土压平衡盾构施工模块化分步缩尺模型试验设计与应用

为提高对盾构施工相关问题试验研究的针对性，提出了土压平衡盾构施工模块化分步缩尺模型试验方法，并设计了模型试验相关装置；为避免多个关键影响因素相互影响，将盾构隧道施工过程中开挖掘进、管片拼装、同步注浆等关键操作环节分开依次进行模拟；为降低刀盘开口率试验研究相关成本，研制了几何相似比为1∶10且刀盘开口率可调的模型盾构机；为确保模型盾构隧道的纵、横向刚度相似性，设计了几何相似比为1∶10且纵、横向刚度可分别按需设置的模型盾构隧道，其管片环采用修正匀质圆环模型，管片环之间采用垫有压缩弹簧的螺栓连接；为方便试验并节省成本，模型盾构隧道采用外部拼装后再放入钢套筒内，以避免在狭小空间内进行管片拼装，且不加工管片拼装机；为实现注浆压力与注浆量的精准控制，设计了适用于室内模型试验的恒压同步注浆装置；利用模型盾构机开展了掘进施工过程中渣土输出控制对地表沉降影响的试验研究。分析结果表明：单位掘进距离的渣土输出量直接关系到盾构掘进过程中的超挖控制，从而影响地表沉降，当出土率小于1时，出土率变化对地表沉降影响较小，当出土率大于1时，出土率增大将显著加大地表沉降。为了最大程度地发挥整个模型试验的科研价值，在盾构...     

地铁隧道盾构施工泡沫剂应用效能分析

加注泡沫剂是土压平衡盾构机隧道施工的一种辅助工具,通过向盾构机开挖面、密封土舱、螺旋输送机内注入泡沫,达到稳定开挖面土体、改良土体塑流性能、降低刀盘扭矩、提高掘进速度和出土效率的目的。比较分析了添加泡沫剂前后的掘进参数,结果表明,泡沫剂可以改良土体的性能,提高掘进质量,因此泡沫剂具有广阔的应用前景。     

盾构隧道下穿海底粘土地层快速施工技术

盾构法修建的隧道粘土含量较高时,采用一般掘进方法,会造成刀盘开口堵塞,影响掘进速度.以台山核电取水隧洞为例,通过工程类比、现场试验和施工实践,重点概括和提炼总结了海底隧洞粘土地层盾构快速掘进施工技术：①改进刀具、增大刀盘开口率;②调整转速和掘进参数降低地层扰动,适应快速掘进;③控制泥浆保证循环顺畅,同时达到绿色环保的作用;④控制掘进姿态以保证隧洞线型.以上措施的采用,保证了隧道安全、顺利掘进.     

考虑盾构下穿施工影响的桩板结构参数优化研究

为研究盾构隧道施工扰动对上跨桩板结构的影响,以厦门地铁4号线浅埋盾构开挖段为背景,利用数值方法建立软土地层中盾构动态开挖模型,结合现场实测,总结了桩板结构各部件在盾构扰动作用下的变形响应,进一步分析了结构参数优化在抵抗扰动变形方面的效果。结果表明:桩身水平变形随盾构开挖逐渐增大,刀盘驶过目标桩1.0D时达到最大值,随后因地层损失出现变形回弹;在刀盘到达目标断面前后,盖板竖向变形表现为先隆起后沉降,并在开挖空间上方出现沉降槽,刀盘驶过断面2.0D时,结构变形保持稳定;桩长不变,适量增加桩径、缩小桩间距,可减小桩身变形量,增加桩长将有效降低桩端变形,从而使整体变形得到控制;盖板厚度增大时,可起到降低其竖向变形的作用。     

漂石地层土压平衡盾构掘进速度模型研究

目前针对漂石地层土压平衡盾构的掘进速度模型研究比较少。借助成都地铁某区间盾构隧道工程,根据现场施工实测数据,利用统计分析、模型回归等方法分析了参数间的相关性,并依据掘进速度与其他参数间的关系建立了成都漂石地层中的掘进速度模型。研究结果表明:在成都漂石地层中,影响掘进速度最大的因素依次是贯入度、刀盘转速;掘进速度和刀盘转速、贯入度、螺旋机转速成正比,与总推力、土仓压力正反比;掘进速度与扭矩不是简单的线性关系,扭矩在一定范围时,掘进速度缓慢增加,当扭矩大于一定值后,掘进速度随着扭矩的增大而减小。这些关系对漂石地层土压平衡盾构的参数选择和匹配有重要的指导意义,所建立的模型可为盾构掘进参数的优化、预测和控制提供依据。     

