砂土地层盾构法施工的模型试验设计研究

为更好地指导盾构隧道的设计与施工。很有必要开展土体-盾构系统的适应性试验研究。以直径6．34m的土压平衡盾构和上海地区粉砂地层为参照原型,将相似理论和模型试验的方法成功地应用于盾构掘进的模型试验设计。使之能够实现对盾构机工作参数和地层特性参数进行不同组合的试验,进而探求盾构机与土体相互作用的机理,并可由模型试验的结果来预测原型的性能。从而为最终形成盾构及地层适应性理论服务。     

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。     

土压平衡式盾构掘进过程的相似模型试验

土压平衡式盾构掘进过程是一个多系统综合运作的复杂力学过程。为实现土压平衡盾构掘进过程的相似模拟,设计制造能够完成掘削面开挖、螺旋出土器出土、盾构机推进、管片拼装、盾尾注浆等全过程模拟的土压平衡式模型盾构机。其次对盾构-地层系统的相关参量进行甄别,选出对试验结果有重要影响的参量,同时基于相似理论,通过量纲分析的方法得到盾构-地层系统的相似准则。基于该相似准则,进行土压平衡式盾构掘进过程的室内相似模型试验,获得土压平衡式盾构掘进对地层影响的一般规律,该试验结果经过相似关系换算后可直接反映出原型中的实际地层沉降量。这种能够实现掘进全过程模拟的土压平衡式模型盾构机为深入研究盾构施工对地层及周围环境的影响提供新手段。     

卵石地层土压平衡盾构施工添加剂配比优化试验

土压平衡盾构在城市隧道施工中得到了广泛的应用,尤其在软土地层中取得了良好的施工效果。然而,在卵石地层的施工中却出现了许多问题,主要原因是卵石地层土体改良效果差。因此针对北京地铁10号线2期某盾构区间的卵石地层盾构施工现状,对现场常用的添加剂(泡沫和泥浆)进行了性能测量,并对卵石土样使用不同添加剂进行了土体改良试验,通过坍落度试验评价了添加剂对卵石塑流性的影响规律,优化了土压平衡盾构施工添加剂配比方案,可为类似地层盾构施工添加剂的使用提供参考。     

土体-盾构机器系统的相似理论研究

盾构法施工已经广泛应用于城市地铁隧道、越江通道、地下管道等的施工中,但是与不断改进的隧道施工技术相比,现有的盾构机设计理论和水平尚不具有很好的地层适应性.为了形成盾构地层适应性设计理论和方法,很有必要开展土体-盾构机器系统的基础试验研究.在前人关于土壤-机器相似系统的研究基础上,首次建立了土体-盾构机器相似系统,并运用相似理论的量纲分析法导出了系统的相似条件,以及地层特性与盾构机工作参数之间的指导性函数关系.一方面,可以由此寻求土壤-盾构系统的某些运动规律;另一方面,通过相似理论和畸变模型等技术来预测原型的性能,这样不仅具有较高的经济性,而且还具有很高的实用价值.     

土压平衡盾构法施工参数的模型试验研究

由于受地质条件和施工工艺的限制,盾构掘削参数的变化难免会对地层产生扰动影响,往往由此而引发一系列的环境病害问题,故而有必要开展土体-盾构系统的基础试验研究。首先进行了盾构模型试验方案的设计,该方案包括直径0.4 m的土压平衡模型盾构、2.4 m×2.4 m×1.2 m的试验土箱、盾构工作驱动系统和数据采集系统等4部分;随后在软硬不同的模型土层中,进行盾构不同工作参数组合的掘削试验,得出一些有用的规律。     

砂土地层盾构法施工的地层适应性模型试验研究

随着地下空间开发需求的持续高涨,盾构工法已越来越成为一种主要的施工方法。但是由于各地区土层特性的差异,反映在盾构机工作参数的变化上也不尽相同,所以,很有必要开展盾构机工作参数针对特定地层的适应性研究。为此,以上海地区的粉砂地层为参照原型,将相似理论和模型试验的方法成功地应用于盾构模型试验方案的设计;在此基础上,进行了不同地层条件下,盾构机不同工作参数组合的掘削试验,并通过对试验结果的分析,得出了一些有益的结论,从而能更好地为盾构适应土层性质服务。     

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。     

地铁区间土压平衡盾构隧道下穿既有河道施工控制措施

针对成都地铁6号线西华大道站至金府站区间隧道下穿既有河道的案例,总结盾构隧道下穿既有河道施工期间盾构机掘进参数和地层加固的工程措施,采用数值方法对盾构机掘进所引起的地层沉降和既有河道地层注浆加固效果进行模拟计算,并对盾构隧道施工期间的监测数据进行分析。结果表明：土压平衡盾构隧道下穿既有河道施工期所采取的土体改良、土舱压力、掘进参数和注浆加固措施是有效的,保障了地铁双线区间盾构隧道下穿既有河道施工安全与既有河道的正常运行。     

