超大直径泥水盾构在砂土中的开挖面稳定性分析

超大直径泥水盾构近年来在国内外得到越来越多的应用,其开挖面的稳定性受到高度关注,而泥水支护压力控制则是保证开挖面稳定的关键。对超大直径盾构在砂土地层中的开挖面稳定性进行三维数值分析,重点研究在不同摩擦角下开挖面的失稳模式和极限支护压力,揭示了由泥水容重导致的支护压力不均匀分布对于预测结果的重要性。同时,还将三维数值模拟结果与基于极限平衡理论的楔形体模型进行对比,指出楔形体模型对于分析超大直径盾构开挖面稳定性的局限性。本项研究可为超大直径盾构在砂土中掘进时合理确定泥水支护压力和保持开挖面稳定提供参考。     

现场泥水劈裂试验及应用研究

采用泥水平衡盾构进行过江越海隧道施工时,重要的技术难点就是特殊小覆土区间盾构掘进保证开挖面稳定以及防止泥水劈裂的发生。对于泥水劈裂现象的室内试验研究,有一定的基础资料。但是,由于尺寸和边界条件限制,使其研究成果不能直接应用到工程中去。在理论分析的基础上,研制了现场泥水劈裂仪,确定了劈裂试验的具体实施步骤和劈裂压力的断定方法。并在南京某在建过江隧道工程中进行了现场劈裂试验。（1）试验结果表明：由于劈裂过程为突变过程,采用总应力法时,地层劈裂模型能很好的预测地层劈裂压力,也更符合实际工况;由理论分析得出,掘进模式模型的地层劈裂压力更小,几乎与地层静止侧向土压力相当;增加泥水黏度能够增加地层劈裂压力,但增加量有限。（2）运用现场劈裂试验结果给出了防止泥水劈裂的泥水压力设定上限值,并运用盾构机在始发不远处进行了原位泥水劈裂试验,在一定程度上验证了预测模型的准确性。     

复杂地层中大直径泥水盾构开挖面失稳及处理研究

南京地铁某标段区间隧道工程采用了11m级大直径泥水气压平衡盾构施工,介绍了该泥水气压平衡式盾构在含砾中粗砂层和粉细砂地层中开挖面失稳的两种现象及处理技术。对于开挖面失稳的现象和原因进行了分析,确定了失稳后舱内坍塌造成泥水管路堵塞的处理方法以及如何重新建立泥水平衡,总结了防止失稳的掘进技术措施,最终顺利完成盾构掘进。     

泥水盾构开挖面泥膜的弹性模量

泥水盾构掘进过程中,由于泥水仓压力与开挖地层压力的差异、开挖地层的渗透特性以及泥水的流体力学性质,导致泥浆向开挖地层渗透,逐渐形成泥膜。泥膜不但起到“止水”的效果,而且本身也具有一定的力学性质。本文以过滤模型为基础,假设泥膜为弹性介质,利用弹性模量的定义,求解出了泥膜的弹性模量。随着开挖面的掘削,泥膜随着时间不断的形成,其弹性模量也随着时间发生变化。泥膜弹性模量的求解使得泥水盾构正面稳定的判断更加的准确,盾构施工参数的控制更加科学。     

泥质粉砂岩地层泥水盾构掘进参数变化规律及关联性分析

以南昌市轨道交通1号线某区间隧道内具有代表性地层的泥水盾构掘进参数为研究对象,在对泥水盾构总推力、刀盘扭矩及转速、掘进速度及泥水仓水土压力等与地层因素紧密关联的相关参数进行统计分析的基础上,重点研究了掘进参数沿区间纵向变化规律,进而确定了泥质粉砂岩地层条件下的盾构掘进参数合理控制范围。同时对刀盘扭矩与总推力、掘进速度与刀盘转速、刀盘扭矩与掘进速度等相互之间的关联性进行了分析,最终推导出了泥质粉砂岩条件下的泥水盾构掘进速度及刀盘扭矩的回归数学模型。通过数据对比表明,泥水盾构在中(微)风化地层段施工过程中实测数据与拟合值比较吻合,即所设计的预测模型能够满足工程所需精度。     