盾构刀盘数字化集成设计研究

传统方式对复杂的盾构刀盘参数化模型进行结构分析与优化时,需要大量的手动干预,整个分析过程冗繁且效率低下。针对这一缺陷,提出刀盘结构参数化设计和自动分析与优化的方法。基于参数化盾构刀盘建模系统,通过建立简化规则和评判标准,自动实现盾构刀盘参数化模型简化;应用二次开发原理与数据库技术,开发SolidWorks与ANSYS之间的通用化信息接口,实现参数化设计和有限元分析一体化的功能。算例运行表明:通过输入关键参数,所开发的试验系统不仅可完成整个盾构刀盘的结构设计,而且还能实现其模型的结构分析与结构优化,极大地减少了产品设计和优化的工作量,缩短了其研发周期。     

不同性质黏性土对泥浆渣土输送能力影响研究

依托泥水盾构机排浆工序原理,设计了一种测量泥浆渣土输送能力的试验装置,以泥浆管道流量作为评价泥浆渣土输送能力的指标,对泥浆中不同类型黏性土的含量、输送距离和泥浆性能对泥浆渣土输送能力的影响进行研究.研究结果表明:泥浆的渣土输送能力随着黏性土含量、输送距离、泥浆黏度和比重的增大而减弱,并且相同材料配比下,黏土泥浆的输送能力＞混合泥浆的＞膨润土泥浆的;管道流量随着输送距离的增加,膨润土泥浆的减小幅度＞混合泥浆的＞黏土泥浆的,泥浆黏度相较比重的增大对降低泥浆管道流量的作用效果更为明显.该结果可为泥水盾构实际施工泥浆性能参数的选择提供参考.     

盾构开挖引起邻近单桩水平向变形解析研究

为了探索邻近桩基在盾构开挖下水平变形规律，提出了一种邻近桩基水平向受力变形响应的解析方法。首先，基于Loganathan公式获得周围土体在隧道开挖影响下的自由位移，将既有桩基简化成欧拉梁，桩-土相互作用采用Kerr地基模型，建立既有桩基水平向受力平衡方程，从而获得单桩水平变形解析解。通过与有限元GEPAN数据对比，验证了该方法的合理性；与既有的理论解析对比，该方法更贴近有限元GEPAN数据。参数分析表明：增大盾构隧道埋深会致使桩基水平向最大变形位置深度增大，同时会引起桩身最大位移增大；桩基水平向变形响应会随着地层损失比增加而逐渐增大；桩基水平向位移会随着桩基与隧道水平距离的增大而减小，但桩身产生最大水平位移处埋深会随之减小。     

富水砂卵石地层盾构刀具磨损原因及改进

为研究盾构机掘进砂卵石地层时刀具的磨损机理,以福州某地铁盾构施工为例,分析原施工方案存在的问题及引起盾构刀具过度磨损的原因。为改善土壤性能,在每m~3渣土中分别添加150 L泥浆和350 L泡沫;采用辐条式刀盘代替原面板式刀盘;采用主、副切削刀,主超前刀,鱼尾刀,盘圈贝型刀,周边刮刀等刀具,并优化刀具在刀盘上的布置。测量计算刀具磨损量及磨损系数,分析土压平衡盾构穿越富水砂卵石地层段的刀具磨损量与切削轨迹的关系。分析表明:优化后刀具的平均磨损系数由0.565 mm/km降至0.013 mm/km,优化后的方案能有效减小盾构刀具在富水砂卵石地层中的过快磨损,显著延长刀具使用寿命,有效提高土压平衡盾构机的施工效率。     

富水卵漂石地层土压平衡盾构施工参数研究

针对富水卵漂石地层土压平衡盾构(EPBS)施工出土控制困难、掘进效率低问题,依托成都地铁某盾构隧道区间的现场实验段,对富水卵漂石地层中土压平衡盾构的实测关键施工参数进行了统计分析,并探索了与地层相适应的掘进参数以及提高掘进效率的途径。研究参数包括:出土量、土舱压力、贯入度、掘进速度等,研究结果表明:虽然富水卵漂石地层中的土压平衡盾构掘进易超出土,但通过适当减少土舱压力和增大贯入度能够减少超出土量,盾构法适用于该地层;改善地层可掘削性能和适当降低土舱压力是提高掘进速度有效方法,而增大总推力可能导致掘进速度下降。     

