复合地层盾构掘进参数相关性分析及掘进速度预测

掘进速度预测对于提高复合地层盾构掘进施工效率具有重要作用。本文依托南京轨道交通工程复合地层区段现场盾构掘进数据,在盾构区间地层分区的基础上对主要掘进参数进行研究,分析各掘进参数与掘进速度之间的相关性。结果表明:地层越硬,刀盘转速、扭矩、推力均越大,土仓压力越小,软硬不均复合地层刀盘扭矩明显偏大;在复合地层中仍存在掘进速度与贯入度、螺旋输送机转速成正比关系,但掘进速度越大,刀盘扭矩和推力不一定越大。在复合地层中引入硬岩复合比作为回归参数,采用多元线性回归建立掘进速度预测模型,将相同区段预测掘进速度与实际掘进速度进行对比,以验证模型的的准确性和可信度。本文分析方法可为复合地层掘进施工提供指导。     

复合地层盾构隧道施工环境影响及参数敏感性研究

含花岗片麻岩风化地层和软黏土地层的复合地层给工程实际施工带来了较大的困难和风险。为了研究隧道开挖对复合地层的环境影响机制,本文以广州地铁21号线中新站至中新东站隧道工程为背景,通过处理及分析,得到了隧道开挖引起周围地层的变形规律和影响参数的敏感性。分析表明,隧道在复合地层中开挖,地表沉降的发展与Mair提出的沉降五个阶段理论相符。双线隧道开挖时,先行隧道开挖对后行线围岩引起的地层扰动和超静孔隙水压力等因素都将增大后行线隧道周围土体的变形沉降。此外,地表沉降各施工因素的敏感性排序为:土仓压力、刀盘扭矩、刀盘转速、总推力、同步注浆压力。因此,控制土仓压力、保证刀盘扭矩和转速的均衡是降低沉降的关键措施。     

基于施工条件下的盘形滚刀破岩数值研究

考虑到全断面硬岩掘进机盘形滚刀破岩时受力情况的复杂性,利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA对滚刀受力进行研究。依托于吉林引水工程地质与TBM设备参数,建立滚刀-岩石三维数值模型,并将数值结果与现场实际掘进参数对比验证数值模型的准确性,在此基础上获得不同刀间距与贯入度下滚刀受力的变化规律。模拟结果展示了破岩过程中滚刀所受到的垂直力随破岩距离的增长而剧烈振荡变化,在贯入度定值下,滚刀所受到的垂直力随着刀间距的增加而增大,滚动力受刀间距影响不大;在刀间距定值下,随着贯入度的增加,垂直力与滚动力均逐渐增加。研究结果可为改善盘形滚刀的设计、延长其使用寿命提供一定的理论指导。     

基于三维颗粒流模型的TBM滚刀顺次破岩的研究

从岩石细观破坏角度出发,基于颗粒离散元法,建立隧道掘进机(TBM)单滚刀破岩三维颗粒流模型,对比分析滚刀侵压破岩、滚压破岩模式下岩石裂缝的扩展规律和滚刀受力特征。在此基础上,建立双滚刀顺次破岩三维颗粒流模型,分析不同断面形态下岩石裂缝扩展的范围以及不同刀间距下破岩比能与贯入度的关系。结果表明:滚刀侵压破岩时,岩石以剪切破坏为主,垂直力随着贯入度的增加而增加,且贯入度为6mm时,垂直力达到58.0kN;滚刀滚压破岩时,岩石以张拉破坏为主,滚动力、垂直力呈锯齿状波动变化,平均滚压力约为5.6kN,平均垂直力为20.67kN,小于侵压破岩时的垂直力;采用双滚刀顺次破岩时,与侵压破岩相比,滚压破岩的岩石裂缝纵向扩展深度较小、径向扩展范围较大,而且当刀间距与贯入度的比值较大时,滚压—侵压断面上的岩石裂缝最不易贯通,在两滚刀中间位置处容易形成岩脊;当刀间距与贯入度的比值为10时,滚刀破岩的比能最小,破岩效率最高。     

