超高水压越江海长大盾构隧道工程安全

随着中国交通建设和城市建设的迅猛发展,越江跨海盾构隧道工程大量增加,而且工程规模(隧道的直径和长度等)和水压条件也在增加。现阶段,仍未明确定义高水压,但一般以0.5 MPa作为高水压的分界线。近期,中国在长江、黄河以及珠江等所建设的高铁、公路以及地铁等盾构隧道工程水压均超过了0.5 MPa,正在筹划建设的琼州海峡隧道等水压更大,将高达2.0 MPa,面临巨大挑战。为此,国家决定针对超高水压(2.0 MPa)越江海长大盾构隧道工程安全问题展开“九七三”计划基础研究。研究采用理论分析、物理试验(室内、室外试验和模型试验)、数值模拟分析和监控测量等多种手段,针对其中涉及的多元、多相和多场耦合物理本质,对高水压水土与结构静动相互作用机理、盾构掘进中的动静力学机理、隧道结构特性及防水特性动态演化机理等核心问题进行深入系统的基础研究,提出了高水压下考虑渗流条件下的水土荷载计算理论和深水盾构隧道地震分析方法,建立了“机-土”动态作用力学模型,提出了盾构姿态、刀具磨损、开挖面稳定和高压成膜及闭气控制方法,提出了高水压大直径盾构隧道衬砌结构设计理论和高水压盾构隧道接缝长期防水安全与监控技术,最终形成超高水压越江海长大盾构隧道工程安全控制理论体系。为确保超高水压越江海长大盾构隧道工程安全提供设计理论依据,为实现大直径泥水盾构在超高水压等复杂条件下安全长距离施工提供理论支持。     

?12 m级泥水盾构刀盘的载荷转矩计算及力学性能分析

为研究某盾构隧道?12 m级大直径泥水盾构刀盘设计的合理性以及对高水压密实砂层施工的适应性,结合大直径泥水盾构的特点以及以密实砂层为主的地层条件,提出考虑土压力与刀具贯入阻力、忽略砂土间的黏聚力的刀具载荷计算修正模型,综合考虑刀盘结构及其背部泥水压力对刀盘载荷及转矩的影响,获得刀盘的输入载荷和转矩。利用ANSYS软件,建立大直径泥水盾构掘进的仿真分析模型,对泥水盾构正常掘进、偏载以及脱困3种工况进行有限元分析。结果表明:偏载工况下,刀盘的应力和变形最大,最大应力出现在刀盘下半部的主臂支撑筋板与法兰连接处,达到128.46 MPa;最大变形出现在刀盘边缘处,达到2.85 mm,刀盘性能满足设计要求。     

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。     

软岩地层泥水盾构掘进刀盘堵塞现象研究

软岩地层(黏性矿物含量高)泥水盾构掘进刀盘堵塞现象(刀盘结泥饼)时有发生,不仅影响施工进度和质量,而且开舱处理风险较大,可能会导致人身伤亡或工程事故.为了探明刀盘堵塞现象及其影响因素,实现对刀盘堵塞的有效预防和治理,研发了一套软岩地层泥水盾构掘进模型试验装置.在自行设计、制作的模型试验平台上,选用以膨润土、高岭土、石英...     

武汉长江隧道工程施工技术

武汉长江公路隧道是在建采用盾构法穿越长江的隧道中第一条贯通的隧道,通过对盾构重难点分析研究,明确了施工重点控制环节。通过盾构始发、不同地层掘进、盾构到达施工实践,总结出在特定地层和高水压条件下采用泥水盾构修建隧道的施工技术及特殊情况下的技术措施,为泥水盾构施工积累了宝贵的经验.     

大直径泥水盾构穿越长江冲槽高效施工关键技术

苏通GIL综合管廊工程采用大直径泥水平衡盾构施工.盾构隧道下穿长江深槽,最大水土压力0.98 MPa、最小覆土厚度不足17.4 m,是目前中国国内埋深最大、水土压力最高的电力越江隧道.该文针对长距离越江隧道下穿冲槽区的施工难点,对大直径泥水平衡盾构的掘进参数控制、盾构姿态调整、泥水循环管理、同步注浆控制、盾尾密封方案等关键施工技术进行了系统阐述,可为后续类似地质条件下大直径长距离电力越江隧道高效施工提供借鉴和参考.     

高水压下泥水盾构掘进技术

介绍在高水压下泥水盾构掘进施工的难点和应采取的技术措施。     

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.     

南水北调中线工程潮河段隧洞盾构选型设计研究

针对南水北调中线总干渠潮河段隧洞工程的水文地质和工程地质条件,结合隧道结构、管片形式和施工特点,从土压平衡盾构和泥水平衡盾构的掘进机理及对不同地层的适应性进行分析。根据2种盾构的工作状况、出渣设备、施工场地、经济性、环境影响等多方面特点,对土压平衡盾构和泥水平衡盾构进行综合比较,提出适用于潮河段隧洞工程施工用的盾构机型。     

南京纬三路过江通道泥水处理及全线路废弃土再利用技术

利用泥水盾构修建隧道不可避免地会产生大量泥浆和废弃土,如何经济环保地进行泥浆和废弃土处理成为工程面临的一大难题。以南京纬三路过江通道工程为背景,针对该地质条件下泥水处理的难点,通过合理的泥水场地布置和设备选型,并采用针对不同地层的配浆试验、分离设备的选择性使用等措施,实现了泥浆的高效、高质供给,确保了工程顺利实施;根据泥水盾构前后掘进所穿越地质条件的差异,通过废弃黏土和废弃黏土泥浆配制盾构掘进用泥浆、废弃粉细砂用作壁后注浆材料以及废弃卵砾石和碎岩用于混凝土骨料等技术,实现了全线路废弃土的再利用,不仅具有极大的经济效益,还解决了废弃土带来的占地、污染等环境问题,为泥水盾构全线路施工中泥水处理和废弃土再利用提供了新思路。     

