超大直径盾构在海域软土地层掘进推进系统参数控制方法研究——以汕头海湾隧道工程为例

为确保超大直径泥水盾构在海域软土地层掘进时盾构姿态满足施工需求,同时改善管片结构受力,减少管片崩角、破损的情况,结合汕头海湾隧道工程,建立盾构主机受力平衡方程,掌握在总推力一定的情况下各个分区压力、推力变化规律,分析推进系统各个分区输出不同推力时管片结构受力及变化情况,最终总结形成一种推进系统参数控制方法。利用该方法确定当总推力在50000k N左右时,分区推力的建议控制范围和优选方案。     

盾构施工阶段管片衬砌结构受力分析研究

为了解盾构管片衬砌结构的受力特性,解决盾构衬砌结构受力的数值分析难点,首先采用ANSYS分析系统对衬砌管片接头力学建立计算模型,通过模拟载荷试验确定管片接头刚度系数,进而利用销钉单元对衬砌管片按梁-弹簧计算模型进行分析,根据管片接头力学处理方式不同,与惯用计算方法和修正惯用计算方法的结果进行对比,最后对盾构在辅助油缸推力作用下管片的纵向受力进行三维模拟,对均匀施加油缸推力和偏心施加油缸推力进行分析对比,研究成果可对盾构衬砌管片设计提供依据。     

富水淤泥质软土地层盾构隧道管片受力特征研究

为研究富水淤泥质软土地层盾构隧道施工衬砌管片受力特征,依托佛山地铁2号线采用现场试验和数值模拟方法开展研究,根据地层条件现场布置3个测试断面,分别监测了管片土压力、管片轴力及管片纵向应力随推进环数的变化规律,进而采用ABAQUS数值方法建立分析模型,研究荷载条件下管片轴力和弯矩变化情况,并与现场测试结果进行对比。结果表明：①土压力随衬砌推进先急剧增大后慢慢减小,最后趋于稳定;但不同测试断面不同测点处土压力差异较大,拱顶部分受力相对较大,仰拱部分受力较小,对于富水软土盾构隧道施工以及运营应着重关注隧道拱顶部分受力,适当加强拱顶管片的强度。②随着管片拼装的进行,各管片轴力迅速增大,随着盾构进一步推进,管片轴力逐渐趋于稳定,但衬砌不同测点处轴力大小有所不同;隧道结构受力呈现不均匀状态,3个测试断面管片轴力区别较为明显,863环和887环受力相对较大,且管片受力极不均匀,875环受力较小,且受力相对均匀,875环隧道处于弱风化泥沙岩中,而863和887环均处于硬塑状黏土地层中,可见隧道施工中地层条件对隧道轴力影响较为显著。③随着推进环数的增加,不同测点处纵向应力先增大再减小,最后趋于稳定。④现场试验和数值计算所得管片内力基本接近,数值模拟能够较为真实地反映管片实际受力情况。     

φ14.87 m盾构液压推进系统分析

针对在上海市上中路隧道工程施工的φ14.87 m超大直径泥水气平衡盾构,介绍了其液压推进系统的功能、泵组控制、分区设计、单个分区的液压控制方式.结果表明:盾构液压推进系统满足了盾构总推力及速度控制要求,提高了管片拼装效率:比例减压控制策略满足了工程需要.     

Ф14．87m盾构液压推进系统分析

针对在上海市上中路隧道工程施工的Ф14．87m超大直径泥水气平衡盾构,介绍了其液压推进系统的功能、泵组控制、分区设计、单个分区的液压控制方式。结果表明：盾构液压推进系统满足了盾构总推力及速度控制要求,提高了管片拼装效率;比例减压控制策略满足了工程需要。     

类矩形盾构隧道结构整体安全性试验与分析

为研究类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的整体安全性,针对2环纵向接缝构造相同,管片配筋不同的衬砌结构进行整环足尺加载试验。试验通过30点集中荷载模拟类矩形盾构衬砌结构在意外堆载工况下的实际受力,利用位移计和电阻应变片等传感器得到类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的破坏过程、结构变形、接缝变形及螺栓应变等试验结果,对其进行分析得到了类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的破坏机理;并对比分析了2环试验结构试验结果,探究了不同管片配筋量对结构受力性能的影响。最后,从结构鲁棒性角度出发,分析了意外堆载工况下类矩形盾构隧道结构的鲁棒性指标,对类矩形盾构隧道结构整体安全性进行评价,并通过对比分析2环试验结构的鲁棒性指标,为提高类矩形盾构隧道结构整体安全性提出管片优化设计的建议。研究结果表明:类矩形盾构隧道衬砌结构的薄弱环节为管片间的纵向接缝及T块与中柱连接处;纵向接缝构造形式相同前提下,管片配筋量增加对纵向接缝受力影响不明显,不能使类矩形盾构隧道结构的鲁棒性明显提升;管片截面抗剪不足导致结构局部破坏而失去承载力不利于结构的鲁棒性,可通过优化管片本体截面的抗剪承载力提高类矩形盾构隧道结构的整体安全性。     

