盾构土舱压力变化规律测试试验与理论分析

为研究刀盘开口率对盾构土舱内、外压力的影响,利用土压平衡盾构模型机,在多种不同刀盘开口率条件下进行模拟掘进试验,监测刀盘开口处土压力和土舱压力,分析不同刀盘开口率条件下的土舱内、外压力的变化规律,试验结果表明,随着刀盘开口率的增加,土舱压力传递系数逐渐增大,土舱内、外压差逐渐减小。借鉴黏性流体理论,针对盾构施工渣土运动过程中的应力变化建立力学模型,提出土压力变化公式,考虑土体运动过程中的沿程损失和刀盘结构处的局部损失,使计算过程更加贴近于实际状况,可以定量分析刀盘开口率、隧道洞径、土体参数、附加应力等参数对土舱内、外土压力变化的影响。根据该力学公式可得,土体内摩擦角和黏聚力越大,盾构土舱内、外土压力差值越大;盾构刀盘开口率越大、隧道直径越大,盾构土舱内、外土压力差值越小。为确认理论分析的合理性和适用性,将理论计算公式和实际工程的监测数据、离散元模拟结果以及模型试验结果进行了对比分析,进一步论证了计算理论的合理。     

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。     

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。     

土压平衡盾构刀盘环向开口率研究

盾构刀盘开口率是指刀盘开口部分的面积与刀盘总面积的比值,是盾构选型时需要考虑的重要指标,但这一指标无法反映刀盘开口位置是否合理。为了更好地反映刀盘开口状况,提出了刀盘环向开口率的概念。运用环向开口率特征曲线对北京地铁9号线军事博物馆站—东钓鱼台站区间土压平衡盾构刀盘环向磨损事件进行了分析,阐明了刀盘发生环向磨损的主要原因是刀盘上某一区域环向开口率过小,部分渣土淤积在此区域,另外渣土从开口率小的区域向开口率大的区域流动也造成了刀盘的环向磨损。刀盘环向开口率特征曲线是判断刀盘开口位置合理性的重要依据,开口位置合理的刀盘,除刀盘中心区域外其环向开口率特征曲线应该是平缓的,以保证刀盘上每一个区域都有合理的开口区域,确保渣土顺畅进入土舱,土压平衡盾构刀盘设计时应充分考虑环向开口率这一指标。     

土压平衡盾构刀盘开口率选型及其对地层适应性研究

刀盘开口率是土压平衡盾构选型时要确定的重要指标。分析了刀盘开口率对出土率的影响,提出了定量分析刀盘开口率对地层适应性的计算方法,该方法能很好地解释土压平衡盾构在砂性土中模拟掘进时出土率异常的现象。根据该计算理论,盾构推进时某种开口率的刀盘所能达到的最大出土率是一定的。因此,盾构的刀盘开口率不能小于能够保证盾构正常推进达到100%出土率时的开口率,否则将会产生出土困难,造成总推力和刀盘扭矩急剧上升;刀盘开口率也不宜过大,否则,盾构推进时,容易产生开挖面地层损失。应用本文的计算理论,对上海典型土层中土压平衡盾构刀盘选型提出了建议值。     

土压平衡盾构掘进总推力的计算与试验研究

土压平衡盾构在我国的地铁建设中,起着越来越重要的作用,由于其作业环境和作业对象的复杂性,对作业过程中的许多技术参数要进行认真研究,其中土压平衡盾构掘进过程中的总推力就是需要进一步研究的主要参数之一.土压平衡盾构总推力的数学模型对土压平衡盾构的设计、选型以及控制方法的选择有重要的指导意义.建立了土压平衡盾构掘进过程中总推力的数学模型,并分析了诸如刀盘开口率、盾构与土体接触长度、盾构壳体与周围土体之间的摩擦系数以及土舱压力等参数对盾构总推力的影响.所建立的数学模型在以1 800 mm盾构和一个长8.6 m的模拟土箱组成的模拟盾构试验台上进行了掘进试验验证.结果表明,实际总推力与根据所建立的数学模型得出的计算值基本相符;总推力与土舱压力,盾构与土体接触长度等关系密切,尤其是土舱压力的平衡与否对总推力的影响作用十分明显.     