基于最小破碎比能TBM滚刀间距设计方法研究

正滚刀刀间距是TBM刀盘设计的重要参数之一,刀间距布置的合理性直接影响TBM破岩效率、刀具损耗等参数。本文首先基于最小破碎比能原理,确定相邻滚刀协同破岩时的合理刀间距,以压头侵入载荷与侵入深度的关系曲线为基础,提出单刀法向推力和贯入度计算模型,依据岩石破碎角几何关系计算不同贯入度下的最优刀间距,总结提出TBM正滚刀刀间距设计方法。结合某工程实例,计算查找TBM在不同岩体中高效运行的贯入度区间和最优刀间距,设计结果与经验取值接近。该方法可用于类似TBM滚刀刀间距设计。     

盾构施工参数对地表沉降的因素敏感性分析

依托北京地铁8号线某区间盾构隧道工程,首先从盾构施工参数的关联性进行分析,选取4个相对独立的施工参数。之后采用灰色关联分析方法,对盾构施工条件下引起的地表沉降进行因素敏感性分析。分析结果表明,各施工参数对地表沉降的敏感性从大到小依次为土仓压力、同步注浆量、刀盘扭矩、同步注浆压力,以期对未来类似工程盾构施工参数优化和沉降控制研究提供借鉴。     

球型镶齿滚刀参数对破岩比能影响性研究

研究球型镶齿滚刀破岩过程中刀盘转速、钻压、镶齿数、刀盘间距以及贯入度5种因素对破岩比能的影响,利用ABAQUS有限元计算软件,建立双排滚刀直线切割围岩的动力显式模型;基于正交试验法,设置五因素四水平正交试验L16(4~5),通过极差分析和方差分析找出不同因素变化对破岩比能的影响规律,并对比分析最优组合和最不利工况下滚刀滚动力和破岩效果。研究结果表明:影响滚刀破岩比能因素的主次顺序依次是钻压、刀盘排距、转速、刀齿数和贯入度;适用于中风化凝灰岩互层的钻具参数为转速12.56 m/s,钻压25 kN,刀齿数34个,刀盘排距35 mm,贯入度1 mm,此时的破岩比能为0.382 8 MJ/m~3,优化效果较好。     

高磨蚀复合地层盾构刀盘受力分析与计算

盾构在复合地层中施工,经常会遇到盾构姿态难以控制、刀盘刀具异常或过量磨损、刀盘变形与开裂等问题,目前是盾构施工一大难题。针对芜湖过江隧道其中一段软硬复合地层的工程地质特点,将其在盾构掘进断面内的地层简化为上软下硬的二元地层结构,对刀盘受力公式进行推导并建立刀盘受力计算模型,基于LabVIEW编制盾构刀盘受力计算程序。该程序可以计算盾构机在复合地层掘进过程中的刀盘有效推力、有效扭矩、倾覆力矩和不平衡力及它们的变化情况。最后实例计算,得出刀盘受力和力矩随软岩比、刀盘转角和贯入度的变化规律,解释了盾构在复合地层施工难题的原因,为其提供依据。     

复合地层下盾构掘进速度与掘进参数匹配关系研究

在盾构隧道施工过程中,为了有效提高掘进效率、保持开挖面稳定、减少刀具磨损,需根据实际地质情况,正确选择合适的掘进参数。文章以穗莞深城际轨道交通线隧道工程为背景,针对隧道工程所处复合地质的特点,采集并分析掘进参数,得到复合地层条件下掘进速度的非线性模型,进而分析得出在复合地层中掘进速度与掘进参数的相关性。研究结果表明,在复合地层中,掘进速度与总推力、贯入度、刀盘转速、刀盘扭矩之间存在非线性关系,且掘进速度与总推力、贯入度和刀盘转速成正比例关系;复合地层软土掘进建议采用低转速小推力组合,在复合地层软岩掘进中建议采用高转速大推力组合。研究结果可为复合地层下盾构掘进参数的设定提供参考,具有重要的工程价值。     