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。     

水下圆砾地层盾构隧道施工荷载实测及其力学响应研究

为研究水下盾构隧道穿越圆砾地层时管片结构施工期间受力的影响因素,以常德沅江越江隧道为依托,选取东线隧道水头最高位置对应的管片环,采用连续动态测量,提取管片从拼装完成至盾构远离过程中管片结构内力和地层水压力,并提取盾构施工中同步注浆压力和盾构顶推力,与管片内力数据进行对比分析,得出施工过程中影响内力变化的因素。主要结论有:1)同步注浆对管片内力的影响较为显著,且主要通过对地层水压力的影响来实现,其中,脱环后前3次注浆对管片内力影响最为显著; 2)顶推力对管片内力产生一定的影响,且主要通过对管片纵向受力的影响来实现,顶推力对内力产生负向影响; 3)管片受力稳定后,环向轴力稳定在3 700～5 000 k N,弯矩稳定在-200～200 k N·m,纵向轴力稳定在0～2 500 k N,整体呈现出轴力大、弯矩小的状态,管片健康程度较好。     

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。     

盾构区压设置不当加剧姿态偏差的原因分析

盾构施工中通过不断地调整区压控制盾构姿态，然而在实际中如果将各分区压力参数设置差距太大会发生盾构姿态偏差反而加剧的情况。结合某城市地铁下穿江河段时遇过饱和软土发生沉降的案例，说明在盾构本身出现沉降偏差时，由于区压调整参数设置不合理，导致盾构推力不均匀反而加速盾构下沉的情况，对盾构推进的区压参数设置进行对比分析，并对盾构姿态持续下沉过程进行详细描述，分析区压过度调整对盾构姿态产生不利影响的原因。根据盾构推进压力对于管片的反作用力，从力学角度分析盾构姿态的调整是盾构区压设置的调整原理，阐述盾构姿态形成的受力状态是盾构自身偏转量与成型隧道管片受力不均呈现逆向偏差的结果。二者的偏转量是相反的，当调整区压设置导致成型隧道偏转量大于盾构自身偏转量时，盾构姿态将呈现越纠越偏的现象，即为区压过度调整。该结论指出盾构施工过程中姿态调整的误区，并对盾构施工推进参数设置的合理性提出见解。     

浅埋超大直径盾构隧道千斤顶推力对衬砌管片受力变形的影响研究

为研究浅埋超大直径盾构隧道在不同千斤顶推力及偏移作用下的衬砌结构受力及变形规律，运用有限元软件ABAQUS建立考虑水土压力、盾尾刷反力、千斤顶推力的盾构隧道衬砌管片三维模型，并分析衬砌管片在盾构直行、上行、下行以及左行条件下发生偏角时的衬砌内力及变形情况。结果表明： 1）千斤顶推力对衬砌管片的影响范围主要为前8环，明显反应在前3环，且环内最大错台位置主要集中在封顶块位置附近； 2）盾构掘进方向主要影响该方向的管环位移，对垂直方向的管环位移基本无影响； 3）拱顶/拱底主要受俯仰偏角影响，不受横摆偏角作用，拱腰则对横摆偏角更为敏感，受俯仰偏角影响较小； 4）当千斤顶发生俯仰偏角时，向下偏角极易引起前几环管片的应力激增； 5）当千斤顶发生横摆偏角时，同侧偏角更易引起该侧管片的位移及应力激增。     

神东补连塔煤矿#2盾构斜井管片受力的预测分析

以鄂尔多斯市的神东补连塔煤矿#2盾构斜井为工程依托，研究了煤矿斜井结构受力的分析方法和监测手段。基于特征曲线法、普氏理论以及其他方法对该工程的土压力进行预测分析，并将各计算结果进行了比较，同时还介绍了补连塔煤矿#2盾构斜井测试断面的布置和管片的预埋传感器情况，并选取埋深270 m的试验环实测数据作分析，发现在盾构机继续推进2环后土压力值明显增加，至距盾尾8环后趋于稳定。将实测结果与各方法预估的结果对比，发现采用特征曲线法和普氏理论更适合该工程的管片受力预测分析。     

考虑纵向残余顶推力的盾构隧道纵向抗弯刚度解析算法

纵向抗弯刚度是盾构隧道的基本力学参数,其取值的合理性直接关系到盾构隧道纵向响应分析结果。针对盾构隧道纵向抗弯刚度取值未考虑环缝接头拉伸刚度与纵向残余顶推力的问题,提出了一种考虑纵向残余顶推力的盾构隧道纵向抗弯刚度解析算法。首先,通过理论分析将盾构隧道的纵向挠曲变形考虑为均质圆管的纵向挠曲变形与管片环环缝张开导致的纵向挠曲变形两部分,并由此得到了盾构隧道纵向抗弯刚度解析算法,其结果与管片材料的弹性模量、隧道外径、管片幅宽、环缝接头数量、环缝接头拉伸刚度和纵向残余顶推力等因素有关。然后,设计了可考虑环缝接头拉伸刚度与纵向残余顶推力的缩尺模型盾构隧道,并开展了纵向抗弯刚度模型试验,分别对模型隧道的纵向挠曲变形量与环缝张开变形量进行了测试。最后,通过试验数据对纵向抗弯刚度解析算法进行了验证。结果表明：模型盾构隧道实测纵向抗弯刚度与理论算法求解得到的纵向抗弯刚度基本一致;当不施加纵向残余顶推力时,随着加载的增加,盾构隧道纵向抗弯刚度总体变化不大,而当施加纵向残余顶推力时,对于相同纵向残余顶推力,盾构隧道纵向抗弯刚度随着加载的增加而减小,并逐渐趋于稳定;在盾构隧道纵向响应分析中,需要减小纵向残余顶...     

