穿越起伏基岩地层的盾构机掘进姿态控制方法研究

为了研究盾构机掘进姿态的控制方法,以长沙地铁2号线望梅区间隧道为工程依托,通过对现场盾构机穿越起伏基岩地层时软硬岩高度比和围岩强度比与油缸推力比的统计分析,得出了盾构区间直线段和曲线段地层由软到硬和由硬到软的合理的油缸推力比。将盾构油缸推力比应用到工程实际中,得出相应的直线段和曲线段的水平、竖向偏差,且均满足轴线偏差不得超过50 mm的标准要求,从而得出盾构机穿越起伏基岩地层合理掘进姿态的控制方法。     

富水砂层土压平衡盾构小半径曲线始发掘进参数控制研究

盾构始发是盾构施工的关键环节，也是盾构施工时的高风险环节。为给南昌地区富水砂层条件下盾构曲线始发施工提供掘进参数设置样本，以南昌市轨道交通3号线绳金塔站—六眼井站盾构始发工程为背景，对富水砂层盾构小半径曲线始发段主要掘进参数进行统计分析，确定相关参数的优势区间，并基于盾体姿态控制参数和地表沉降进行掘进参数控制效果评价。结果表明： 1）盾构水平方向2组油缸推力在曲线段和直线段变化差异明显，线路平曲线半径越小，差值越大，在左右线曲线段和直线段水平方向2组油缸推力分别相差872%和758%； 2）线路平曲线半径越小，所需的总推力和刀盘转矩越大，而掘进速度略有降低，左右线总推力均值为1 3976 t和1 6717 t，刀盘转矩均值为3 1011 kN·m和3 7239 kN·m，掘进速度均值为388 mm/min和351 mm/min； 3）由于始发段掘进断面地层相对均一，土舱压力基本随隧道埋深呈线性增加，而由于右线曲线半径更小，因此右线土舱压力离散程度相对较高； 4）左右线盾尾注浆量差异不大，优势区间均为3~6 m3，均值约为4 m3； 5）左右线曲线始发段水平方向盾体姿态超限率分别为2%和4%，地表累积沉降最大值仅为625 mm，表明本工程小半径曲线始发段掘进参数控制效果较好，掘进参数对地层条件和线路线型具有良好的适应性。     

上软下硬地层盾构隧道开挖面稳定性数值模拟研究

利用Abaqus有限元软件，对上软下硬地层的盾构开挖过程进行模拟，通过计算分析不同工况下的支护应力比和开挖面最大水平位移之间的关系，得出上软下硬地层隧道施工的安全盾构推力范围。结果表明：开挖面最大水平位移随支护应力比的减小而增大，数值模拟得出的最小支护力变化规律同实测值相一致，且盾构推力的安全参数范围为4.9～6.8。     

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。     

盾构姿态控制研究

盾构姿态控制的好坏与盾构隧道施工质量的优劣是密切相关的,为了研究盾构推进过程中盾构姿态控制的关键因素,并掌握其与盾构姿态调整的对应关系,为盾构推进过程中盾构姿态控制提供理论依据,通过对某工程施工过程中大量实测数据的整理,得出盾构掘进过程中姿态变化的规律;通过数学关系的推导,得到推力油缸行程差和盾构切口竖向偏差量之间的对应关系,并将工程项目中实测的推力油缸行程差与盾构切口竖向偏差量数据相对照。研究表明： 盾构推进过程中切口始终处于不断调整之中;推得油缸行程与偏差量的对应关系和实际情况非常吻合;通过推得的推力油缸行程与盾构姿态相互关系,以期为施工优化提供依据。     

