软土地层土压平衡盾构施工参数的模型试验研究

我国沿海经济发达城市及一些内陆中心城市正在兴建或筹建地铁,这些地区的地下广泛分布着较厚的软黏土沉积层。为研究土压平衡盾构在这种软土地层中施工的适应性,以上海地铁M8线某区间隧道工程为研究背景,采用室内模型试验的方法,开展在不同埋深、不同刀盘开口率、不同推进速度以及不同螺旋机转速等情况下的盾构掘削模型试验。通过对试验结果的整理与分析,得出土仓压力与排土效率、单位时间排土量与推进速度、推力和扭矩之间的内在联系,以及隧道埋深、刀盘开口率、推进速度对推力和扭矩的影响。这些结论的取得为盾构施工参数之间及其与地层特性之间的适应性理论提供了有益的帮助,并为更好地指导软土地层盾构隧道的设计与施工服务。     

Experimental study on working parameters of earth pressure balance shield machine tunneling in soft ground

Deep sedimentary deposits of soft clays are widely distributed in coastal areas as well as many interior major cities in China. In order to study the stratum adaptability of earth pressure balance (EPB) shield machine tunneling in such types of soft ground, model tests of tunneling excavation, using the running tunnel of the Shanghai Metro Line M8 as a background, are carried out with different over burden ratios, opening rates of cutter head, driving speeds and rotation speeds of screw conveyor. Based on the test results, the interrelationships between chamber pressure and mucking efficiency, mucking rate and driving speed, thrust force and torque are obtained. The influences of tunnel depth, opening rate of cutter head and driving speed on thrust force and torque are revealed. Such findings can not only facilitate establishing relationships between shield working parameters and soil properties, but also serve as a guide for the design and construction of shield tunnel in soft ground. __________ Translated from China Civil Engineering Journal, 2007, 40(9): 87–94 [译自: 岩土工程学报]     

土压平衡盾构平衡控制理论及试验研究

土压平衡盾构在掘进时有两种平衡状态,一种是盾构与前方土体接触压力和土水压力的平衡,另一种是出土的平衡。两种平衡状态只有在刀盘开口率非常大时才等价。由于面板的挤压作用,开口率较小的盾构两种平衡状态将有较大偏离。出土率是控制土压平衡的重要指标,当其接近100%时,盾构处于出土的平衡掘进状态。盾构掘进时很难直接控制出土率,可通过施工参数间接控制。推导出土率与螺旋机转速、推进速度的定量关系,通过模型试验验证三者关系;推导平衡状态时上述三个参数的关系,该关系可作为通过施工参数控制平衡状态的标准;提出通过模型试验确定平衡状态时参数匹配的方法。当出土率小于或大于100%时及采用开口率较小的面板式刀盘时,盾构将产生不平衡掘进。大部分土压平衡盾构不平衡掘进产生挤土作用,造成正的地层损失及附加的应力场。试验结果表明,不平衡推进时挤土量一部分产生体积应变,一部分形成正的地层损失,使盾构前方地表产生了隆起;现场试验测试了刀盘前方附加应力场的大小和范围。研究成果可以指导土压平衡盾构推进时的参数控制,对控制推进时地表变形有指导意义。     

复杂岩石地层盾构掘进效能影响因素分析

基于现场掘进试验和岩石点荷载强度试验,对泥岩、砂岩交互地层条件下泥水盾构的掘进效能及其影响因素进行研究.利用现场采集的数据,运用回归分析的方法,主要分析盾构掘进效能与岩石强度、刀盘推力及刀盘扭矩的关系.研究成果表明,岩石强度越高,刀盘每转切深和掘进速率就越低,二者呈幂函数曲线关系;随着刀盘推力的增大,切深呈幂函数关系增加;而随着刀盘切深的增加,刀盘扭矩则呈线性增加.对比两种地层的掘进特性,相对而言,泥岩地层掘进效能较高,但需要较大的扭矩,而在砂岩地层掘进需要较大的推力才能获得理想的掘进效能.     

高强度基岩爆破预处理泥水盾构掘进特征研究

泥水盾构在高强度基岩地层中掘进,盾构自身刀具无法有效破岩,采用基岩爆破预处理的控制钻爆法能严格控制破碎碴块体量,提高刀具破岩能力,但盾构施工过程中,掘进参数与岩石之间关系非常复杂。以台山核电站取水隧道为背景,对现场获得的工作数据进行挖掘,分析基岩爆破前后地层中盾构刀盘推力、刀盘扭矩及掘进速度的参数的选用特点。在此基础上,引入参数转换量FPI、TPI指数及比能进行研究,研究表明,未经处理基岩地层,岩石强度过高,刀盘推力先达到最大值,但切深很浅,扭矩很难发挥最大能力;经爆破处理后,基岩岩体受到不同程度破碎,盾构机推力及扭矩能有效发挥其功能,掘进效能提高。因此,在盾构机的工作负荷范围内,应依据基岩岩体破碎效果,调整刀盘推力和扭矩,使之更好地适应地层,力争达到高效安全的掘进目的。     

