砂土中盾构开挖面变形与破坏数值模拟研究

土压平衡式盾构施工中,开挖面支护土压力控制是保证掘进顺利进行的关键,利用能够考虑大变形的拉格朗日有限差分计算程序,对砂土地层土压平衡式盾构施工中开挖面支护应力不足引起开挖面的变形及破坏问题进行了分析研究,探讨了隧道开挖面变形及破坏问题,为砂土地层中盾构开挖面控制压力的确定提供参考。     

无水砂卵石地层盾构常压开仓脱困技术

北京某地铁隧道采用交叠盾构法施工。由于下层盾构隧道加固影响,需断续掘进,每次掘进有数天停机过程。在一次停机40 h后,对盾构机进行保压时,发现刀盘抱死。此时盾构机埋深为12.3 m,所处地层为卵石(5)。为保证掌子面土体稳定性,采取土舱清理与开挖面支护同期进行的措施。在完全清空土舱后刀盘试转,刀盘外周行程达20 cm后停止转动,标志着刀盘脱困成功。之后自下而上撤出掌子面支护措施,同时用聚氨酯泡沫袋和膨润土泥浆回填土舱,土舱填满后关闭人舱门,继续加入膨润土泥浆,建立土压后盾构机试掘进,完成该次脱困处理。     

砂土地层盾构隧道施工对地层扰动的室内掘进试验研究

土压平衡式盾构机在穿越流塑性差、渗透系数大的砂土地层时容易对隧道周围土体产生扰动,导致地表沉降不易控制和作用在衬砌结构上的土压力发生改变。针对地铁盾构隧道穿越砂土地层引起的地层扰动,采用一种能完全反映盾构隧道动态施工全过程的分析方法尤为重要。以城市地铁盾构区间隧道施工采用的土压平衡式盾构机为原型,研制 800 mm土压平衡式模型盾构机,该机主要包括推进机构、掘削机构和出土机构,能实现盾构始发、刀盘切削、螺旋出土、管片拼装等主要功能,以此开展砂土地层中盾构施工的室内掘进试验。试验过程中对盾构掘进引起的地层沉降及衬砌结构上的土压力进行量测,分析地层沉降形态和衬砌结构上土压力的分布形态,同时将试验结果同理论计算、数值分析及现场资料进行对比。研究结果表明,土体性状和盾尾注浆对地层沉降具有重要影响,地层损失是地层发生沉降的主要原因。未注浆情况下盾尾脱环引起的地表沉降值占总沉降值的60%以上,且由于未注浆而增大的地表沉降所占比例为20%～30%,沉降时程曲线具有阶段性和时效性。地表沉降槽宽度系数i与现场测试数据具有一致性。衬砌结构上的土压力分布类似于上下端为长半轴、左右端为短半轴的椭圆形,数值上试验实测值较理论计算值要小。     

考虑渣土特征的盾构施工力学动态耦合仿真研究

土压平衡盾构渣土作为开挖面支护力与土仓压力之间的传递介质,其力学性能直接影响到土仓压力的控制、开挖面支护力大小和地层变形等。通过编制离散元和有限差分耦合程序,模拟了土压平衡盾构机动态掘进过程,分析了渣土改良对土仓压力传递性和开挖面地层响应的影响。研究结果表明:盾构掘进过程中土仓压力会出现一定的波动幅度,越靠近刀盘,压力的波动幅度越大。刀盘转动角度对土仓压力有一定的影响。刀盘面板转至监测点水平线上时土压力较大,刀盘开口转至监测点水平线上时土压力较小。渣土改良能增大土仓压力传递系数,降低土仓压力的离散性。压力传递系数不是一个稳定值,而是一个受刀盘转动角度影响的变化值。     