并联式泥水/土压双模式盾构施工技术与冷冻刀盘开舱技术的创新与实践

针对盾构施工过程中经常遇到的2大问题:1)盾构在复杂地层中掘进遇到的盾构选型难问题,如盾构区间一段适合土压盾构掘进,另一段适合泥水盾构掘进,而采用单一掘进模式的盾构都无法应对较大的地层变化; 2)盾构在复杂地层、长距离掘进施工时,开舱检查并更换刀具不可避免,盾构在上软下硬/软弱地层/含水砂性地层开舱存在极大的工程安全风险。在原有盾构的基础上,通过采取改造盾构内部结构、搭载冷冻设备、改进设备系统等手段,研制出并联式双模式盾构及搭载冷冻刀盘式盾构。通过广州地铁9号线、广州地铁21号线、220 kV石井—环西电力隧道(西湾路—石沙路段)工程案例,总结出双模式盾构施工技术与冷冻刀盘技术。并联式泥水/土压双模式盾构兼具土压平衡盾构和泥水平衡盾构的功能及施工优势,可根据隧道沿线地表环境条件和隧道穿越地层条件,合理划分采用泥水或土压模式施工的地段,且盾构施工环境适应性强,可在不拆装任何部件的情况下安全、快速地实现掘进模式的切换。将冷冻法与盾构刀盘结合在一起,使盾构刀盘具备冻结地层的功能,通过冷冻刀盘在隧道内对土舱外土层冻结加固,使其达到常压开舱的要求,与双模式盾构相结合,兼容性好,不存在功能上的冲突。     

长株潭城际铁路浅埋高黏性上软下硬不良地层土压平衡盾构施工技术研究

针对土压平衡盾构在高黏性与上软下硬地层中掘进施工容易出现的问题,依托长株潭城际铁路湘江隧道工程,对土压平衡盾构在浅埋高黏性上软下硬地层掘进施工技术进行研究探讨,通过改进盾构泡沫系统、改良盾构刀具配置、优化渣土改良等技术措施,较好地控制了地表沉降,确保盾构安全顺利掘进,通过了浅埋高黏性上软下硬地层。     

盾构法施工荷载对小半径曲线隧道管片防水性能的影响研究

为探究小半径曲线盾构隧道施工过程中施工荷载对管片防水性能的影响，依托深圳国际会展中心配套市政项目盾构段，选取油缸推力和螺栓预紧力作为主要施工荷载，采用ANSYS建立管片结构模型和弹性密封垫模型，对施工荷载下管片的张开量以及相应张开量下的管片防水性能进行研究，得到施工荷载对管片防水性能的影响。研究结果表明： 1）油缸推力对环缝影响较大，会加大环缝张开量，但对纵缝影响较小； 2）管片间弹性密封垫的防水性能随管片张开量的增加先增大后减小，在张开量为2 mm以及大于6 mm时存在渗水风险； 3）以张开量2 mm为计算控制标准，油缸推力使直线段管片防水性能下降8%，曲线段下降15%； 4）增大螺栓预紧力能略微提高直线段管片的防水性能，但对曲线段管片的防水性能无影响，曲线段整体防水性能较差。     

硬岩地层盾构机掘进技术探讨

盾构施工工法因其地表占地小、不影响地面交通、对周边环境影响小等优点,成为城市地铁施工的首选方法。盾构机的设计比较适合软岩施工,但是城市地下环境极为复杂,软硬岩交错,盾构机不可避免的在硬岩地层施工。通过借助现场施工实例,对施工数据进行分析研究及经验总结,摸索出一套盾构在硬岩地层的掘进施工技术,并在实际工程中取得了良好的效果:刀具损坏现象明显减少,施工成本有效降低,施工效率明显提高,为今后类似工程提供借鉴、参考。     

上软下硬复合地层盾构隧道设计施工难点及对策研究

基于国内上软下硬地层盾构隧道典型工程案例，对上软下硬地层盾构工程案例区域分布特点及发展趋势、施工主要问题及其产生的原因进行分析。在此基础上，分别从隧道设计、盾构设计及工程实施的角度提出相应的对策措施，并结合相应的工程实例进行阐述。 研究得到上软下硬地层盾构实施主要问题，包括刀盘刀具磨损、刀盘结泥饼、刀盘卡死、排土器喷涌、盾构掘进姿态不良、衬砌损坏、地表沉降过大等方面。针对这些问题，采取如下措施： 1）隧道设计上可采取线型避让、特殊地层预处理、隧道结构特殊构造设计进行应对； 2）盾构制造上应充分考虑刀盘刀具、盾构机驱动、防冲刷及泡沫注入口的优化和超前地质探测装置的增设； 3）在施工上应优化施工参数，加强巡视和监测，做好应急预案。     