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。     

均匀软质地层条件下土压平衡盾构施工的合理顶进推力分析

应用数学和力学方法,从土压平衡盾构的掘削工作机理入手,研究顶进推力的计算方法及其影响因素。开展土压平衡盾构的掘削模型试验,研究在不同埋深、不同刀盘开口率以及不同土性时的千斤顶顶进推力的变化规律,并对前述理论研究成果加以验证。结合地铁隧道工程实例,应用推导的推力计算公式预测盾构推进过程中的顶进推力,取得了较为满意的结果。     

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。     

天津地铁北站北-铁东路站区间盾构机选型研究

针对天津市地铁二期工程3号线北站北-铁东路站盾构区间的工程地质情况和施工条件,就其盾构机的选型进行了分析。在分析中,对盾构机的刀盘、刀具的形式以及布置等进行了阐述,同时时推力、刀盘驱动扭矩、主驱动功率、推进系统功率、螺旋输送机出土能力以及注浆能力等关键参数进行了计算。最终确定选择加泥式土压平衡盾构。实践证明该盾构机选型是合理的。     

盾构隧道施工盘形滚刀推力分布规律研究

 盾构掘进时,刀盘由油缸推压到工作面上,滚刀与岩石之间产生相互作用。为研究各滚刀推力分布规律,分析影响滚刀与岩石相互作用的影响因素,指出掘进过程中滚刀推力分布主要与岩石刚度有关。假设滚刀与岩石弹性点接触,建立刀盘与岩石相互作用的三维弹性支点力学模型并进行了简化,运用有限元方法对其进行分析与比较。研究表明,刀盘上各滚刀的推力分布并不均匀,滚刀布置稀少处的推力较高,面刀推力均比边刀推力高出40%～60%。相同的刀盘形式,滚刀布置方式不同,其推力分布差异较大。最后,运用蒙特卡罗有限元方法,分析岩石刚度变化对滚刀推力分布的影响,岩石越软,滚刀推力分布越均匀;反之,滚刀推力分布的均匀性越差。在硬地层中掘进时,个别推力高的滚刀磨损严重,换刀频繁,影响了施工进度。因此,该部位的滚刀布置值得进一步研究。     

复杂地层土压平衡盾构推力和刀盘扭矩计算研究

千斤顶推力、刀盘扭矩是盾构设计制造及掘进的重要控制参数。通过对盾构推进过程中盾构与围岩相互作用规律的分析,系统分析了土压平衡盾构总推力、刀盘扭矩的影响因素。提出了考虑刀盘挤土效应及土舱内压力分布模式影响的推力计算修正公式,及综合考虑了刀盘挤土效应与开挖面土体渗透性的刀盘扭矩计算修正公式。通过对深圳地铁二号线香香区间掘进载荷实测数据的分析,对修正公式在复杂地质条件下的适应性进行了验证。该修正公式对复杂地层中土压平衡盾构掘进载荷的确定有一定的指导意义,可用于盾构刀盘装备扭矩设计和施工参数的预测。     

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.     

土压平衡盾构掘进的数学物理模型及各参数间关系研究

为保证开挖面稳定及控制地面沉降,土压平衡盾构掘进时必须合理匹配各施工参数。基于模型试验结果,推导土压平衡盾构的3个基本方程式,进而得到土压平衡盾构2个总平衡方程式,建立土压平衡盾构掘进的数理模型。在此基础上推导总推力、土仓压力、螺旋机转速、掘进速度间关系的数学表达式,利用盾构施工的现场数据验证关系式的正确性。利用现场掘进数据统计刀盘扭矩、刀盘转速、土仓压力间的经验关系式。这些关系对土压平衡盾构设计时的参数选择和匹配有重要的指导意义,可以应用于土压平衡盾构施工时的参数控制。土压平衡盾构掘进的连续性方程为土压平衡盾构掘进时的地面沉降控制提供了新的研究思路。     

跨海隧道孤石密集及基岩凸起段盾构适应性分析

厦门地铁2号线海东区间多处穿越孤石密集及基岩凸起段,施工中面临高水压、带压频繁进舱等多种施工难题,对盾构设备配置及掘进参数控制提出了较高的要求。本文分析了海东区间孤石密集及基岩凸起段的盾构机适应性,深入研究了该区间内的盾构掘进参数。研究结果表明:①在孤石密集及基岩凸起段施工过程中,可针对性采取配置可伸缩刀盘、加大滚刀、铲刀高差并配置双刃滚刀等措施,以提高盾构机适应性并便于控制掘进参数;②为保证盾构高效穿越孤石密集及基岩凸起区段,需确定盾构参数适应性区间,稳定掘进比能在较低水平;③对比孤石段开仓处理前后的掘进参数,平均转速提高了约3.72%,平均扭矩降低了约34.2%,平均推力降低了约19.04%,平均掘进速度提高了约98.8%,平均掘进比能降低了约68.6%,充分验证该盾构在孤石密集及基岩凸起段配置的适应性。     

