盾构土压平衡动态神经网络逆控制技术研究

盾构密封舱的土压平衡作为地表沉降控制的关键因素对盾构安全施工具有重要保障。为映射影响土压平衡掘进参数之间的非线性耦合关系,增强非线性控制模型的动态性能,提高土压平衡的控制精度,根据盾构施工中影响密封舱内土压平衡的掘进参数调控的难易程度,依托现场监测数据建立基于动态神经网络逆控制前馈作用下的螺旋输送机转速控制模型。对控制模型的性能与效果进行分析验证,结果表明： 动态神经网络输出的前馈螺旋输送机转速能够对推进速度、刀盘转矩的变化响应灵敏; 在给定掘进条件下与通过人工调节螺旋输送机转速控制土舱压力的方法相比,动态神经网络逆控制前馈作用下密封舱土压的最大波动误差由9.8%降为5.3%。     

土压平衡盾构螺旋输送机排土及保压作用分析

螺旋输送机的排土和保压作用的发挥对土压平衡盾构的施工安全与效率有重要影响,对其作用机制及影响其作用发挥的因素进行系统的理论分析,并参考工程实测数据,得出以下结论:1)盾构施工中的土压平衡包括土仓内外与螺旋输送机内的压力平衡和进、出土量的平衡,其通过螺旋输送机排土量的控制来实现;2)渣土进入螺旋输送机后,依靠自身重力及与螺杆、叶片和筒壁界面间的摩擦作用来抵抗土仓内的水土压力,保持出渣过程的稳定性;3)渣土性质对螺旋输送机的排土和保压效果有较大影响,主要通过向刀盘前方和土仓内添加改良材料的方法对渣土状态进行调整;4)从螺旋输送机结构分析,可通过减小螺距、采用间断式螺杆或双螺旋输送机3个方面进行改造,以增加保压效果。     

土压平衡盾构机密封舱土压力控制模型

基于有限元数值模拟方法,建立盾构机密封舱土压力的控制模型。通过分析盾构土压平衡的掘进参数之间及其与土舱压力间的相互关系,提出盾构机密封舱土压力优化控制模型。数值模拟结果表明：在保持推进速度不变的情况下,通过对密封舱内土压力的实时监测来控制螺旋输送机转速的实时变化,可控制密封舱内土压力在设定的范围内,从而实现土压平衡。     

土压平衡盾构在砂卵石地层中穿越城市河流施工关键技术

北京地铁10号线二期工程(公主坟站—西钓鱼台站区间和西钓鱼台站—慈寿寺站区间)盾构区间在砂卵石地层长距离下穿昆玉河,为了摸索出一套适合土压平衡盾构砂卵石地层下穿城市河流的施工方法,通过在穿河之前设置试验段优化施工参数,穿越期间有效控制土仓压力、盾构推进速度、螺旋输送机出土速度,调整注浆压力、注浆量和盾尾油脂用量,及时进行同步注浆和二次补浆等技术措施,盾构成功穿越河流并解决了螺旋输送机喷涌、被卡等重大风险,保证了河堤变形在产权单位要求的范围内,为今后类似工程积累了施工经验。     

基于宾汉姆流体的土压平衡盾构螺旋输送机排土量研究

为确保土压平衡盾构掘进过程中有效控制排土量,须考虑螺旋输送机构造特征和渣土性质对其影响。将改良后流塑性状态的渣土假设为宾汉姆流体,并基于螺旋输送机构造沿其螺旋排土方向展开成一长条形的长方体排土模型的基础上推导盾构螺旋输送机的理论排土量计算公式。通过对排土量影响因素进行分析表明： 1）排土量受开挖面支护压力、渣土的初始剪切屈服应力影响较大,而受渣土的塑性黏度影响较小; 2）随着隧道埋深和开挖面支护压力的增加,改良渣土的流塑性降低。将该理论成果应用于指导广州地铁21号线浅覆土全断面砂土地层某区间隧道盾构掘进中的渣土改良,开挖面支护压力保持了稳定,地表沉降控制为5 mm。     

国内典型砂卵石地层土压平衡盾构设计改进及应用

为解决砂卵石地层掘进的刀盘刀具异常磨损、泥饼阻塞及地表沉降明显等问题,从刀盘刀具、螺旋输送机、渣土改良及注浆控制等方面进行研究,并结合成都地铁和北京地铁现场应用及试验数据,对刀盘开口率的确定、刀具的布置、轴式/带式螺旋输送机的选取、渣土改良系统及注浆系统的配置进行比较,得到了相应地层土压平衡盾构设计的解决方案,为类似地层土压平衡盾构的设计提供参考。     