超大直径双线泥水盾构施工的三维数值模拟

以上海长江西路隧道工程为背景,基于适合软土的修正剑桥模型并综合考虑盾构开挖、开挖面泥水压力、盾尾注浆以及盾壳刚度和坡度等因素,建立单台超大直径(=15.43m)泥水盾构往返推进的三维有限元模型。分析不同施工步、不同泥水压力下北线盾构施工对地表沉降以及新建南线隧道的横向位移影响。通过数据分析发现,盾构返回推进时的地表位移规律明显区别于单条隧道施工的情况;盾构的反向推进会造成已建隧道管片的挤压变形以及顺指针的旋转;返回推进时,泥水压力的不同取值对已建隧道的横向位移影响显著。根据数值分析结果提出相应的施工建议:盾构返回施工时适当减小泥水压力;密切监控盾构返回推进时切口断面后1倍刀盘直径范围内已建隧道管片的变形量。     

基于决策树模型的土压平衡盾构掘进参数预测研究

以洛阳地铁2号线为依托,建立了决策树模型、正向激励模型和随机森林模型来预测盾构掘进过程中的推进速度.通过实时采集盾构机的参数进行预处理,并分析参数之间的特征重要性指数,确定影响推进速度的关键性参数,然后对三种预测模型的预测结果进行比较.对比表明,随机森林预测模型预测推进速度的预测精度最高,可用于指导盾构施工过程的参数设置.     

盾构隧道穿越断层破碎带开挖面稳定性研究

随着国内越江海隧道的快速发展,穿越断层破碎带盾构隧道开挖面稳定性的研究具有重要的理论价值和工程应用意义。文章考虑完整岩体与断层破碎带交界面的影响,改进既有楔形体 棱柱体模型,建立考虑地质交界面的极限平衡分析预测模型。基于极限平衡理论推导得到盾构隧道开挖面极限支护压力表达式,研究盾构隧道掘进趋近完整岩体与断层破碎带交界面过程中的极限支护力和破坏体倾角的变化规律。结果表明：当盾构隧道开挖面距离交界面较远时或已通过交界面后,隧道开挖面前方破坏岩土体范围都处于完整岩体或断层破碎带中,此时极限支护压力与常规的地层楔形体 棱柱体预测模型结果一致。当盾构隧道开挖面掘进至断层破碎带交界面距离小于临界破坏长度后,随着距交界面的不断减小隧道开挖面极限支护压力迅速增大,最大值约为完整岩体中极限支护压力的3.5倍,通过交界面后降低为断层破碎带中的极限支护力值。因此在该阶段应严格控制开挖面支护压力,避免发生涌水突泥事故。     

粗粒径砂卵石地层中泥水平衡盾构下穿黄河掘进参数控制研究

兰州地铁1号线迎门滩站—马滩站区间隧道采用泥水盾构穿越黄河粗粒径砂卵石地层,是中国下穿黄河的首条地铁盾构隧道。总结兰州地铁1号线泥水盾构下穿黄河的经验,以及高水压粗粒径砂卵石地层盾构机选型、盾构掘进参数设定、穿越黄河风险控制等方面的经验,对泥水盾构在粗粒径砂卵石地层下穿黄河的风险控制和国产盾构机的发展具有重要价值。研究结果表明:泥水盾构下穿黄河掘进参数对风险控制十分重要,盾构推力、泥水压力、注浆压力与水压力密切相关;深层沉降实测表明泥水盾构掘进对地层变形控制效果好,盾构顶部仅约0.5D范围为轻微扰动区;掘进以平衡水压力为主,采用Terzaghi塌落拱理论计算的泥水压力值更接近实际。     