南宁地铁2号线盾构选型设计与适应性分析

盾构的选型与设计对地铁区间盾构施工具有重要意义,其选型的合适与否直接影响到盾构施工的成败。针对南宁地铁2号线所遇到的黏土层、硬岩层、夹杂碎石砂砾层、上软下硬地层及岩溶地层等多种地层相结合的特殊复杂地质条件,提出盾构选型总体要求,开展对盾构动力设备、刀盘、刀具等关键部位的选型研究,同时优化防泥饼、螺旋输送机、小倾角皮带机和同步注浆设计方案以及地质加固方案。通过实际掘进参数和地表沉降数据分析,结果表明盾构设备选型及优化设计方案对南宁地区特殊复杂地质条件适应性良好。     

小曲率半径盾构隧道施工中辅助油缸千斤顶推力计算模型研究

在小曲率半径隧道盾构掘进施工时,千斤顶推力的作用会导致管片发生偏移和错台,从而引发安全事故的产生。为有效解决小曲率半径盾构隧道施工过程中由于千斤顶推力而对管片造成的不利影响,通过分析双模盾构机的掘进模式,建立了盾构隧道在掘进开挖过程中的辅推油缸千斤顶推力的计算模型,并将其应用于工程实践,对千斤顶推力进行计算分析,提出了减少或避免千斤顶推力对管片造成的不利影响的相关措施。研究结果表明：（1）双模盾构施工过程中,不同施工区间的辅推油缸千斤顶推力的取值有所不同,应根据工程实际情况确定该推力值。（2）单模盾构施工过程中,辅推油缸千斤顶推力随着贯入度的增大而增大,且增大速率呈逐渐减小的趋势。（3）提出依次从施工纠偏、管片拼装控制、掘进参数合理选取、盾构机姿态控制、盾构机推力控制、隧道纵向刚度的设置和管片质量等来控制和减小千斤顶推力对管片造成的不利影响,保证盾构施工的安全性,为类似工程的建设提供理论指导和参考。     

超大直径泥水盾构软土地层推力、转矩分析与计算

为提高软土地层超大直径泥水盾构推力、刀盘转矩计算的准确性,结合苏埃通道超大直径盾构结构特点分析推力、转矩的主要组成成分,基于开挖面土体分层建立推力、转矩各分项的理论计算模型。运用MATLAB软件编写推力、转矩的数值计算程序并根据苏埃通道工程相关参数开展计算。将依托工程盾构段现场掘进数据与计算结果进行对比,得出如下结论:1)推力、转矩的实测值与计算值误差均在±10%内,相对Krause模型或Ugur Ates回归,该计算方法精确度高; 2)在总推力中泥水阻力占比最高,其次为盾壳与土层的摩擦阻力,而刀具切削阻力占比可忽略; 3)在刀盘转矩中,切削转矩在总转矩中占比最高,其次为刀盘在流体中摩擦阻力矩,相对推力而言,转矩对地层更加敏感。     

盾构穿越上软下硬及硬岩段施工技术分析

在城市轨道工程施工过程中,经常会遇到上软下硬的地质环境,对盾构的正常施工造成了比较大的影响。以实际工程为例,对盾构穿越上软下硬地层的施工风险和问题进行分析和探讨,然后提出了相应的应对措施,保证了盾构穿越上软下硬以及硬岩段的施工质量和施工安全,可供参考。     

极硬岩层条件下盾构推进参数的优化

深圳地铁5号线长龙站—百鸽笼站区间隧道洞身部分位于全断面高强度微风化角岩地层,采用盾构法施工。文中对盾构穿越极硬岩地层时所遇到的施工技术难题进行分析,通过优化掘进参数与合理配置刀具,顺利解决了盾构在极硬岩层条件下掘进施工时由于推进参数和刀具设置不合理,造成的刀具磨损严重、换刀频繁、推进速度缓慢等影响施工进度的问题。     