复杂地层中的泥浆护壁带压换刀技术探讨

对于不同地质,盾构刀盘刀具的切削原理和配置形式不同,为了提高掘进速度,往往需要根据刀盘的适用性,不断更换刀具。而对于湖底下穿隧道工程,水土压力高,水系发育,往往导致掌子面稳定性较差,刀盘密封失效,气压保压困难等现象发生。为了解决该问题,依托南京地铁三号线新庄站—鸡鸣寺站隧道长距离下穿玄武湖工程,针对盾构全断面穿越岩层、半土半岩地层和砂土过程中泥浆护壁带压换刀技术施工工艺进行了系统分析。研究表明,换刀过程中泥浆护壁法能阻断地下水的影响,SANSON保压系统能够有效保证换刀过程气压稳定。     

土压平衡模型盾构掘进试验研究

土压平衡盾构掘进是软土地区地铁隧道施工的主要方法之一,然而,它在不同的土层中的适应性是不一样的。为研究土压平衡盾构机的盾构施工参数以及刀盘开口率对土层的适应性,在新建立的大型盾构模拟试验平台上,利用直径为1.8m的土压平衡模型盾构机在软土、砂土、砂砾土层中进行了盾构掘进模拟试验。试验平台的监测系统实时采集了盾构推进过程中的各种工作参数,通过分析试验数据,本文尝试对盾构掘进过程中土舱内外土压力的相关关系、刀盘扭矩和推力的变化及其影响因素进行了试验研究,还研究了不同刀盘开口率对盾构总推力和刀盘扭矩的影响规律,研究结果对土压平衡盾构机的设计和施工具有参考意义。     

土压平衡盾构施工中泡沫改良砂土的试验研究

土压平衡盾构在隧道施工中,特别在地铁区间隧道施工中已经得到广泛应用。土压平衡盾构主要适用于粘性土地层开挖,其在砂土地层的掘进过程中通常会遇到掌子面土压平衡难以形成、螺旋出土器无法正常排土、刀盘扭矩过大及刀具磨损过快等一些问题。最有效的解决方法是使用泡沫等添加剂对土体进行改良,但是目前工程施工现场添加剂的使用尚存在一定的盲目性。文章首先通过自制的试验室发泡装置生产泡沫,并对泡沫的性能与发泡剂溶液浓度的关系进行研究,为有效使用泡沫提供依据,并通过一系列试验研究泡沫对砂土的改良效果,得到适合土压平衡盾构施工的优化泡沫掺入比。     

软土地层盾构隧道浅埋施工对地层应力场的扰动影响

盾构隧道施工必将引起周围地层的应力场扰动。利用数值方法建立了盾构隧道动态开挖模型,依托厦门地铁区间隧道浅埋施工工程,分析了盾构开挖过程对软土地层应力场的扰动规律,并进一步研究了隧道埋深对扰动效果的影响。结果表明,盾构隧道开挖对隧道侧面水平土压力和上方竖向土压力影响显著,尤其是盾尾注浆的挤压作用使土压力大幅增加,而后伴随注浆压力消散逐渐降低至稳定状态;增大隧道埋深对侧面水平土压力变化规律影响不大,但上方竖向土压力变化量显著减小,即深埋情况下地层抵抗扰动影响的能力有所提高;距离开挖空间越近,地层应力场受盾构施工扰动影响越明显,主要影响范围集中在隧道周围1.0D区域,浅埋开挖时引起地层土压力变化率较大,因此应加强浅埋施工近距地层的稳定性。     

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。     

考虑主应力偏转和土拱效应的干砂盾构隧道掌子面极限支护力计算方法研究

深埋干砂盾构隧道在施工过程中存在显著的土拱效应,如何确定考虑土拱效应的隧道掌子面极限支护力至关重要。基于极限平衡法和楔形体理论,提出了一种多层抛物线承载拱模型。根据隧道不同埋深下掌子面失稳破坏的特征和土拱类别,将隧道状态划分为浅埋隧道、过渡隧道和深埋隧道。考虑多层抛物线承载拱区域主应力偏转角和侧向土压力系数的连续性,并假定抛物线承载拱为满足合理拱轴线三铰拱结构,推导了过渡区和深埋区多层抛物线承载拱荷载传递的计算公式,进而通过极限平衡法计算得到掌子面极限支护力。将本模型计算结果与已有理论模型、模型试验和数值结果进行对比,验证了本模型计算得到的掌子面极限支护力和失稳破坏区的合理性。最后,通过参数分析讨论了土体内摩擦角对隧道浅埋和深埋分界线以及极限支护力的影响。该研究成果可为深埋干砂盾构隧道极限支护力的预测提供理论依据。     