土压平衡盾构的土力学模型与土压平衡控制

根据土压平衡盾构的特点及施工原理,结合隧道设计、施工的具体经验,建立了土压平衡盾构的土力学模型,并采用朗肯理论计算了掘进土压力,提出了土压平衡盾构掘进土压平衡控制策略,确定了土压平衡盾构施工土压力的设定原则和方法,为土压平衡盾构掘进机的设计和开发提供科学的理论依据.     

基于随机森林算法的盾构改良渣土渗透系数预测及工程应用

为解决土压平衡盾构在富水粗粒土地层掘进时，由于盾构渣土渗透性较高而引起螺旋输送机出口处易出现喷涌等风险问题，基于随机森林算法，选取渣土改良参数包括含水率、泡沫注入比、膨润土泥浆注入比以及掘进地层参数土体有效粒径、水力梯度作为模型输入参数，提出一套适用于盾构渣土渗透系数预测的模型。研究结果表明： 该模型预测精度较高，渣土渗透系数预测值与实测值均位于同一数量级，且均方误差仅为2.4×10-9 cm/s，拟合决定系数可达0.981 9。依托滇中引水龙泉倒虹吸盾构隧洞工程进行应用，对下穿盘龙江喷涌风险源进行判定，并基于该预测模型给出推荐改良参数。在采用推荐改良参数后，盾构下穿过程中渣土渗透系数满足要求，土舱压力稳定，且对上部桥梁结构影响较小，保障了盾构安全、高效掘进。     

超大直径土压平衡盾构开挖面稳定控制技术研究

随着城市中心密集程度的增加,超大直径土压平衡盾构将成为城市中心公路隧道施工的优先选择。针对这种盾构的施工技术研究刻不容缓,开挖面稳定控制研究就是其中重要的一项。为了合理设置土舱控制压力,将土舱上部区域和底部区域设置控制压力分别进行计算。经过对比分析得到,在上部区域设置控制压力有利于开挖面稳定性控制,并在中国两个工程中得到了成功运用。     

土压平衡/单护盾TBM双模盾构模式转换施工技术探析

为提高土压平衡/单护盾TBM双模盾构模式转换施工效率,最大程度地降低施工风险,以深圳地铁13号线留仙洞站—白芒站区间双模盾构施工为例,根据地质补勘、地面调查以及进舱检查等确定TBM模式转土压平衡模式转换位置,详细阐述双模盾构从TBM模式转换为土压平衡模式的3个施工阶段,总结出一套土压平衡/TBM双模盾构在软硬交叠地层下的模式转换施工技术。通过在模式转换前加强隧道内补充注浆,合理进行施工筹划与施工部署,优化皮带机架拆装工序及螺旋输送机工装,仅用11d便完成单次模式转换,较计划工期提前3d完成,相比国内模式转换最短用时记录13d提前2d完成,实现了双模盾构安全、高效的模式转换。     

盾构隧道渣土改良理论与技术研究综述

土压平衡盾构在掘进过程中常遇到结"泥饼"、喷涌、刀具磨损等难题，需要对渣土进行合理改良，方可确保隧道顺畅掘进。常用的渣土改良剂有水、泡沫剂、分散剂、黏土矿物和絮凝剂，其中水和泡沫剂适用于各种地层，分散剂适用于黏性较大的地层，黏土矿物适用于缺乏细粒的颗粒土地层，而絮凝剂则适用于富水粗颗粒土地层，改良剂能够改变渣土的塑流性、渗透性、磨损性、黏附性、抗剪强度、压缩性等力学性质。针对盾构渣土改良难题，从渣土改良剂类型及技术参数、渣土改良评价指标及确定方法、改良黏性渣土力学行为、改良非/低黏性渣土力学行为、渣土改良下盾构掘进力学行为等5个方面，详细剖析了国内外盾构渣土改良理论和技术发展动态，总结既有研究不足之处。最后，提出了渣土改良研究方向建议：①水环境和温度对渣土改良效果影响；②黏性地层防"泥饼"新型改良剂的开发；③粗颗粒渣土改良技术；④渣土改良评价指标和体系的建立；⑤渣土改良作用下盾构掘进精细化数值模拟；⑥智能化渣土改良技术。     

