上海运营地铁盾构隧道收敛变形规律研究

以上海运营地铁盾构隧道为研究背景,建立了包括收敛变形、结构型式、赋存地层、隧道埋深以及运营时间等关键样本元素在内的上海地铁盾构隧道收敛变形数据库,样本总数超过58 000个。分析了不同样本元素对于盾构隧道收敛变形的影响规律,在相同条件下,单圆错缝盾构隧道收敛变形小于单圆通缝隧道,当隧道同样赋存于淤泥质粘性土中时,该特征相对明显。此外,赋存于砂性土单圆通缝盾构隧道的收敛变形相对小于粘性土,2-3地层样本隧道收敛状况明显好于44地层样本,砂性土地层有助于控制盾构隧道收敛变形;根据2011年至2015年长期收敛变形监测数据统计,盾构隧道收敛逐年存在微幅增加的现象。     

上海地铁18号线盾构掘进施工监测探析

盾构地铁隧道施工过程中，不可避免会对周边环境产生影响。为保证盾构掘进施工的安全性，对周边环境及隧道结构本体进行监测是十分必要的。以上海地铁18号线政立路站～复旦大学站区间隧道的施工过程为背景，对周边地下综合管线、建(构)筑物、地表剖面及隧道结构的竖向位移，以及隧道收敛变形进行监测。通过对监测数据进行分析，得到盾构掘进过程中各测点位移的变化规律，使设计单位能够根据现场工况发展，进一步优化方案，达到优质安全、经济合理、施工快捷的目的。     

软土地层大型盾构工作井合理支护参数研究

 控制超大盾构工作井的变形和结构受力状态是跨江跨海盾构隧道工程设计和施工的技术难点。以南京纬三路过江隧道江北盾构始发工作井为例,通过采用四因素三水平正交试验法进行多因素系统分析,研究环梁厚度、连续墙厚度、内衬墙厚度和支撑截面对盾构工作井支护结构的变形和受力的影响规律,得到各个支护结构之间的相互作用关系,并进行分析;对工程的材料成本进行量化分析,在确保结构安全的基础上,提出材料成本最低的设计方案。研究成果表明：使用正交试验设计方法确定工作井合理的支护参数可以大大减少计算数量,在确保结构安全的前提下获得最优的支护参数组合,达到技术、经济最优的效果。     

深埋高内水压盾构隧道管片衬砌力学特性足尺试验研究

鉴于目前内水压盾构隧道力学性能的研究尚不充分,未能揭示内水压荷载作用下盾构衬砌的内力与变形等规律,结合上海市拟建设的深埋蓄排水盾构隧道,研发原型管片衬砌加载装置并对内水压盾构衬砌的力学行为开展试验研究。试验结果表明：内水压会显著影响盾构隧道衬砌结构的力学性能,在内水压荷载作用下盾构衬砌环弯矩增大、轴力减小,衬砌环与局部接头变形及螺栓应变均增大,结构安全储备降低。当内水压达0.6MPa时,衬砌环收敛变形约为无内水压作用时的2倍。环间作用增大时错缝拼装衬砌环的抗变形能力及安全储备提高,主要原因是管片接头弯矩向相邻管片截面的传递效应增强。此外,分析了内水压作用时衬砌结构的弯曲刚度有效率与接头弯矩传递系数变化规律及衬砌环收敛变形限值,可为双排螺栓连接的深埋内水压盾构衬砌设计计算参数的选取提供参考。     

广东天然气管网西江盾构隧道竖井设计与施工

根据西江盾构隧道始发井和接收井所穿越地层的工程地质和水文地质条件,结合越江盾构隧道竖井内天然气管道安装的特点,通过工程类比和数值计算方法设计了以地下连续墙和喷锚支护与内层衬砌相组合的竖井结构,分析了始发井和接收井在施工期间存在的高风险工况,评价了相应工况下围护结构的安全性,同时提出了适合圆形截面盾构工作竖井的地下连续墙接头型式,总结了西江盾构隧道工作竖井的施工技术,可为类似地质条件下石油天然气管道越江盾构隧道竖井的设计与施工提供参考。     