砂卵石地层土压力平衡盾构施工开挖面稳定及邻近建筑物影响模型试验研究

盾构技术在砂卵石地层中应用越来越多,砂卵石地层具有很强的不确定性特征,盾构施工的关键问题之一是保持开挖面稳定性及减小地面沉降。利用土压平衡盾构模型,研究北京砂卵石地层中不同埋深时邻近建筑物影响下的开挖面稳定性及地表沉降规律。试验中,分析柔性基础邻近建筑物及埋深对开挖面极限支护力和地表沉降的影响,揭示开挖面稳定性、土拱效应与极限支护力及地表沉降的关系。在邻近建筑物影响下,砂卵石地层中的支护压力呈非对称分布,且砂卵石地层中盾构推进引起的沉降值大于基于Peck公式的计算值,研究成果对砂卵石地层中盾构施工有重要的指导意义。     

密实砂土地层盾构隧道开挖面失稳离心模型试验研究

砂土地层中盾构掘进时,开挖面支护力不足极易导致开挖面失稳事故。通过3种不同隧道埋深比（C/D=0.5,1和2）的离心模型试验对密实砂土地层中盾构隧道开挖面稳定性问题进行了研究。离心试验研究发现,随着开挖面位移的增大,开挖面支护力先减小为极限值而后逐渐增大并最终趋于残余值;开挖面前方土体总体呈现“楔形体+棱柱体”的失稳区;隧道相对浅埋时（如C/D=0.5）,极限状态下失稳区已扩展到地表;隧道相对深埋时（如C/D=1和2）,极限状态下失稳区尚处于地基内部;极限支护力随着隧道埋深比的增大先增加而后基本保持不变。最后,通过现有几种极限支护力理论计算模型对本文试验预测结果的比较分析,评估了上述理论方法的工程适用性。该研究成果对砂土地层中盾构开挖面稳定性控制具有指导意义。     

土压平衡盾构刀盘开口率对土舱压力的影响

土舱压力与刀盘开口处的土压力并不相等,两者之间存在压力差,该压力差是开挖面土体正常进入土舱的保证。试验及现场监测数据表明,刀盘开口率是影响该压力差的重要因素之一;其它条件相同时,刀盘开口率越小,土舱压力差越大,反之,则越小。采用流体力学理论推导了近似的土舱压力及刀盘开口处压力差计算方法,通过通过现场监测数据和离散元分析结果对公式进行了验证和修正。研究成果使定量分析开口率对盾构推进的影响成为可能,对土压平衡盾构的土舱压力管理及开口率选型有重要意义。     

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。     

Earth pressure balance tunnelling in rock masses: Laboratory feasibility study of the conditioning process

Earth pressure balance (EPB) shield tunnelling is considered to be an effective tunnelling method when surface settlements must be avoided by controlling face stability and underground water inflow. EPB technology is applied increasingly to the conditioning of rock masses in which the presence of polluting material is foreseen and must be controlled, or when explosive gases from the rock mass must be prevented from entering in the machine. The use of an EPB machine in ‘closed mode’ can prevent the dispersion of dangerous materials in the underground environment. This study was performed to evaluate the feasibility of using EPB technology in rock masses and the effectiveness of this tunnelling process in terms of soil conditioning, conditioned soil permeability, pressure transmission on the tunnel face, and the ability to extract the material with a screw conveyor. The research was developed with a set of laboratory tests carried out on three different types of rock masses where tunnelling with EPB machines are planned to be constructed in Italy but the results can be easily applied to similar rock mass types. The tests have been carried out both with slump tests and with a specially constructed screw conveyor extraction device. In the paper the most important results are presented and discussed.     