TM614PMX土压平衡盾构机穿越城市浅埋石砌三联拱桥施工技术

西安市地铁1号线一期工程土建7标段玉—洒盾构区间主要风险点为穿越市区玉祥门外浅埋石砌三联拱桥,盾构穿越前对穿越的石砌三联拱桥进行三维建模计算,采用必要的加固措施以及设置试验段掘进并优化施工参数。编制专项施工方案并邀请专家对方案进行会审、把关。穿越期间采取有效控制土仓压力、刀盘转速、刀盘扭矩、调整注浆压力、加大注浆量和盾尾油脂用量、及时进行同步注浆和二次补浆、加强桥基沉降监测频率等技术措施,确保了玉—洒盾构区间安全顺利地穿越了浅埋石砌三联拱桥。     

北京地铁无水砂卵石地层盾构施工技术难点及施工对策研究

针对土压平衡盾构在砂卵石地层掘进中经常出现土压建立困难,刀盘推力与扭矩大且磨损严重,经常出现刀盘"卡死"、螺旋输送机磨损严重及抱死现象,采取对土体进行塑流化改良、刀盘改造及刀具优化、调整注浆配比等措施,很好地控制了地面沉降,确保了该区间的顺利贯通。     

富水弱胶结大粒径砂卵石地层盾构施工技术

兰州地区富水弱胶结砂卵石地层中修建的第一条盾构法隧道工程,施工中遇到许多技术难题,如掘削面前方大粒径卵石难以有效破碎;掘削面平衡土压力难以建立与欠压掘进;渣土改良效果较差与螺旋机喷涌;地层超挖明显、隧道上方地层出现空腔以及地表沉降现象难以控制等。针对以上问题进行深入分析,发现弱胶结砂卵石地层中高强度大粒径卵石的存在与渣土改良效果难以保证是导致盾构掘进困难、地层超挖与沉陷的主要原因,从施工技术角度提出了相应的应对措施,如加大盾构机额定扭矩和总推力,确保在有足够动力的前提下,适当减少滚刀数量,同时增加贝壳刀与撕裂刀的数量。从施工技术角度提出相应措施,可为今后类似工程提供参考。     

红砂岩-卵石复合地层刀盘卡停分析及对策

富水红砂岩与大粒径砂卵石复合地层其骨架效应显著,且大粒径漂石随机分布,极易导致盾构施工过程中出现刀盘卡停等故障。本文以兰州2号线公定区间盾构刀盘卡死故障为例,结合工程实际分别从水文地质条件、盾构机性能、刀盘布局等方面分析刀盘卡死原因,并针对性提出渣土改良、盾构机自身减负及消除围岩对刀盘握裹力等技术处理措施,成功解决了红砂岩与大粒径砂卵石复合地层中盾构机卡顿问题,避免了进仓或地面加固后处理工序,实现了工期及成本效益双丰收,对同类型工程具有重要参考价值。     

黏土中圆形低真空隧道管片结构内力分布及其影响因素

针对盾构隧道管片结构在不同环境下的受力性能,建立基于修正惯用法的力学模型,推导出圆形低真空隧道管片结构内力的解析解;以武汉黏土作为模拟地层,分别采用修正剑桥模型和弹簧模型,模拟分析圆形低真空隧道结构的内力分布;在获得解析解和2种数值解的基础上,对比分析特定工况下3种方法得到的隧道管片结构内力分布,探讨真空力、弯曲刚度有...     

