隆起变形,宜遵循新建隧道同步压重为主,既有隧道压重为辅的原则。     

Lessons learnt from unusual ground settlement during Double-O-Tube tunnelling in soft ground

The DOT (Double-O-Tube) tunnelling method has been adopted in the construction of various types of tunnels in soft ground both in Japan and in China. Recently, an unexpected ground surface settlement of approximately 0.8 m was observed in a DOT construction site in Shanghai, China. The backfill grouting injection rate had to be increased by up to 500% to control the settlement. In order to find out the reasons for the large settlement, and to reduce it to an acceptable level, in-situ monitoring, including surface settlement and subsurface settlement, was undertaken to obtain the change in ground deformation during DOT machine driving. It was found that the conventional settlement control methods, such as adjusting the earth pressure balance on the cutter face, and simultaneous backfill grouting at a normally acceptable injection rate, could not reduce the large settlement. It was also noticed that the settlement started as the DOT machine was passing, as well as after the tail had passed through. Subsequent field investigations found cement accumulation attaching to the skin plate. This was due to improper backfill grouting at the early construction stage, and the concave shape of the DOT machine. The mechanism for large settlements due to improper immediate backfill grouting was analysed. After taking countermeasures, the ground settlement was reduced to approximately 0.02 m.     

盾构隧道施工对砂性地层的扰动及管片受荷特征

以西安地铁土压平衡式盾构穿越砂性地层为背景,采用颗粒流(PFC^2D)数值方法研究盾构施工对砂性地层的扰动情况,同时通过现场测试获取砂性地层下盾构隧道管片衬砌的荷载分布和内力特征。研究结果表明,相对于黄土等粘性地层而言,砂性地层的颗粒性较为突出,盾构开挖引起的地层移动在空间分布上连续性较差,出现局部松动或欠密实区域。砂性地层透水性较好,孔隙水压力测试值与水头高度有很好的相关性,但土压力测试值要低于实际受力值。受各种施工荷载的影响,管片弯矩和轴力在盾尾脱环阶段波动较大,随着盾构的推进,盾尾注浆等施工荷载对结构受力的影响减小,当脱出盾尾10~15环后,管片内力逐渐稳定。研究成果可为砂性地层土压平衡盾构隧道的设计与施工提供参考。     

板岩地层盾构掘进对地层扰动的现场试验研究

长沙地区板岩的特点是遇水易软化、崩解,目前未见对该地层盾构掘进引起地层扰动的相关研究。以长沙地铁2号线西延线一期工程为依托进行了现场试验,监测内容包括:地表沉降、土体水平位移、土压力和孔隙水压力,同时记录掘进参数。通过分析得知:(1)板岩地层盾构总推力、扭矩和土仓压力是同步变化的,埋深不变时土仓压力随着隧道断面内微风化板岩所占比例的增加而增大;(2)地表沉降、土体水平位移、土压力和孔隙水压力随着切口到断面距离的变化规律基本一致;(3)各测点横向地层位移最大值约为轴向的1.1~2.6倍;(4)根据土体应力随切口到断面距离变化规律,将应力扰动分为缓慢减小段、波动段、缓慢变化段和恢复段4个阶段。     

软土层中类矩形盾构掘进施工引起地层竖向变形实测与分析

 类矩形盾构断面形状、机械配置与圆形盾构的差异必然引起地层变形规律有所不同,以国内首例软土层中类矩形盾构地铁隧道工程为背景,依据现场实测地表变形、土体分层沉降数据,分析类矩形盾构隧道施工引起地层竖向变形的基本规律,并结合变形机制对施工控制提出建议。结果表明：类矩形盾构施工引起地表沉降最大值约50 mm,开挖面前方影响范围约20 m;地表竖向位移随时间发展呈现出缓慢沉降(隆起)、急剧隆起、快速沉降、平稳沉降4个阶段,沉降主要发生在盾构通过后,由软土地层受扰动后固结引起。地层竖向变形主要受土仓压力、盾尾注浆、盾构姿态等因素的影响,其中,盾构掘进姿态控制是盾构两侧土体竖向位移方向相反的主要原因,盾构姿态对周围地层变形影响比单圆盾构更显著。     

土压平衡盾构掘进对散粒体地层扰动和开挖面破坏特性研究

 采用自主研制的? 800 mm土压平衡盾构掘进试验系统,对砂卵石与砂土地层开展室内缩尺掘进试验研究,以分析土压平衡盾构掘进对地层的扰动特征;同时,针对室内缩尺掘进试验,开展离散元数值模拟以分析盾构掘进开挖面的变形与破坏形态。研究表明：砂土地层地表沉降曲面自上而下呈现逐渐收缩的“圆形漏斗”状,砂卵石地层地表沉降曲面自上而下呈现逐渐收缩的“V型河谷”状;砂卵石地层地表横断面沉降槽宽度系数相比砂土地层要小;2种地层地中沉降槽宽度参数都随地中深度比的增加而呈线性增大,相同深度比条件下砂卵石地层地中沉降槽宽度参数要小于砂土地层;砂土地层沉降时间效应曲线较为渐进和连续,而砂卵石地层则呈现突变性;2种地层开挖面破坏形态均为烟囱状,但砂卵石地层的开挖影响范围无论在横向还是纵向上都要小于砂土地层。     

超大直径泥水盾构掘进对土体的扰动研究

 依托南京长江超大直径泥水盾构隧道工程,通过在始发试验段埋设地表沉降观测点、测斜管、土压计力及孔隙水压力计,进行相应项目的试验。研究泥水平衡盾构掘进各阶段对土体的扰动机制、扰动规律、影响范围以及影响程度。分析得出应力扰动度与距离之间的相关关系,在此基础上计算出盾构推进对土体的显著应力扰动区域(应力扰动度≥5%)为盾构外侧16 m(约一倍洞径)。建立切口压力、同步注浆压力与地表沉降之间的数学模型,进一步修正Peck公式,使之能更好地预估泥水盾构掘进引起的地表沉降。最后结合盾构掘进参数,探究减小土体扰动的措施。