类矩形盾构隧道开挖引起邻近地下管线变形研究

盾构隧道开挖环境影响的既有成果针对圆形盾构隧道施工效应做了较多研究,但针对类矩形盾构隧道施工效应的研究还较少。基于类矩形盾构隧道开挖面收敛位移变形模式,首先采用镜像法,提出类矩形盾构隧道施工诱发周围土体自由场位移的分析方法;其次,基于Winkler地基模型,将土体自由位移场施加于地下管线结构,提出类矩形盾构隧道施工诱发邻近管线变形的简化计算方法。通过工程实例分析,将土体自由场变形与实测数据进行对比验证;同时,采用有限元数值模拟方法,将管线竖向变形计算结果与本文简化方法进行对比分析。此外,针对隧道矩形长边宽度、隧道和管线埋深、管线直径、管线弹性模量、土体压缩模量、土体损失间隙参数等关键参数进行了影响分析。研究结果表明,采用类矩形盾构开挖面整体下沉收敛模式,镜像法解答得到的土体自由场位移与实测值吻合较好;提出的简化方法计算邻近既有管线变形的理论计算值与数值模拟值吻合较好。通过参数分析,可知隧道矩形长边宽度、管线埋深和管线弹性模量为敏感性参数。随着盾构矩形长边宽度的增大,管线变形曲线槽宽度显著增大;随着管线埋深的增加,管线变形显著增大;随着管线弹性模量的增大,管线变形显著减小。     

盾构管片弹性密封垫断面设计与优化

以国内某城市地铁盾构隧道弹性密封垫断面设计为背景,从弹性密封垫的防水机理出发,考虑实际工况并结合管片拼装的需要,分析并提出盾构隧道管片弹性密封垫断面的主要设计参数.基于对国内外多个已建盾构隧道弹性密封垫的分析,初步拟定出适合该隧道的弹性密封垫断面形式.通过有限元数值模拟,得到不同压缩量下弹性密封垫的变形特性、接触面压应力分布、压缩所需顶推力等,据此对盾构隧道管片接缝弹性密封垫断面进行调整和优化,并最终得到满足各项设计要求的弹性密封垫断面形式.     

基于椭圆的盾构隧道管片姿态及形变检测方法研究

盾构隧道的管片姿态是影响盾构隧道成型后安装质量的重要因素,盾构隧道的形变也往往体现在盾构隧道管片姿态的变化。盾构隧道通常设计为圆形或椭圆形,而变形后的断面通常表现出椭圆特征。因此,针对现有隧道断面检测计算模型的不足,本文提出一种更具代表性的基于椭圆的盾构隧道管片姿态算法模型,采用附不等式约束的椭圆拟合方法以迭代算法进行求解。实例数据验证该模型不仅能精确计算盾构隧道的管片姿态参数,也能对盾构隧道管片姿态进行形变分析并实现精度评定,在涉及空间姿态计算及变形监测的其他领域也具有良好的应用价值。     

小断面隧道软弱围岩台阶法施工参数优化研究

为减小三台阶开挖法对隧道软弱围岩的变形影响,依托崤山隧道,通过数值模拟对三台阶开挖时的台阶长度、高度进行优化,研究分析不同台阶参数下隧道围岩变形情况及掌子面的稳定性,结果表明根据各参数对围岩变形及掌子面稳定性的影响,上中台阶高度宜取0.35H～0.4H;考虑到隧道小断面施工空间问题,上、中台阶长度宜控制在5m左右.通过隧道三台阶开挖实测变形分析,最大拱顶沉降为40.3mm,最大水平收敛为33.28mm,均控制在预留变形量之内,且支护结构的变形具有一定的规律性.     

基于激光扫描的盾构隧道断面提取与变形研究

将三维激光扫描技术应用于盾构隧道变形监测中,提出了一种盾构隧道断面连续提取以及变形分析的方法。首先对拼接完成的点云数据利用随机采样一致性算法提取隧道局部中轴线,基于中轴线对隧道姿态进行调整以截取隧道断面,然后通过聚类去噪算法,基于点到中轴线的距离和灰度值对断面点云进行去噪处理,最后对批量预处理后的点云数据采用椭圆拟合算法获取隧道相对变形信息,提取各断面收敛变形信息,同时基于断面各点变形值生成三维变形云图。采用徕卡Scanstation c10获取上海地铁10号线隧道点云数据,实验证明本文所提出的方法在隧道断面变形监测方面具有实践意义,变形监测精度满足工程需求。     

双连拱隧道偏压段管棚效应分析

 在海床复杂的地质条件下，海底双连拱隧道与陆地连接的浅埋软岩段容易形成偏压，从而影响围岩的稳定性。采用三维弹塑性有限差分法对双连拱隧道进口偏压段管棚的预支护作用进行分析，并分析了不同管棚参数下的计算结果。研究的主要内容包括：(1) 计算了隧道在有管棚支护和无管棚支护条件下的拱顶下沉和塑性区分布；(2) 给出了管棚设计参数和优化参数下不同的变形和弯矩变化；(3) 分析了拱顶下沉和水平收敛的FEM计算结果和实际测量结果。 计算结果表明，管棚支护和注浆加固围岩能有效减小隧道周围由偏压引起的塑性区，软岩中双连拱隧道偏压段采用管棚支护是很必要的；偏压通常会使连拱隧道侧洞的应力状态不同从而造成围岩变形的不同，为了更有效地控制围岩变形在管棚支护的设计中应该采用不均衡设计；数值计算结果与实测结果的一致性进一步说明了管棚优化设计的合理性。     