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%。     

泥水盾构隧道开挖面被动破坏研究进展

泥水盾构施工过程中,压力舱内泥浆压力梯度很难与地层土水压力梯度保持一致,尤其是大断面时,其顶部泥浆压力显著大于地层土水压力,致使开挖面面临严峻的被动破坏风险,因此有必要对盾构隧道开挖面被动破坏的研究进展进行总结和分析,指出泥水盾构砂土地层开挖面被动破坏研究中存在的问题。从极限分析法等理论研究、数值模拟及模型试验3个方面总结盾构隧道开挖面被动破坏研究进展,并分析研究中存在的问题。主要结论如下： 1）目前缺少砂土地层中泥浆冲破泥膜、发生劈裂破坏及其对开挖面稳定性影响的相关研究; 2）受到试验条件的限制,尚未开展大直径开挖面被动破坏,尤其是气压支护-带压开舱等危险工况下开挖面稳定的离心模型试验; 3）离心模型试验采用刚性板模拟盾构开挖面,与土体实际的受力和变形情况存在较大的差异。最后,对今后的主要研究方向提出建议。     

全断面卵石地层泥水盾构环流系统针对性优化设计及应用

为解决泥水盾构在全断面卵石地层掘进时环流系统的堵塞滞排问题，结合洛阳地铁2号线博物馆站—九都西路站盾构区间泥水盾构全断面卵石地层中施工穿越洛河工程，提出一种并联式采石箱设计方案。先后进行普通并联式采石箱、串联采石箱、新型格栅滚筒式采石箱及直通管道自落式旁通采石方案等应用研究，并开展工业性试验，逐步总结方案并优化完善。结果表明： 1）直通管道自落式旁通采石方案，可以较好地解决泥水盾构在卵石含量高、卵石粒径大的地层中掘进时的管路滞排问题，大大提高掘进效率； 2）新型格栅滚筒式采石箱若能解决滚筒卡顿的问题，也能较好地处理类似工况； 3）对于新制造盾构，建议采用优化的新型格栅滚筒式采石箱方案，理论上该方案应更加高效。     

广深港客运专线狮子洋隧道泥水盾构泥浆综合管理技术

泥水盾构在穿越软弱不良工程地质及有高压涌水风险的地层施工过程中,确保泥浆系统高效运转、达到盾构快速掘进是当前泥水盾构施工面临的重要课题之一。介绍狮子洋隧道泥浆管理过程中泥浆配制、泥浆循环及泥水处理技术,并对盾构穿越特殊地层的泥浆管理技术进行总结。主要结论与建议如下:1)泥浆材料种类繁多,需要考虑经济因素及地层条件,合理选择泥浆配置主要材料及外加剂;2)泥水盾构穿越复杂地层时泥浆的各项性能指标必须根据地层变化情况及时进行调整;3)进一步开展泥浆黏粒含量、失水量及胶体率等参数现场快速测定试验研究。     

盾构水平姿态的理论分析模型

为解决盾构施工水平姿态控制难题，针对隧道掘进姿态调整主要依赖于经验关系和人为控制，而相关的理论分析较为欠缺的现状，基于二维盾体结构提出一种力学与水平姿态理论分析模型。在综合考虑地层参数、油缸推进力、地层反力、现场施工措施的基础上，将盾构姿态引入盾构水平受力平衡分析中，建立关于盾构水平姿态的理论模型。理论分析结果表明： 1）盾构姿态控制与分区压力密切相关，同时受土体刚度和总推力的影响； 2）通过与现场实测数据的对比分析，验证了理论模型的适用性； 3）该理论模型参数简单，易于验算，可实现较准确的姿态预测，为盾构姿态控制问题提供了有效的理论支撑和现实依据。     

泥水平衡盾构施工对地层孔隙水压力的扰动规律研究

为研究泥水平衡盾构施工对地层孔隙水压力的扰动规律，针对3种典型地层开展流固耦合分析，研究盾构施工期间不同阶段地层孔隙水压力的纵向和横向变化规律，提出孔隙水压力扰动比的概念并对其施工扰动的程度进行评价。研究结果表明： 1）泥水平衡盾构在经过软土地层时，孔隙水压力会有明显的下降趋势； 2）泥水平衡盾构掘进会对开挖面前方土体孔隙水压力产生不同程度的水力堆积效应，该堆积效应的产生是泥膜产生的必要条件之一； 3）不同地层中泥水平衡盾构施工对孔隙水压力造成的扰动不同，拱顶位置孔隙水压力扰动最大，拱腰次之，拱底最小； 4）施工中注浆压力的施加与孔隙水压力的扰动程度密切相关；不同地层在不同的开挖阶段横断面渗流场的分布规律和形状不同，拱顶处均表现为水流压力集中点；同时，泥水平衡盾构在施工期对孔隙水压力的扰动有残余效应。     

复合地层大直径泥水盾构滚齿刀常压更换技术研究

泥水盾构在掘进过程中,由于受到环境条件有限、地质条件差、水土压力高、地层复杂多变等多种因素的影响,如何安全高效地更换滚刀和齿刀一直是盾构施工所面临的工程难题。本文提出一种高水土压力条件下滚刀、齿刀常压更换技术,介绍该技术的工作原理和作业要点,并以武汉地铁8号线越江隧道工程为例,针对越江隧道江中段的上软下岩复合地层以及工程所面临的特有工程难点,详细阐述滚刀、齿刀常压更换技术的具体操作步骤及其技术优势。通过采用该技术,有效提高了换刀效率,降低了安全风险,确保了施工的顺利进行。     

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。