适合切削钢筋混凝土桩的软土盾构刀盘刀具改造

以苏州轨道交通2号线盾构机全断面掘进切削广济桥群桩项目为背景,对盾构机切削穿越群桩的性能需求进行分析,通过盾构三种刀具切削桩基钢筋的优缺点对比,提出以贝壳刀为先行刀的盾构刀盘刀具的初步选型配置。根据盾构切桩试验结果分析,对刀盘刀具配置进行优化,从施工可实施性及方便性的角度,提出通过垫高某些轨迹先行贝壳刀,形成间距较大的超前切削轨迹,并提出了分次切筋的切削理念,利用混凝土握裹力,实现桩基钢筋分段先行切断的盾构刀盘刀具配置技术。实践证明,该技术方案合理可行。     

一种新型EPB渣土改良相似模型试验系统及功能验证

基于对国内外EPB渣土改良的研究现状以及室内试验方法的总结与分析,指出不同试验方法的局限性;研发了一种新型渣土改良相似模型试验系统——EPB渣土改良试验系统。系统集合了泡沫发生、盾构掘进、螺旋输送机输出等功能,可实现地层重塑、盾构掘进过程模拟、切土及土仓渣土搅拌;可将泡沫改良剂按设计配比加入土仓并搅拌,判断改良土体对掘进参数的影响;可模拟敞开式、半土压平衡式、土压平衡式、过压掘进模式等4种状态EPB盾构掘进;可模拟螺旋输送机出土过程及土塞效应实现过程。通过"盾构掘进模拟"和"渣土改良试验"等功能试验,验证了该试验系统各功能的准确性和可靠性。系统为研究EPB渣土改良优化配比及效果评价提供了新手段,可为大直径土压平衡盾构施工、特殊地层下盾构控制技术等条件下渣土改良提供可靠的施工参数,指导施工。     

水平往复大位移作用下整体桥台后土压力计算方法

为研究强震和温度作用下，整体桥台产生的水平往复大位移对桥台与台后填土相互作用的影响，进行了整体桥台-H形钢桩-土相互作用拟静力试验，并基于试验结果研究了大位移作用下整体桥台后土压力的分布规律；根据台后土压力分布，提出了台后土压力合力作用点位置与加载位移之间的关系式，并在现有研究的基础上给出了改进的整体桥台后土压力计算方法。研究结果表明:正向加载(桥台挤压台后土)时，台后各处土压力随加载位移的增加先增大后减小；台背处和台后20%桥台高度处土压力受桥台位移的影响更大，沿深度方向呈梯形分布；台背处土压力分布中，由于台底H形钢桩的约束，最大土压力位于入土深度0.875 m处，台底位置的土压力则略有减小；台后60%桥台高度和1.4倍桥台高度处土压力受桥台位移影响较小，沿深度方向呈三角形分布；负向加载(桥台背离台后土)时，台后土压力沿深度方向呈三角形分布，且台后各处土压力与加载位移不相关，其值相对于正向加载时可忽略；水平往复大位移作用下，整体桥台后土会产生脱空现象，脱空范围超过桥台高度的37.5%；台后土压力沿纵桥向呈指数型衰减，且相比小位移作用下衰减得更快；台后土压力合力作用点位置随加载位移的增大而逐渐降低，且台后土压力系数与加载位移具有明显的非线性关系，呈现先增大后减小的规律；现有土压力计算方法未考虑桥台位移的影响或认为台后土压力在桥台发生小位移时随桥台位移的增大而增大，发生大位移时则基本不变；提出的土压力拟合公式的判定系数为0.92，计算值与试验值的相对误差为6.2%，可作为现有土压力计算方法的有益补充。      

油介质钢-BFPC结合面的热特性分析

为了研究钢和玄武岩纤维树脂混凝土（BFPC）组成的结合面在油介质条件下的热特性，首先，利用离散原理来计算钢-BFPC结合面的实际接触面积，由于结合面接触时本质上是微凸体接触，微凸体会受到挤压形成挤压应力不同的面积区域，故进一步考虑接触比重，提高实际接触面积结果的精确性；然后，根据结合面的形貌特征，结合傅里叶定律分析油介质条件下钢-BFPC结合面的传热机理；最后，分别通过理论计算和实验研究分析不同载荷（0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa）对结合面热特性参数的影响.研究结果表明：接触热阻随着载荷增大而减小，传热系数和导热系数随着载荷增大而增大，不同载荷下，理论计算与实验计算的接触热阻误差分别为6.40%、6.18%、5.85%、4.61%、3.73%，接触热阻的误差随着载荷增大而减小.     

