复杂岩石地层盾构掘进速率预测模型研究

为提高盾构掘进效能,指导盾构掘进施工,对泥岩砂岩交互地层条件下越江隧道盾构掘进速率预测模型进行了研究。在施工现场进行盾构掘进试验,通过盾构数据采集存储系统,获取盾构掘进的基本参数,并进行点荷载强度试验以获得岩石强度数据。运用多元回归分析的方法,分析了盾构掘进速率与岩石点荷载强度及刀盘推力的关系,分别构建了泥岩和砂岩地层盾构掘进速率的预测模型,并对其进行了应用。研究和应用表明,在泥岩和砂岩两种地层条件下,盾构掘进速率均随岩石强度的增大而降低,随刀盘推力的提高而增大,掘进速率与刀盘推力、点荷载强度均呈幂函数关系。     

清华园盾构隧道复杂互层地层下的掘进参数研究

为探明北京地区大直径泥水平衡盾构在复杂互层地层下的掘进参数变化情况,依托北京地区目前最大直径泥水平衡盾构工程清华园隧道,使用数理统计的方法针对盾构由粉质黏土掘进至卵石土、砂、粉质黏土互层地层时盾构掘进参数的变化规律及波动情况进行研究。研究结果表明： 泥水平衡盾构在粉质黏土区域掘进时,盾构刀盘转矩及盾构推力波动情况不明显;泥水平衡盾构在复杂互层地质条件下掘进时,盾构刀盘转矩及盾构推力分别增长46.43%和46.03%,同时盾构刀盘转矩的波动情况较粉质黏土区域有所增长,而盾构推力的波动情况与粉质黏土区域类似。     

砂黏复合地层盾构掘进参数变化规律及掘进速率预测研究

为研究砂黏复合地层中复合比与盾构掘进参数之间的规律,依托石家庄地铁1号线白留区间隧道工程,基于现场盾构掘进试验,通过对盾构原始掘进参数的二次转换,建立标准推力-标准转矩特征空间,并对传统盾构掘进速率模型进行修正。研究结果表明： 1）正常掘进状态下,标准推力和标准转矩成对数关系,随着复合比的降低,标准推力和标准转矩增加; 2）根据参数点在特征平面的分布和对应的施工状态,将特征平面划分为Ⅰ区(正常掘进区)、Ⅱ区(转矩偏大区)和Ⅲ区(推力偏大区),并依据复合比的不同,将正常掘进区进一步划分为Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3、Ⅰ4区; 3）基于标准推力和标准转矩,建立适用于砂黏复合地层的掘进速率预测模型。     

郑州地铁砂性地层盾构长距离掘进技术研究

为解决盾构在砂性地层中长距离掘进可能存在的风险难题,以郑州地铁1号线2期工程为背景,分析盾构在砂性地层长距离掘进施工中可能存在的风险,在盾构掘进前针对所穿越地层的物理力学参数从耐磨性、刀盘开口率等方面对盾构进行适应性设计,在盾构掘进过程中通过现场试验确定合理的土体改良措施和注浆参数,最终顺利完成掘进。结果表明:采取上述技术措施能够有效提高盾构在砂性地层中的耐磨性和掘进效率并且控制了地表沉降,从而克服了盾构在砂性地层中长距离掘进的施工风险。     

基于盾构掘进参数的孤石地层识别方法研究

为了在盾构掘进过程中准确识别孤石地层,保证施工安全,运用理论分析与工程数据验证,研究孤石地层识别方法。基于盾构掘进比能,结合主掘进参数,提出修正比能（SM）,构建孤石地层SM识别模型及识别矩阵。运用BP神经网络技术,以实测掘进参数作为训练样本,建立孤石地层神经网络识别模型,具有极高的识别精度。利用盾构掘进数据对孤石地层识别方法进行工程验证。研究结果表明： 1) 修正比能法具有较强的容错能力、稳定性及特异性,识别效果优于掘进比能法; 2) 2组实测数据下,神经网络识别结果与识别矩阵的吻合率达到98.3%和98.8%; 3) 以修正比能法为基础,结合神经网络法作为辅助与参考对孤石地层进行双重识别,具有较好的工程实际意义。     