上软下硬地层盾构隧道围岩应力释放率研究

为解决盾构隧道在上软下硬地层中掘进时开挖面应力释放率难以确定的问题，基于一种既有的体积损失率迭代求解应力释放率的方法，依托广州地铁21号线盾构穿越上软下硬地层实际工程，通过数值模拟研究掌子面不同软硬岩比例、不同埋深条件下的应力释放率变化趋势，并结合现场实测资料进行对比分析。研究结果表明： 1）在盾构隧道掘进穿越上软下硬地层分界面的过程中，围岩的初次应力释放率范围基本保持在24%~36%，且随掌子面硬岩比例的增加呈线性增加趋势； 2）相对于围岩条件而言，埋深对应力释放率的影响更小。此外，在盾构隧道穿越上软下硬地层的全过程模拟中，根据围岩变化情况随不同开挖步动态调整应力释放率这一做法较全程取一固定应力释放率值更为合理。     

突变载荷下盾构刀盘设计验证分析

在复杂地层条件下,由于掘进载荷不稳定,盾构刀盘受力不均、震动变形及刀具非正常损坏等是盾构施工中较为突出的问题。以工程现场刀盘与地层相关参数为基础,采用有限元方法,在不稳定载荷条件下对盾构刀盘受力特性进行分析,得出盾构在该地层不稳定载荷条件下掘进过程中刀盘应力、应变状态,可确保刀盘设计的可靠性。     

基于同块同压原则的盾构推拼同步技术模型试验研究

为解决长距离隧道单台盾构掘进施工工期过长问题，以上海市域铁路机场联络线3标盾构区间为示范应用工程，在不改变盾构驾驶人员操作习惯的前提下，研发一种对盾构推进油缸压力进行闭环主动控制的推拼同步施工技术，以维持推进系统稳定的总顶推力矢量。同时，给出基于同块同压原则缺失顶力的再分配计算方法，并通过构建相似比为1/2的大型试验平台对成套技术进行试验验证。试验结果表明： 原型盾构推进系统总顶推力误差控制为±4%； 盾构姿态水平和垂直偏差控制为±12 mm； 盾构推进速度控制为设定速度的（-6，+6） mm/min； 管片结构抗压安全系数达2.13。     

冲孔桩与人工竖井施工技术在地铁盾构区间硬岩处理中的运用

盾构施工具有快速、安全、对地面建筑物影响小等诸多优点,已经被越来越多的城市地铁所用。在施工中遇到上软下硬或局部硬岩地层会给盾构带来诸多隐患,常造成刀具异常受损、非正常停机、地面不均匀沉降、地表建筑物开裂等事故。因此,及时解决盾构施工中遇到的这种特殊地层问题,确保盾构安全顺利通过,是施工人员必须要认真思考的。作者结合深圳地铁的施工经验,对遇到的特殊地层的处理方法进行了介绍,可供同行参考。     

盾构近距离侧穿桥梁及下穿公路变形规律与控制技术研究

以厦门地铁2号线区间隧道下穿天竺山立交桥及沈海高速公路施工为依托，对上软下硬地层盾构隧道侧穿桥梁及下穿高速公路施工对桥梁及路面的变形影响展开研究，采用FLAC 3D模拟不同盾构施工参数对桥梁及路面的变形影响规律，并将实测变形值与预测变形值进行对比，验证数值模拟结果的可靠性。研究结果表明：对于上软下硬地层地铁隧道盾构侧穿桥梁及下穿高速公路施工时，增加土仓压力和增加注浆层厚度可以有效减小桥梁及路面的变形量，并有效降低桥梁与路面间伸缩缝两侧的差异沉降值；通过减小地层应力释放，可以减小桥梁及路面的变形量。因此，对于上软下硬地层，通过合理设置盾构施工参数可将桥梁及路面的变形控制在其允许范围之内，这对于缩短工期和节约工程造价具有重要意义。