干砂盾构开挖面稳定性模型试验研究

盾构技术在地下空间开发中得到广泛应用,保持开挖面稳定性是盾构施工的关键,但这方面的大尺寸模型试验研究一直很少。利用直径1 m的盾构模型,研究了干砂地层中不同埋深比(C/D=0.5,1.0,2.0)下盾构开挖面稳定性问题。试验中分析了埋深比对开挖面极限支护力及地表沉降的影响,揭示了开挖面稳定性与极限支护力及地表沉降的关系,提出同时监测控制开挖面土舱压力及地表沉降的重要性,并给出关键控制键参数。对确定开挖面极限支护压力有重要的指导意义。     

土压平衡盾构土舱压力建立机制及设定准则研究

 土压平衡盾构掘进施工中,土舱压力的设定对于控制盾构施工对周围环境的影响意义重大。结合超大直径土压平衡盾构施工的上海市迎宾三路隧道工程,利用理论分析和实测数据分析的方法对土压平衡盾构的土舱压力建立机制和设定准则进行研究。基于进出土平衡理念研究土舱压力建立过程中各施工参数间的关系,提出开挖面土体挤压量这一概念以揭示土舱压力的建立机制。建立盾构刀盘的细化模型,分析刀盘挤压作用下盾构开挖面上土体的挤压情况。基于控制开挖面土体不发生二次扰动的理念,提出土压平衡盾构土舱压力的设定准则,并对该土舱压力设定准则进行工程应用。现场监测数据显示,盾构掘进施工引起的地表隆沉得到有效的控制。     

砂土盾构隧道掘进开挖面稳定理论与颗粒流模拟研究

盾构法隧道施工过程中,土体密实度对开挖面极限支护力值与稳定性影响是一个非常重要的因素。基于Kirsch室内模型试验,采用颗粒流计算分析了隧道掘进过程中土体密实度对开挖面极限支护力、残余支护力以及开挖面前方土体孔隙比变化的影响,从细观角度解释了砂土中盾构隧道开挖面失稳机理,分析了砂土中盾构隧道掘进时土体破坏形态与分布范围;进而提出了计算开挖面极限支护力的改进楔形体分析模型。研究成果可为盾构隧道施工中分析开挖面的稳定提供参考。     

盾构到达钢套筒接收施工技术

以天津地铁某区间工程左线土压平衡盾构法隧道施工中采用钢套筒为辅助装置进行盾构接收为背景,介绍钢套筒的结构组成和盾构接收方案,采用钢套筒装置能有效避免盾构到达接收过程中漏水、涌砂等风险,确保盾构出洞安全.     

济南复合地层土压平衡盾构掘进效能实测分析#br#

依托济南轨道交通一号线复合地层土压平衡盾构掘进施工,提出一种在盾构机额定配置条件下的分项功耗和施工参数离散性指标双结合的掘进效能评价方法,并据此分析得到刀盘切削、盾构推进和螺机出土效能的变化特征。结果表明：①土压平衡盾构穿越济南复合地层时,盾构掘进总功耗在400~1250kW变化,其中,刀盘切削和盾构推进是盾构掘进功耗的主要组成部分,占总功耗的66%~84%;②刀盘切削的扭矩和转速具有明显的聚集特征,而盾构推进速度和推力分布形态的聚集特征弱于刀盘参数;③螺机出土的转速和扭矩在不同地层中的差异性不大,螺机参数的聚集特征不明显;④由于盾构掘进的分项功耗与其离散性指标不存在必然的联系,盾构施工中可能存在掘进功耗小但施工控制困难的情况,应在盾构选型及施工过程中予以充分考虑。