合肥地区复合地层盾构掘进参数控制研究

为保证合肥地铁盾构隧道的施工安全,基于合肥地层情况,通过PLAXIS 3D 岩土有限元软件模拟穿越软土、硬岩及复合地层3 种不同地层条件的盾构掘进过程,研究开挖面支护力N、盾构钢壳锥度引起的收缩率C 和壁后注浆压力p 对地表沉降和围岩变形响应的影响规律。研究结果表明: 1)支护力N 和注浆压力p 对地表沉降的影响受地层和埋深的限制较大,收缩率C 则相对较小;2)从地表沉降上看,盾构掘进参数(N、C、p)对软土层的影响最大,复合地层次之; 3)p 对管片上浮和管片内力的影响显著,不宜设置过高,软土层对p 最为敏感,硬岩和软硬复合地层次之。最后,将这些影响规律应用于合肥地铁4 号线某区间的盾构掘进参数控制中,结合现场数据分析,结果表明盾构掘进姿态正确,地表沉降稳定,掘进参数合理可靠。     

复合地层盾构施工中泡沫对刀盘扭矩的影响分析及参数优化

在盾构施工过程中通常添加泡沫进行土体改良,土体的改良效果会直接影响盾构的掘进性能,而且对维持开挖面的稳定、提高掘进效率、减小刀具磨损具有至关重要的作用。依托穗莞深城际轨道交通虎门商贸城站到长安厦边站盾构区间工程,利用正交试验的方法对复合地层盾构掘进过程中土体改良效果进行研究,建立复合地层盾构施工中刀盘扭矩与其他掘进参数的数学模型,并对泡沫对刀盘扭矩的影响进行分析与参数优化。结果表明： 当添加泡沫溶液量为0.01 m3、泡沫体积分数为7%时,刀盘扭矩达到最优值2 033.1 kN·m。     

大直径土压平衡盾构在复杂地层中的掘进技术探析

针对长沙某盾构项目始发段复杂地层掘进困难的问题,分析其原因,判断由于地层复杂,渣土改良效果不佳、盾构埋深较浅等原因导致刀盘结泥饼、地表沉降、地表冒浆等现象。通过试验不同添加剂、开舱清理刀盘、增加冷却塔等措施进行处理,总结分析问题的原因,并对以后类似施工问题提供合理的解决办法和经验。     

复合地层盾构刀盘掘进速率及受力特性分析

为探究复合地层中盾构刀盘的掘进速率及受力特性,基于连续-非连续单元法（CDEM）,建立盾构-岩土体这一完整系统的数值计算模型。通过在CDEM中引入简单有限体积法、虚拟质量法、单元溶蚀算法等系列算法,实现盾构刀盘掘进全过程的三维模拟。建立5种刀盘面花岗岩占比的刀盘破岩数值模型,并对不同刀盘面花岗岩占比下的刀盘进尺、掘进速率、平均转矩、平均倾覆力矩等进行详细分析。数值模拟结果表明： 1）在某一特定复合地层中掘进时,随着掘进时间增加,刀盘进尺基本呈线性增大的趋势,但进尺曲线中平缓段及速升段交替循环出现; 2）刀盘面花岗岩占比由0增大至100%,掌子面处拉伸破坏单元增加,剪切破坏单元减少,且刀盘的掘进速率呈指数衰减趋势,掘进速率降低88.7%; 3）刀盘面花岗岩占比由0增大至100%,平均转矩值逐渐增大,增大比例为117.5%,平均倾覆力矩值则呈现先增大后减小的趋势,且在花岗岩占比为50%时最大。     