富水砂卵石地层土压平衡盾构掘进渣土改良技术

土压平衡盾构机在富水砂卵石地层掘进过程中,由于土体流塑性差,土舱内的渣土无法及时排出,导致推进速度缓慢,盾构推力及刀盘扭矩增大等现象,易出现地表塌陷事故.为此,文章以成都地铁17号线一期项目盾构隧道工程为背景,进行砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工土体改良试验研究.试验结果表明:采用泡沫剂或泡沫剂+膨润土作为土体改良剂对砂...     

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.     

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]     

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.     

大直径土压平衡盾构掘进引起的地表沉降分析

为研究大直径土压平衡盾构掘进对地表沉降的影响,以迎宾三路隧道新建工程为背景,基于ANSYS与FLAC3D软件,建立了大直径土压平衡盾构穿越地层的三维模型。数值模拟结果表明,大直径土压平衡盾构施工会引起较明显的地表位移;数值模拟结果与经验公式及实测数据相吻合,证明了该数值模拟结果的可靠性以及等代层在本模型中的适用性;土仓压力取值过大或者过小会破坏土体极限平衡,造成过大的地表位移;当土仓压力在适当的范围内取值时,其大小变化对地表沉降基本无影响。     

地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟

在全面分析土压平衡式盾构施工过程中影响周围土体变形各主要因素的基础上，提出一种能够综合考虑各种因素的盾构施工三维非线性有限元模拟方法，通过对某地铁隧道盾构施工过程的模拟，分析了盾构推进过程中隧道周围及地表处土体的位移和变形以及横断面不同深度上的沉降分布规律，计算得到的隧道纵向地面沉降分布曲线与实测数据非常接近，计算结果表明所提出的盾构施工模拟方法是有效可行的。     

土压平衡盾构掘进对上软下硬地层扰动研究

 采用Ф800 mm模型盾构开展室内掘进试验以研究土压盾构掘进对上软下硬地层的扰动特征,试验充分考虑土压盾构动态施工全过程的影响。建立与室内掘进试验对应的离散元模型定量分析软土超挖现象并挖掘其他地层扰动信息。研究结果表明：土压盾构在硬岩地层中掘进时地表沉降曲面呈现向软土侧展开的“扇面”状;进入上软下硬地层后地表沉降值与范围均急剧增加,沉降曲面呈现自上而下逐渐收缩的“漏斗”状,硬岩侧收缩速度快于软土侧;上软下硬地层地表位移小于均质软土地层,而地中沉降显著大于后者;上软下硬地层地中沉降槽宽度参数沿深度方向呈指数增加,硬岩占断面比例越小,地中沉降槽宽度参数越大。相同埋深条件下,上软下硬地层地中沉降槽宽度参数小于均质软土地层。硬岩占断面比例越大,渣土中砂土所占比例与相应理论值差异越明显。地表水平位移在竖向沉降槽曲线反弯点处最大。研究可为土压盾构在上软下硬地层施工提供参考。     

上海地铁地下工程的技术概要（中）

介绍上海地铁1、2号线地下工程结构设计及施工方法的主要技术特点。针对上海软粘土的高压缩性和流变性,车站深基坑和盾构法区间隧道施工中采用了一系列优化施工工艺和施工参数的治理方法,经济有效地控制了地层移动。     

土压平衡盾构隧道施工引起的地层损失及影响因素

收集中国已有地表沉降监测数据及土体损失率统计分析数据,结合长株潭城际高铁Ⅱ标树木岭盾构隧道进口树木林车站区间16个监测断面数据及其详细地层信息,分析土压平衡盾构隧道施工引起的地层损失规律影响因素。分析表明,土压平衡盾构隧道施工引起的土体损失率的累积概率较好的服从对数正态分布;土体损失率随着埋深或深径比的增大,呈现逐渐减小并趋于稳定的趋势,且两者关系可近似采用幂函数拟合;当H大于20m或H/D大于3.25时,土体损失率基本稳定在0.75%附近,且对应地层信息表明盾构隧道施工时其上覆岩层呈现拱效应,说明盾构隧道施工中其顶部土层成拱效应可较好的控制土体损失;土体损失率或名义土体损失率随着盾构开挖通过时间的增加而逐渐增大,且趋于稳定,说明固结变形对名义土体损失率的影响较大,最大可达瞬时沉降所引起土体损失率的4.58倍。