盾构推进过程中刀盘前方土体变形与应力特征研究

盾构法是城市地铁隧道施工的主要工法之一。盾构推进过程中不可避免地引起掌子面土体扰动,进而对盾构前方土体的稳定性产生较大影响,而目前对于盾构推进引起前方土体的位移与应力的研究较少。利用Mindlin解,基于盾构受力特点建立力学模型,推导掌子面前方地层变形与应力计算公式,并将工程实测值与理论计算值进行对比分析,得出盾构推进引起土体位移和应力的影响范围及影响程度。结果表明,掌子面前方土体变形主要受盾壳与土体之间的摩擦力影响,正面推力附加应力引起的变形较小,盾构推进对前方土体的应力主要由摩擦力引起。研究结果可为盾构现场施工控制提供理论和计算依据。     

加筋土挡墙工作机理的室内试验研究

通过室内加筋土挡墙模型试验对墙面土压力及筋条拉力的测试，探讨了加筋土挡墙的工作机理。结果表明，加筋土挡墙墙面板上所受的土压力并不是传统的“主动土压力”，在一定的国筋率及加筋长度条件下，墙面板的侧向变形能有效减小墙面板土压力，有可能实现“零土压力”。     

隧道管片试验装置 被动土压力模拟系统研究

隧道管片整环试验加载装置用于模拟管片在土体中的受力,所施加荷载通常采用静态加载,均不考虑因管片变形而产生的被动土压力。为了更好地模拟实际工况,在原有试验装置的基础上,增加了被动土压力模拟系统。试验中通过激光传感器实时测量管片形变量,并依据该形变量在液压闭环系统中完成试验荷载的实时调整,以模拟管片变形后产生的动土压力对管片结构受力的影响。试验结果表明,该系统很好的模拟出管片变形后对土体挤压产生的被动土压力,在本装置及其控制方法下,试验所需的加载压力稳态误差不超过千分之五,更精确地反应出管片的实际受力状态。     

New analysis method of seismic passive earth pressure and its distribution on a retaining wallEI北大核心

Research purposes: At present, the analysis methods about seismic passive earth pressure and its distribution have several defects, including unreasonable distribution rule and position, complex derivation, harsh application conditions and so on. The seismic passive earth pressure problem is translated into non-seismic passive earth pressure problem in this paper by using the transform method with rotating calculation model of retaining wall. This method has large reference value to simplify the calculation process of seismic passive earth pressure and its distribution. Research conclusions: Based on the non-seismic passive earth pressure formulations with horizontal slices analysis method, the analytical formulas of seismic passive earth pressure intensity distribution, resultant force of earth pressure and its point position are obtained directly, and the explicit solution of critical rupture angle is got by graphic method. The influencing factors including horizontal and vertical seismic accelerations, different angle of wall back, cohesion and external friction angle between filler and back of retaining wall, equispaced overloading are considered. The formulas can be used for seismic passive earth pressure calculations of cohesive soil with common border condition. The deducing process of seismic passive earth pressure formulations is simplified and unified greatly by using the method in this paper. The seismic passive earth pressure theory is perfected much more. The research results can be applied to do fast computation about seismic passive earth pressure of retaining wall.     

基于颗粒流的高填黄土减载明洞土拱效应分析

实际工程表明,在高填方明洞顶部铺设EPS板可以明显降低洞顶竖向土压力,然而,铺设EPS板会将明洞上方的土体荷载向其两侧土体转移,导致其侧墙所受水平土压力及弯矩增大。为了进一步减小明洞受力,提出一种新型减载明洞体系,利用颗粒流软件建立相应数值模型,从竖向、水平土压力、颗粒竖向位移、颗粒间接触力和孔隙率等细观层面研究该减载明洞的荷载传递机制。此外,基于该减载体系,分析EPS板距拱顶位置、宽度和填土压实度对明洞土拱效应的影响。研究结果表明:该减载体系可以扩大土拱效应的影响范围,同时减小洞顶与洞侧土压力;土拱效应的发展与洞顶土体孔隙率的变化相关,孔隙率随EPS板距拱顶距离的增加逐渐减小,土拱效应逐渐减弱,洞顶土压力逐渐增大;随EPS板宽度的增加先增大后减小,当EPS板宽度W=1.5D时,孔隙率达到最大值,土拱效应最强,洞顶荷载分布最少;填土压实度越大,柱土应力比越大,洞顶土压力越小。