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。     

盾构掘削土体颗粒运动规律及传力特性DEM研究

土压平衡盾构掘进时土舱压力的设定往往缺乏足够的理论支撑,其内部掘削土体颗粒的运动规律也无法直观展现。基于离散单元法(DEM)对土舱内砂卵石颗粒集合进行三维精细化仿真,通过支持向量机反演标定细观接触参数,获得了土舱内部颗粒流速度场分布情况和运移沉积规律,纵向上从土舱前端到隔板流动效果越来越差,横断面上靠近辐条外边缘及支撑柱附近区域的流动性较好,结合局部滞流特征提出了土舱内部结构优化措施。进一步阐述土颗粒内部接触力链变化更迭特征,分析了土舱隔板压力分布情况,其总体上呈现隔板压力左右对称,从上而下逐渐增大的特征。同时揭示了在砂卵石地层中开口率为66%的辐条式刀盘盾构机土舱隔板压力与刀盘前支护压力的映射关系,DEM计算所得压力传递系数为0.771 1,土舱隔板压力的合理设定值为47.08 kPa～70.69 kPa,研究成果可为砂卵石地层盾构土舱压力的设定提供理论基础。     

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。     

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。     

土压平衡盾构平衡控制的新思路

由于仅采用土舱压力控制土压平衡盾构平衡状态的方法存在缺陷,因此提出了在环境变化时调整土舱压力的新思路作为补充。这一新思路是针对土舱压力控制标准的不确定性、分析了土舱压力波动的原因后,形成了采用土压平衡比控制盾构平衡状态的辅助方法,这种新方法更有利于土舱压力的稳定。     

Determination of the cutterhead torque for EPB shield tunneling machine

Cutterhead torque is an important parameter for the design and operation of earth pressure balance (EPB) shields. Based on the analysis of several completed project cases from job sites, the conventional torque determination model based on experimentation proves rough enough to be improved. Composition and corresponding calculation method of cutterhead torque are presented, taking into account of cutterhead structure, cutting principle and the interaction between cutterhead and soil. Considering a Φ1.8 m EPB test machine in the lab, theoretical calculation following the improved model and test are carried out with three typical types of soils. Calculation and test results indicate that the cutterhead torque varies with geological conditions apparently, and the opening ratio of the cutterhead as well as earth pressure turns out to be the two most important factors in determining the cutterhead torque. The test results also show that the torque calculation formula for EPB shield tunneling can reasonably predict the excavation torque required by the cutterhead in clay soil tunneling, but for cohesionless tunneling, soil conditioning reduces the amount of torque necessary.     

基于SMP准则的土压平衡盾构刀盘扭矩计算研究

由于目前的刀盘扭矩计算公式中没有考虑土体中间主应力的效应,使其理论计算值较实际偏小幅度过大。为此,笔者通过松岗-中井(SMP)准则引入中间主应力对常规三轴试验测得的内摩擦角进行修正,同时对内摩擦角修正前后的数值予以了比较,结果发现,改进后的内摩擦角与原来相比最大可提高约13%。将修正后的内摩擦角代入扭矩计算公式中,得到了土压平衡盾构刀盘扭矩计算修正模型。并针对600 mm模拟土压平衡盾构掘进机进行刀盘扭矩计算及其试验验证,结果表明,该模型的计算结果与试验测得值相吻合,与未考虑中主应力的理论相比其值增加了17%,提高了理论计算结果的精度。     

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。     

Discrete element model for performance analysis of cutterhead excavation system of EPB machine

With the aim of probing for design theory of cutterhead excavation system of earth pressure balance (EPB) machine, the parameters representing the system performance are concluded firstly. Then a 3D model for cutterhead excavation system of EPB machine is presented with the discrete element method (DEM) software PFC^3D, which is capable of simulating the tunneling ground in site, the machine structure and the excavation operation. The performance parameters indicating stability of excavation face, soil discharging rate, cutterhead system torque and cutter wear are measured by running the DEM code. The results obtained with the DEM model are accord with situ data. It indicates that the DEM model is a promising method replacing the field experiment to analyze the influences of the structural parameters on system performances, which are essential for structure optimization design of the cutterhead system of EPB machine.