盾构瓦斯隧道掘进技术

根据武汉地铁2号线范汉区间直接穿越瓦斯储气层的情况,分析瓦斯对盾构隧道施工的影响及危害,以及国家规范尚未对地铁盾构隧道的掘进技术做出量化的情况下,对在瓦斯隧道掘进中施工参数做出主动调整,重点研究控制盾构螺旋出土、盾尾密封、同步注浆及二次注浆质量等方面的技术措施,总结出了1套较为成熟的盾构瓦斯隧道掘进技术方法。     

复合地层下盾构施工模态系统刀盘荷载及振动特性研究

基于苏埃通道盾构工程和盾构及掘进技术国家重点实验室的盾构施工模态系统的刀盘实体,利用JHC本构模型对岩体进行仿真,通过显示动力学软件LS-DYNA对不同模式下的滚刀群切削复合地层进行数值模拟,并结合滚刀、刀盘的力学分析及傅立叶变换函数,得到滚刀和刀盘的三向荷载-时间历程曲线及荷载的频谱图。通过分析荷载曲线及频谱图可知:1)在荷载特性方面,切削过程中滚刀和刀盘荷载均具有突变性、随机性和冲击性;当滚刀运动经过软硬岩层交界面时,滚刀切点荷载发生突变,有可能发生剧烈震荡。2)在振动特性方面,刀盘荷载的频率主要集中在0~5 Hz,属于典型的低频振动,并与滚刀的频率分布一致;软岩及硬岩仅对滚刀荷载的幅值产生影响,对其频率分布影响有限。结合刀盘在软硬不均地层条件下静力学的分析结果,确定刀盘在不均匀受力状态下的最大应力、应变位置,为苏埃通道滚刀破岩物理模型试验刀盘测试系统的构建提供了依据。     

软硬不均地层盾构近接下穿施工掘进参数优化分析

盾构法修建城市地铁时,盾构掘进参数对于控制地表沉降、保证施工安全等具有重要影响。以深圳地铁7号线盾构隧道下穿既有2号线为工程背景,针对在软硬不均地层情况下盾构隧道下穿既有隧道及过街通道,运用ABAQUS建立三维计算模型,对盾构施工进行全过程模拟及掘进参数优化分析。研究结果表明:①土仓压力及注浆压力对过街通道沉降相对于地表影响较大,施工过程中应当注意对过街通道底部进行监测;②对于软硬不均地层盾构下穿既有隧道及过街通道采用0.30~0.40 MPa土仓压力以及采用0.25~0.30 MPa注浆压力施工较为合理     

狮子洋隧道虎门港沙田港区地层破碎段盾构掘进施工技术研究

以广深港铁路客运专线狮子洋隧道盾构工程为依托,在虎门港沙田港区地层破碎段盾构掘进施工中,针对泥水盾构掘进施工中掌子面稳定、环流系统、刀盘被卡、刀具损坏等易发生变化的边界条件,分析了掘进参数选择、稳步掘进、泥浆质量、同步注浆和二次注浆等盾构掘进关键技术要点,制定了针对性技术保证措施和应急处置措施,对类似工程特别是大直径泥水盾构工程施工有一定的参考价值。     

孤石与基岩爆破处理对泥水盾构掘进参数的影响分析

为有效降低海底复杂地层中盾构开挖范围内遇到的孤石或基岩突起对盾构刀具的损坏程度,降低施工风险和提高施工效率,以台山核电站1#、2#海底取水隧洞工程为依托,采用钻探和物探的方法确定孤石和基岩的分布规律,并制定陆地和海面钻孔爆破处理方案。通过对孤石群和基岩段爆破前后盾构掘进过程中的掘进速度、每环掘进时间、掘进推力等掘进参数进行对比分析可知： 1）爆破后基岩段盾构掘进速度提高了约68.2%,平均每环掘进时间节省了约45.1%,平均掘进推力降低了约11.5%; 2）孤石群爆破段与正常掘进段盾构参数基本一致; 3）孤石群和基岩爆破达到了预期效果,消除了基岩突起和孤石群对盾构掘进的威胁,保证了盾构掘进的顺利施工。     