基于坍落度的砂卵石地层土压平衡盾构渣土改良配方研究

针对成都轨道交通17号线一期工程土压平衡盾构法施工在砂卵石地层中遇到的难题，如螺旋输送机喷涌导致开挖面压力失控、卵石堆积于压力舱底部滞排等，采用膨润土和泡沫剂等对现场砂卵石进行室内渣土改良试验。结果表明： 1)改良剂的优化配比膨润土掺入质量比为5%，泡沫掺入体积比为10%~30%，即可使渣土的坍落度、和易性、抗渗性均保持良好，达到塑性流动状态。2)以渣土的坍落度在150~200 mm且无离析为改良的前提条件，以最小膨润土使用量为优化目的，建立砂卵石渣土坍落度与改良剂膨润土和水掺入量之间的三维曲面图，根据离析与非离析区域边界确定膨润土泥浆最经济的膨水比为1∶6。将试验结果应用于该工程的砂卵石地层土压盾构工程实践，掘进效率以及盾构工作的安全性得到显著提高。     

复杂环境条件下盾构接收井的设计

针对在城市复杂环境条件下,无法设置常规盾构接收井的情况,以北京地铁六号线花园桥站—白石桥南站区间为例,提出设置单井+暗挖横通道的组合接收井方案;并依据海瑞克 EPB6 250土压平衡盾构机的尺寸控制,详细介绍拆卸螺旋输送机、盾构机旋转、平移、吊出等接收方案,为以后类似工程的设计提供参考。     

盾构螺旋输送机驱动密封故障处理与防护技术

为解决盾构螺旋机驱动密封故障问题,以重庆地区盾构施工情况为依托,结合多台盾构螺旋输送机驱动密封的修复经验,重点分析螺旋输送机驱动密封产生故障的原因: 螺旋机设计不合理、螺旋机螺杆倾斜、筒体连接面磨损、螺杆向前蹿动、油脂注入量不足。总结出新的故障处理（螺旋机结构优化、渣土改良、合理选择螺旋机转速、防止空仓掘进、严控加工工艺等）与预防措施（螺旋机叶片修复、改善油脂注入量、更换损坏部件）。为今后盾构施工中处理螺旋输送机驱动密封故障处理与防护技术提供依据。     

土压盾构在富水粉砂地层中浓泥渣土改良技术研究

为解决土压盾构在富水粉砂地层掘进过程中存在的刀盘转矩过大、开挖面稳定难以控制及排土困难等问题,提高该地层盾构施工的安全性及稳定性,以无锡地铁3号线富水粉砂地层盾构区间为依托,提出土压盾构浓泥渣土改良技术,并开展土压盾构浓泥渣土改良现场试验,研究掘进过程中开挖面前地层中孔隙水压力、盾构掘进参数及地层沉降的变化规律。结果表明： 1）向开挖面注入4 m3/环泥浆后,能够将渣土的坍落度由原来的7.5 cm提高至14.5 cm,降低盾构闭舱和喷涌风险,且能减小土压、推力及转矩的变化波动; 2）浓泥浆在开挖面形成泥膜效应,可以有效降低掘进过程引起的孔隙水压力,最大可减小20 kPa。掘进完成地层稳定后,与未添加浓泥渣土改良掘进的地层相比,地表沉降值减小26.7%。     

基于盾构掘进效果的富水砾砂地层渣土改良试验研究

为解决土压平衡盾构在富水砾砂地层中掘进时螺旋输送机出口易发生喷涌的难题，依托昆明地铁4号线盾构隧道工程，开展富水砾砂地层渣土改良研究。首先通过大型渗透试验评价地层的渗透性，然后对试验段内每环的渣土进行坍落度试验，分析渣土改良对盾构掘进参数的影响，检验并评价渣土改良的实际效果，进而给出昆明地区富水砾砂地层的合理改良建议。研究结果表明： 1）昆明地区砾砂土的坍落度与含水率呈明显的正相关关系，而其渗透系数随测试时间的增加而降低，在2 h后减小为0； 2）塑流性较好的渣土对应着较低的刀盘转矩、推力和较高的掘进速度； 3）通过对掘进参数的分析可知，坍落度达到5~10 cm即可满足施工要求。