越江盾构隧道纵缝张开与收敛变形响应关系

隧道收敛变形能够直观地反映出隧道结构的安全状况,是影响地铁正常运营的重要因素。依托南京扬子江大断面盾构隧道,建立了单环管片精细化数值模型,以现场接缝张开度的健康监测数据验证数值模型的准确性与可行性,研究了纵缝张开与收敛变形的关系以及螺栓预紧力和管片拼装角度对收敛变形的影响。结果表明：(1)纵缝张开是隧道环向发生收敛变形的关键因素,管片绕接缝处转动是收敛变形的主要形态;(2)对于大变形情况(>8‰D),不建议将提高螺栓预紧力作为控制收敛的主要手段;(3)得到的“纵缝张开-收敛变形”拟合公式,可用于估算圆砾及卵石全透水地层中不同拱腰收敛变形下的拱顶纵缝张开量。     

隧道支护结构体系协同优化设计方法及其应用

隧道支护结构体系的设计方法是隧道围岩稳定性控制的基本需求,如何确定合理的支护参数是保证隧道施工安全的关键问题.为此,首先将协同学原理引入隧道支护设计,构建了隧道围岩协同支护系统,阐明了其系统组成、研究层次及表征参数;隧道围岩协同支护的核心为充分发挥支护—围岩系统、构件和要素的工作性能,从而产生协同增强效应,其特点为时机...     

地铁同区间不同冻结联络通道变形对比

为探究同一区间下不同地铁联络通道在冻结及开挖过程中对盾构隧道、地表位移变形的影响规律,以穗莞深城际SZH-9标机场北站-机场站盾构区间的3个联络通道为工程背景,通过对现场盾构隧道拱顶、拱底、净收敛及地表位移监测分析,获得结果:盾构隧道净收敛在联络通道冻结和开挖时期扩张,而开挖准备和注浆阶段收敛值变小,其变化曲线近呈"M...     

拆复建桥桩对软土地层盾构隧道结构影响研究

以大直径桥桩紧邻既有地铁盾构隧道施工为研究背景,基于隧道病害调查和长期变形监测数据,分析典型河漫滩软土地区钻孔桩打、拔近接施工对盾构隧道衬砌环结构影响,并对钢护筒超前加固效果进行量化评估。结果表明:近距离桥桩拆复建工程在原隧道结构较大变形的基础上,进一步对结构病害产生不良影响,使得结构安全性储备降低,需要进行及时必要的修复性处理;淤泥质粉质黏土较其他地层内隧道受施工影响变形量更为显著;采取钢护筒措施可减少隧道62.5%位移变形量、42.9%横断面收敛变形量。     

小间距平行盾构隧道施工的反分析研究

结合北京地铁十号线三元桥站～亮马河站区间盾构隧道工程,提出了根据监测数据对两条盾构隧道小间距、长距离并行施工相互影响进行反分析的方法,并根据工程实施过程中的监测数据,分别对盾构隧道环向和纵向的内力进行了分析,指导了施工。研究表明,当两条盾构隧道小间距、长距离并行施工时,会出现后行盾构隧道对先行隧道先挤压、后卸载的情况,引起先行隧道环向的内力变化,与实际监测的数据吻合。该研究方法及工程实践结论可以为地铁类似工程的设计、施工、监测提供参考。     

基于水平收敛变形的软黏土盾构隧道病害统计分析

受邻近施工作业不断影响,盾构隧道水平收敛变形累积,逐渐产生或加重裂缝、破损、渗漏、错台、接缝张开、道床脱开等结构病害。根据大量软黏土盾构隧道实测数据,软黏土地层中盾构隧道状态普遍较差,水平收敛变形大于5‰D(隧道外径)的管环比例高达75%,管片裂缝、渗漏、道床脱开、环内错台、纵缝张开等病害问题较为严重。建立了管环裂缝、渗漏、道床脱开、环内错台、纵缝张开等结构病害与其水平收敛变形的关系。随着水平收敛变形的增大,最大裂缝宽度、裂缝数量、最大道床脱开量及最大环内错台量的上限均有线性增大的趋势,最大裂缝深度也缓慢增大;病害管环比例随水平收敛变形增大而增加。当水平收敛变形较小时,各种病害较少;而随着水平收敛变形增大,裂缝宽度大于0.4mm、漏泥沙、道床脱开量大于4mm、环内错台量大于4mm等严重病害比例增加;建议以2%的概率作为水平收敛变形控制界限值,即以0.2mm裂缝宽度、4mm道床脱开量、4mm环内错台量、仅发生湿迹(纵缝渗漏水)控制,水平收敛变形界限值为20mm;以0.4mm裂缝宽度、6mm道床脱开量控制,水平收敛变形界限值为50mm。     

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.