复合地层中不同盾构掘进参数下碴土的颗粒特征研究

为定量研究盾构掘进复合地层时掘进参数对碴土颗粒级配特征的影响,以试验研究和统计分析为手段,得到掘进参数和颗粒特征之间的量化规律。首先,通过开展现场掘进试验,在不同有效推力和刀盘转速下实地采取碴样颗粒; 然后,对颗粒筛分结果进行统计分析,提出碴土颗粒级配预测方程; 最后,对级配预测方程的系数进行多元回归预测和影响性分析,定量研究方程系数和掘进参数之间的相关性。研究结果表明： 1）当盾构刀盘转速或盾构有效推力增大时,碴样特征粒径减小,碴土中的粗颗粒含量降低,细颗粒含量增大,碴样粒度分布范围增宽; 2）碴土颗粒的粒径存在上限,Rosin Rammler分布函数更加适用于盾构破岩颗粒级配特征分析; 3）在一定掘进参数范围内,盾构碴土颗粒级配方程系数的预测模型预测精度较高,能够较好地反映工程实践中掘进参数对方程系数的影响。     

长距离硬岩地层盾构施工关键技术研究

深圳地铁5号线布吉-百鸽笼区间隧道所处地层以硬岩为主,区间采用盾构法施工。对盾构长距离穿越硬岩地层时所遇到的技术难题进行研究,通过合理地配置刀具,选择适宜的掘进模式、掘进参数以及同步注浆参数,同时加强刀具的处理措施,顺利解决了盾构施工时刀具磨损严重,管片错台等问题。     

泥水盾构掘进砂卵石夹黏土地层泥饼处置技术研究

为解决泥水盾构在含黏性土的地层中掘进时,因刀盘易结泥饼而引发的刀具切削能力下降、渣土滞排等降低盾构掘进效率的问题,依托北京南水北调配套工程泥水盾构施工实例,结合富水砂卵石夹黏土地层中的盾构掘进参数和地层岩性变化趋势,分析刀盘出现结泥饼的具体表现,提出将刀盘转矩与贯入度、推力与贯入度的比值作为判别刀盘是否结泥饼的指标;开展双氧水、Ⅰ型和Ⅱ型分散剂泥饼浸泡试验,最终比选出效果较好的Ⅱ型分散剂进行刀盘泡舱处理,有效地软化了泥饼,使得盾构得以顺利掘进。     

基于围岩力学参数的TBM净掘进速率多元回归预测模型

TBM净掘进速率与围岩地质条件密切相关,特别是岩体力学参数。为研究TBM净掘进速率与围岩力学参数之间的内在联系,以兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景,选取岩石单轴抗压强度、单轴抗拉强度、泊松比、变形模量等围岩力学参数,进行TBM净掘进速率与围岩力学参数相关性分析,得到相应的拟合关系式。在单因素分析的基础上,经过线性处理,建立TBM净掘进速率的多元线性回归预测模型。研究结果表明： TBM净掘进速率与围岩力学参数之间具有明显的线性相关性,TBM净掘进速率随单轴抗压强度、单轴抗拉强度和变形模量的增大而减小,随泊松比的增大而增大; TBM净掘进速率多元线性回归预测模型总体上精度较高,其预测误差在15%以内,且对不同围岩类型具有较强的适用性。研究成果能够为TBM施工性能评估提供新的参考。     

扩展土压平衡盾构在含水地层中的适应性

从土压平衡盾构原理出发,总结论述了从土塞效应、注入添加材料和机械辅助方法来扩大土压平衡盾构适应含水地层能力的理论和方法,为扩展土压平衡盾构在含水地层中的地质适应性提供了新的思路。     

超大直径土压平衡盾构复杂地层中下穿机场滑行道沉降控制技术研究

以上海虹桥枢纽内超大直径土压平衡盾构下穿机场滑行道工程为背景,结合复杂地层情况和工程特点,针对超大直径土压平衡盾构施工引起的地层沉降对机场滑行道影响,以及相应的施工技术措施进行了分析研究,给出具体的盾构施工沉降控制参数,为今后超大直径土压平衡盾构施工提供了借鉴。