水底盾构掘进泥水喷发现象研究

泥水式盾构工法是水底软土隧道施工的首选工法,施工时泥水压力过大可导致开挖面前方地层劈裂,引发泥水喷发、河(海)水倒灌事故。以此类现象为研究对象,研究地层劈裂发生、伸展机制及不同泥水压力对地层劈裂的影响。研究结果表明:水底隧道泥水式盾构施工时,开挖面前方地层微小劈裂纹不可避免,但泥水喷发现象能否发生与盾构掘进参数、泥水性质、地层特性及盾构覆土厚度密切相关,通过理论分析和盾构掘进模型试验,得出了泥水喷发半经验公式,在此基础上提出了防止泥水喷发现象发生的相关措施。     

PSO-based Elman neural network model for predictive control of air chamber pressure in slurry shield tunneling under Yangtze River

The excavation face stability is crucial for safety and risk management in slurry shield tunneling, especially for the river-crossing tunnel. To avoid face collapse or blow-out, shield operators need to keep air chamber pressure balanced using their own experience, which would be difficult, discontinuous and less reliable in the process of construction. Considering the disadvantage of the manual control process, this paper presents a predictive control system for air chamber pressure in slurry shield tunneling using Elman neural network (ENN) model. It mainly contains a theoretical model, an ENN predictor and an ENN controller to set optimal control parameters automatically tracking the desired air chamber pressure. Moreover, to improve the learning capability of ENN model, a particle swarm optimization (PSO) algorithm is implemented. This system has been tested with collected data of slurry shield operation parameters in the Yangtze riverbed metro tunnel project in Wuhan, China. Analysis revealed that the predictive control system using PSO-based Elman neural network model in this paper has the potential for enhancing face stability in slurry shield tunneling.     

水底泥水盾构开挖面稳定机理分析研究

总结了开挖面稳定性的各种分析方法,对高水压小覆土泥水盾构开挖面稳定机理进行了研究,分析了泥水平衡机理,提出了泥水压力设定的方法和适用条件,分析结果为完善盾构隧道开挖面稳定理论及指导现场实践提供了有益的方向。     

Opening the excavation chamber of the large-diameter size slurry shield: A case study in Nanjing Yangtze River Tunnel in China

Shield tunnel construction in a dense strata often encounters malfunction of shield-tunneling machine or abrasion of cutters. Accessing to an excavation chamber under compressed air is a main method to repair and replace worn cutters. And many safety issues such as stability of the excavation face were involved. However, the face stability due to opening an excavation chamber was not fully studied. To overcome this shortcoming, face support scheme and stability analysis were presented in a case history of opening the pressure chamber for a large-diameter (up to 14.93 m) slurry shield tunnel constructed underneath Nanjing Yangtze River. Since most of the damaged cutters were distributed along the edge of cutting wheel, only top 3 m of tunnel face within the chamber needed to be supported by compressed air, and remaining area would also to be supported by slurry pressure. A series of simple primary laboratory tests were carried out to design an optimum slurries mixing scheme to support the tunnel face as accessing to the pressure chamber in the project. The face stability was analyzed in terms of the pressure equilibrium (i.e., internal and external pressures) as well as three-dimensional numerical analysis by adopting properties of soils and filter cakes from laboratory tests. By injecting lower density slurry into the sand to form a stable infiltration zone, followed by using higher density slurry to create a filter cake at tunnel face, compressed air-support system could ensure face stability during maintenance of cutter wheel. The success of applying the mixed slurry and compressed air-support scheme in this project is valuable to shield tunnel constructions in similar ground conditions.     

