土压平衡式盾构开挖面稳定机理与压力舱土压的控制

以城市地铁隧道施工中所广泛采用的土压平衡式盾构掘进机为背景,结合现场实际阐述了盾构开挖面稳定机理及其压力舱土压力设定与控制的方法等。     

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。     

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.     

盾构平衡压力理论计算与应用技术

为了确保盾构穿越附近地表及建(构)筑物的安全,无论是土压平衡盾构还是泥水平衡盾构开挖面平衡压力的准确选取十分重要。对现今常用的周边圆弧形刀盘开挖面进行分析,通过开挖面几何尺寸理论计算准确推导出圆弧形刀盘开挖面原状土体无变形的各个点平衡压力计算公式。依据平衡压力计算和穿越不同地层、不同危险源提出周边圆弧形刀盘盾构土舱压力选取原则:在软弱地层、穿越重大危险源地段要严格按照平衡压力保压掘进,盾构土舱压力选取介于盾构上覆水土自重应力与静止侧向水土压力之间;在地层有一定成拱效应并且无重大危险源地段,根据地表沉降监测情况可适当降低平衡压力,盾构土舱压力选取介于地层水土自重应力与最小极限平衡压力之间,让地层土拱效应起作用,降低刀盘、刀具等的磨损。对于前大后小盾体的盾构机提出盾构在穿越软弱地层或重大危险源地段在盾体周围以平衡压力注入一定量的粘土,可有效降低盾体上方地表的沉降。对土压平衡和泥水平衡盾构施工有一定的指导作用。     

砂卵石地层土压盾构开挖面动态平衡机理研究

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层,土体内摩擦角大、塑流性差、含水量高且渗透系数大,土压盾构在此地层条件下掘进所受到的不利影响主要有:刀盘及螺旋输送机磨损严重、排土困难及开挖面土压平衡不易保持.以成都市地铁一号线为背景,采用真三轴实验手段,探究了加泥式土压盾构及欠压掘进模式的开挖面动态平衡机理.结果表明:(1)采用加泥式土压盾构施工,提高了砂卵石地层土体塑流性及保水性,可加快螺旋出土器排土,减少刀盘扭矩、千斤项推力及刀头磨损,此外,由于产生泥膜效果,保持并在一定程度上提高了土体强度,有效控制了变形的发展;(2)土压盾构掘进中的欠土压模式,可缓解土舱压力过大,使滚刀处于相对独立的状态,有利于提高刀盘的工作效能,此外,该模式在一定应力水平下对土体强度的影响较小,但是要注意控制侧向变形的发展,盾构掘进中应利用盾构本体正面挡板来保持地层的稳定.     

土压平衡盾构螺旋输送机排土控制分析

土压平衡盾构是一种专用于软土地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备.螺旋输送机是土压平衡盾构的重要组成部分,它主要用来从盾构密封仓内将刀盘切削下来的泥土排出盾体,同时保持密封仓内土压力,维持开挖面土体的稳定.介绍了土压平衡盾构螺旋输送机的工作原理,设计了一种采用比例反馈控制及蓄能器补油的盾构螺旋输送机液压系统.对盾构螺旋输送机的排土控制策略作了详细介绍,采用自整定PID控制技术实现了螺旋输送机的自动排土控制,并在盾构模拟试验台上进行相关试验分析研究.由试验结果可知,在保持刀盘转速及推进速度不变的情况下,通过对密封仓内土压力的实时反馈来控制螺旋输送机转速,可将其土压力控制在设定的范围内,使得密封仓内排土量基本稳定,从而达到控制地表沉降的目的.相关结论可为土压平衡盾构实际施工提供理论参考.     

土压平衡盾构法施工

我国的盾构掘进机制造和应用始于1963年,当时,上海隧道工程公司研制了1台直径4．2m的手掘式盾构机进行浅埋和深埋隧道掘进试验,隧道掘进长度68m。盾构以对土体支护开挖方法不同分为：①泥水式盾构和泥水加压平衡盾构;②土压平衡式盾构。土压平衡式盾构较常用,本文中仅对土压平衡盾构法施工中存在的土压平衡、曲线掘进问题进行探讨。     

广州地铁14号线土压平衡盾构掘进土压设置研究

结合广州地铁14号线的工程概况,论述了土压平衡盾构掘进施工中密封仓土压设定方法,探讨了不同土层松散系数经验值,并提出了土仓压力设置原则,确保了土压盾构掘进的施工质量。     

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。     

新型泡沫剂在土压平衡盾构施工中的研究与应用

针对土压平衡盾构在砾砂地层掘进过程中,土体塑流性差,刀盘及螺旋输送机磨损严重,开挖面平衡不易保持等问题,开发了一种土压平衡盾构用新型泡沫剂,以北京地铁16#线西苑站~万泉河桥站区间砾砂地层土压平衡盾构施工为案例,对新型泡沫剂改良砾砂地层的塑流性进行了室内试验研究,得出含水率为5%~12.5%,泡沫掺量为20%~40%时,土体塑流性良好。利用该泡沫剂进行了盾构掘进试验,改良后刀盘上土压力主要集中在0.45~0.55 MPa,扭矩在3000~3750 kN/m,掘进速度在35~45 mm/min之间,结果显示,新型泡沫剂能满足施工需求,大大提高了掘进效率。     

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。     

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.     

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]     

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。     

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。     

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。     

土压平衡盾构排土量控制分析

从土的可松性概念出发,提出并计算了土压平衡盾构理论最大和最小排土量,给出了反映土压盾构各参数间关系的控制排土量的平衡条件公式,最后将土压平衡的概念加以推广,为盾构施工中合理控制排土量提供了理论依据。     

复杂地层土压平衡盾构推力和刀盘扭矩计算研究

千斤顶推力、刀盘扭矩是盾构设计制造及掘进的重要控制参数。通过对盾构推进过程中盾构与围岩相互作用规律的分析,系统分析了土压平衡盾构总推力、刀盘扭矩的影响因素。提出了考虑刀盘挤土效应及土舱内压力分布模式影响的推力计算修正公式,及综合考虑了刀盘挤土效应与开挖面土体渗透性的刀盘扭矩计算修正公式。通过对深圳地铁二号线香香区间掘进载荷实测数据的分析,对修正公式在复杂地质条件下的适应性进行了验证。该修正公式对复杂地层中土压平衡盾构掘进载荷的确定有一定的指导意义,可用于盾构刀盘装备扭矩设计和施工参数的预测。     

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。