基于BP神经网络的水下岩溶地层#br# 盾构掘进参数预测与分析

随着我国城市地铁网的建设,越来越多的隧道将不可避免的穿越水下岩溶区,受制于岩溶地层的复杂性、注浆加固后地层的诸多不确定性,盾构穿越该类地层施工风险极大,而选取合理的盾构掘进参数是确保盾构安全与高效掘进的关键。以长沙地铁三号线盾构穿越水下岩溶段为工程依托,首先通过统计与分析钻探数据,明确了岩溶分布特征;其次,通过输入地层特征参数和隧道特征参数,建立了可输出盾构掘进速度、推力、刀盘扭矩、开挖仓压力、气垫仓压力和同步注浆量等掘进参数的BP神经网络水下岩溶盾构掘进参数预测模型;最后,对样本数据进行了训练,并成功应用于工程实践。研究结果表明：训练的输出值与期望值吻合度较高,构建的BP神经网络模型具有较好的适应性;输出的预测结果能有效反映实际盾构掘进参数的变化趋势,预测值与实际期望值的平均误差均低于13%,在误差可接受范围内。现场应用结果表明,地表沉降在安全范围内,盾构掘进过程中未发生工程事故,盾构掘进参数选取合理,姿态控制较好。研究成果可用于指导水下岩溶盾构隧道工程施工,且该方法的提出也为其他复杂地层盾构掘进参数合理选取提供了新思路。     

基于盾构掘进参数分析的隧道围岩模糊判别

以重庆主城越江排水隧道工程的地层条件为背景,基于施工现场盾构掘进试验,运用模糊数学方法,对盾构掘进过程中隧道围岩状况判别的理论和方法进行了研究。结合盾构掘进的特点和刀盘切割岩石的基本原理,提出了比推力和比扭矩的概念,建立了不同围岩条件下的比推力(SF)和比扭矩(ST)模糊集合,探讨和揭示了刀盘比推力和比扭矩的关系,刀盘推力、扭矩及切深与地质条件的相关性及与不同围岩状况、盾构掘进状态的对应关系。研究表明,若比推力与比扭矩以较高的水平同步、均匀变化,说明盾构在较硬的均匀地层中掘进;若比推力与比扭矩均较小且同步、均匀变化,说明盾构在较软的均匀地层中掘进;若比推力与比扭矩的变化出现比例异常,则暗示盾构正在穿越断层破碎地段或遇到障碍物或盾构姿态不良等。该方法减少了盾构在此类地层下掘进的盲目性和停机次数,提高了掘进效率和施工安全度,可用于盾构隧道施工围岩状况的适时、定性判别。     

砂性土层盾构掘进面前土体改良现场试验

针对土压平衡盾构在砂性土层掘进时常面临的闭塞、喷涌、刀具严重磨损、掘进速度过慢及刀盘扭矩过大等难题,依托上海某盾构在高含砂率砂性土层中掘进的工程实例,在盾构掘进面前方掺加肥皂水、泡沫剂进行现场试验,通过试验前后盾构施工参数的反馈分析结果,确定出土体改良最佳方案。将试验成果应用于相似地层,通过长距离改良前后掘进速度、刀盘扭矩以及刀具磨损变化来检验试验成果。研究结果表明:肥皂水改良效果不明显,泡沫剂改良效果优于肥皂水,适量浓度泡沫剂能大幅度提高掘进速度、降低刀盘扭矩和减少刀具损耗。     

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...     

盾构周围土压力的试验研究与数值模拟

建立大型盾构模拟试验平台和直径为φ1．8m的盾构机模型，在软土、砂土及砂砾土层中进行盾构模型的掘进试验，在试验中分别采用刀盘开口率为30％和70％的盾构模型进行模拟掘进。模型盾构掘进过程中，监测系统实时采集推力、土舱压力和刀盘扭矩等盾构推进的各种工作参数，重点对模型盾构周围土压力变化及刀盘开口率对土舱内外土压力的影响进行研究。另外，还研究2种不同刀盘开口率对于盾构的推力和刀盘扭矩的影响，并建立模拟盾构掘进的有限差分模型。该模型考虑刀盘开口率的影响，获得盾构周围土体中土压力的动态变化曲线，并将土压力的实测值和计算值进行比较。     

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。