泥水平衡式盾构模拟试验系统的研制与应用

为了探究泥水盾构水下掘进控制和泥水平衡机理等问题,在调研国内外模型盾构设备的基础上确定泥水盾构的基本参数和工作模式,研制出泥水平衡盾构模拟试验系统,包括模型箱、盾构机总成、推进机构、液压动力系统、操作系统、深冷装置等主要部分。该系统可对最高100 m水头条件下泥水平衡盾构施工的主要过程进行模拟,可较真实地再现泥水平衡盾构掘进过程中泥膜的动态形成过程,从而阐明水土压力平衡的机理等关键技术问题,并可为泥水平衡盾构的设计和控制提供重要参数。以砂卵石地层为例配制相似地层和泥浆,并进行盾构试掘进,对设备的功能性进行验证,并初步研究了泥水盾构掘进过程中地表位移的时空变化规律和地层中泥膜的形态。结果表明,由于刀盘无超挖且地层开挖后直接由盾壳支撑,土体移动受到限制,地层变形主要由开挖导致的应力释放产生。排渣装置长度较长,可暂存的渣土量多,使得盾构通过前地表沉降随顶推力和刀盘、排渣装置转速的增大而增大;盾构通过后的地表沉降则由于盾壳与土体的摩擦作用有所减小。在盾构刀盘前方,泥浆渗入地层的范围大致关于盾构轴线对称,泥膜形态呈倒扣的"锅底"形分布,其范围约占刀盘外径的20%~43%。     

不同地层条件泥水盾构开挖面失稳状态颗粒流模拟方法研究

采用颗粒流方法合理地模拟泥水盾构隧道掘进的全过程及对模拟结果的有效处理是一个难点。基于钱江隧道和上海长江隧道工程复杂地层条件,建立能全面反映盾构隧道掘进全过程的模拟实现方法,并在结果处理中采用细观尺度与宏观表象相结合方法,研究宏观现象下隐藏的细观机制,同时用定量的细观结构变化解释或预测宏观力学行为。研究结果表明：通过设计,颗粒流方法可合理并有效地模拟盾构推进过程中的开挖问题,即开挖量与土体的密实度及开挖面压力有关：当土颗粒刚度大于模拟开挖面的墙体单元刚度时,表示该压力下土体被开挖掉;反之,压力过小盾构机将停止掘进。研究成果在应用于背景工程中取得了良好的一致性,可为类似工程提供参考。     

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。     

泥浆渗透对盾构开挖面稳定性的影响研究

针对泥水平衡盾构工法遇到渗透性较大的砂性土体,或在特殊地质条件下出现泥浆与土体性质不匹配的情况,泥膜不能有效的阻止泥浆对土体产生渗透,泥浆的有效压力以渗透力的形式作用于开挖面土体,形成了开挖面稳定性的泥浆渗透模型.结合村山公式,考虑泥水的渗透区域与滑动面之间的几何关系对有效泥水压力进行折减,得到了泥浆渗透模型的开挖面稳定性安全系数,并采用此渗透模型探讨了泥浆渗透对开挖面稳定性的影响,通过实际工程算例的对比分析,表明该渗透模型是合理、有效的.     

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。     

The face stability of slurry-shield-driven tunnels

During the excavation of a tunnel through soft water-bearing ground, a temporary support is often required to maintain the stability of the working face. In a slurry shield, this support is provided by a pressurized mixture of bentonite and water. Slurry-shield tunnelling has been applied successfully worldwide in recent years. Under extremely unfavorable geological conditions, however, face instabilities may occur. This paper aims at a better understanding of the mechanics of face failure when using a bentonite slurry support. The complex interrelations between the various parameters (shear strength and ground permeability, suspension parameters, slurry pressure, geometric data of the tunnel, safety factor) are studied. Attention is paid to the time-dependent effects associated with the gradual infiltration of slurry into the ground ahead of the tunnel. Related topics, such as the stand-up time, soil properties and the effect of advance rate, are discussed quantitatively.     

盾构隧道开挖面极限支护压力研究

针对盾构隧道开挖面稳定的极限支护压力,通过理论计算与现场实测的对比分析,提出了不同地层隧道上覆土压力的计算原则,将条分法的思想引入盾构开挖面的稳定性分析,导出了开挖面稳定的极限状态方程,据此可求得盾构隧道开挖面稳定的极限支护压力。最后,结合具体的工程实践,将前述理论和方法应用于临界滑动面的搜索和极限支护压力的计算。上述研究成果对于指导盾构隧道的设计与施工具有重要的作用。