上下臂杆直径对高速受电弓气动抬升力的影响

建立了7种不同直径上臂杆和7种不同直径下臂杆的受电弓模型，对受电弓进行空气动力学数值模拟计算，采用多体动力学方法计算了受电弓的气动抬升力，从气动力及流场特性的角度研究了受电弓上下臂杆直径对受电弓气动性能、气动抬升力的影响规律。研究结果表明:开口运行工况上臂杆气动升力和受电弓气动抬升力都随着上臂杆直径增加而增大，随着下臂杆直径增大而减小，但下臂杆直径对受电弓气动抬升力的影响较小；闭口运行工况上臂杆气动升力和受电弓气动抬升力都随着上臂杆直径增大而减小，随着下臂杆直径增加而增大；开闭口运行工况上臂杆主体杆件气动阻力仅为上臂杆气动阻力的3%~10%，气动升力为上臂杆气动升力的26%~55%，下臂杆主体杆件气动阻力为下臂杆气动阻力的10%~25%，气动升力为下臂杆气动升力的43%~68%，直径的改变对上下臂杆气动升力的影响较大，对气动阻力的影响较小；闭口运行工况上下臂杆气动阻力的绝对值都大于开口运行工况。      

地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算

采用三维有限元法对南京地铁区间盾构隧道管片接头的受力情况进行了数值模拟计算，研究了不同荷载作用下管片接头的变形、转角和抗弯刚度，探讨了接头转角和抗弯刚度的变化规律；通过转角、弯矩和轴力关系的拟合为接头抗弯刚度的确定提供了新的途径．数值计算结果表明，管片接头抗弯刚度随轴力增大而增大，随弯矩增大迅速减小并逐渐趋于稳定；轴力对抗弯刚度的影响随弯矩的增大而减小。     

软硬不均地层盾构施工泡沫剂使用分析

以南京地铁三号线秣周路站～明挖岔线段盾构区间施工为背景,当盾构处于软硬不均淤泥质地层中时,通过分析泡沫剂的比例、推进速度、刀盘扭矩、油缸总推力、土仓压力等重要参数的变化趋势,摸索总结出不同地质条件下与之相适应的泡沫剂使用变化规律,最大程度地保证盾构的正常推进。     

钢轨铣磨车60D廓形刀盘设计和验证研究

钢轨铣磨是一种有效修复钢轨廓形、消除轨面伤损的作业方法。铣磨对钢轨廓形的修复是通过将刀粒根据目标钢轨廓形排列在刀盘上,再由铣磨车驱动刀盘沿轨面纵向铣削来实现的。钢轨铣磨的廓形依赖于铣磨刀盘上刀粒的排列布局。根据逆向工程设计原理,采用3D扫描技术还原铣磨车刀盘及其刀粒组合特征;结合钢轨打磨60D设计廓形对刀粒在刀盘上的布局进行调整;之后对该刀粒布局与60D廓形的贴合度进行验证。对设计的60D廓形刀盘进行现场测试,结果显示该刀盘铣磨效果较好,轨头顶部-10°～+10°单次铣磨量在1 mm左右,铣磨误差小于0.3 mm。     

中俄原油管道地基土冻融及热学性质试验研究

中俄原油管道是我国能源战略通道之一，管道穿越大兴安岭多年冻土区，工程地质条件十分复杂，尤其是在伊勒呼里山附近，冻胀和融沉严重影响了管道的正常运营. 为了研究伊勒呼里山附近多年冻土的冻融性质与热学性质，对该区段内的冻土进行冻胀、融沉及导热系数试验，并对试验数据进行回归分析与影响因素分析. 研究结果表明:细粒土塑性指数小于10时，冻胀率不一定随初始含水量的增加而增加，在研究区域内进行管道垫层施工或挖填材料选择时应选用砂砾或碎石，并做好防排水措施；融沉系数随含水量的增加而增大，随干密度的增加而减小，其中粉土对融沉作用十分敏感，不适合作为管道地基，而细砾才是最佳的冻土地基；导热系数分别随总含水量和干密度的增大而增大，其中粗粒土的导热系数大于细粒土，而冻土的导热系数则比融土的高；当含水量小于10%时，融土的导热系数则高于冻土. 不同试验方法所得的结果也具有显著的差异，粗粒土扰动样的导热系数宜采用热流计法测量，细粒土扰动样的导热系数宜采用热线法测量，而原状样的导热系数宜采用比较法测量.      

泡沫轻质土在高速公路扩建工程中的应用研究

以京沪高速公路沂淮淮江段扩建工程泡沫轻质土路基施工为背景，对掺入不同比例矿粉泡沫轻质土的湿密度、抗压强度、标准沉降率等性能进行研究，并在相同填筑高度情况下与常规填土路段的展开工后沉降对比。结论如下：泡沫轻质土的流值随着水胶比的增大而增大，其抗压强度随着矿粉掺量的增加而减小；采用泡沫轻质土施工的路段，其工后沉降量为普通填土路段的60%。