杭州环北大直径泥水盾构隧道下穿高铁桥涵的实测分析

杭州环北地下快速路隧道工程采用大直径（11.58 m）泥水平衡盾构浅覆土斜交下穿既有沪杭高铁桥涵。为确保高铁运营安全,对桥涵沉降进行监测,同时考虑盾构穿越施工阶段隧道所处的复杂环境条件,通过在管片中埋设纵向和环向钢筋应力计,对盾构施工引起的隧道纵向及环向结构响应进行全过程跟踪实测分析。监测结果表明： 桥涵最大纵向差异沉降率为0.20‰,最大横向差异沉降率为0.30‰,均在铁路安全控制标准内;在隧道穿越施工过程中,盾构总推力随盾构姿态的变化而变化,并对隧道管片受力和桥涵位移产生明显影响,其中,管片纵向轴力呈现“顶部大,底部小”的趋势,环向弯矩呈现“腰部最大,拱顶、拱底次之,两肩最小”的特点,桥涵倾斜方向也会发生变化。研究成果证明： 在大直径泥水盾构穿越施工过程中,为保障施工质量与安全,除了需要对穿越对象进行严格监控之外,对隧道本体进行监控研究也同等重要。     

盾构推进系统设计

分析了盾构推进系统的设计需要满足的功能要求,对盾构设计推力进行了详细的计算,结合盾构的结构及尺寸,确定了推进油缸的规格参数、外形尺寸和数量,分析了推进油缸的布置方式以及与管片间的匹配适应关系,阐述了盾构推进系统的控制。通过研究,掌握了盾构推进系统的设计方法,为盾构的施工提供参考。     

一种适应2种分度管片的盾构推进油缸布置优化方案

针对当前国内最常用的6 m直径地铁管片,盾构在不同城市施工存在因管片分度不同需要改造推进系统的问题,设计一种同时满足22.5°和36°2种分度管片的盾构推进油缸布置方案。优化设计后的推进油缸布置形式提高了单台盾构在不同城市地铁隧道施工的适应性,减少了盾构改造投入和时间,对控制地铁施工直接设备投入具有实际意义。     

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。     

基于参数智能化采集的盾构管片自动选型算法研究

为解决人工管片选型给盾构姿态和成型管片质量带来的隐患，将成熟的人工管片选型经验逻辑和合理简化计算模型根植于管片自动选型决策算法的内核，以影响管片选型的施工参数为研究对象，提出综合考虑盾尾间隙、推进油缸行程差和盾构趋势的管片选型计算方法和决策算法，预先考虑各影响因素实际施工中所有可能出现的取值范围以及不同施工工况下的权重变化。该软件首次针对大直径盾构特点开发8组盾尾间隙和6组油缸行程的算法，借助盾尾间隙智能化测量和监控屏幕参数图像识别技术，实现通用型管片选型参数智能化采集。在盾构隧道施工中配套使用，经多个项目现场验证和应用，管片选型算法合理，契合现场施工要求，起到规范或代替人工管片选型施工、保障成型隧道质量和盾构掘进姿态的作用。     

盾构隧道施工对管片受力性能影响及管片防破损对策研究

盾构隧道广泛应用于交通基础建设领域。由于施工环境影响及隧道结构受力复杂综合原因,造成管片破损开裂的现象在盾构隧道施工阶段频繁发生,这直接影响到盾构隧道的耐久性,盾构管片在施工过程中的受力过程和受力特性的分析研究显得尤为重要。笔者经过长期的工程实践,以多个盾构隧道工程项目为依托统计分析施工阶段管片开裂致因,并基于有限元数值计算软件ANSYS建立盾构隧道二维-三维模型对盾构衬砌管片的受力性能进行了详细分析,并针对导致管片破损主要原因的典型施工工况提出了预防管片破损的指导原则和控制措施,以期做到事先预防、事中控制以及事后养护的全过程控制的目的。     

基于等效梁模型的盾构隧道施工期管片上浮影响因素权重分析

为厘清盾构隧道施工期影响管片上浮各因素的权重大小,在明确管片上浮影响因素的基础上,基于盾构隧道纵向等效梁模型,以等效刚度的欧拉梁模拟盾构隧道衬砌环,以土体与浆液体等价弹簧来模拟土体与隧道之间的相互作用,编制有限元程序对模型进行求解,并以南宁某地铁盾构隧道施工期管片上浮实测数据来验证计算模型的合理性。采用敏感性分析法计算出各主要影响因素的权重排序,由大到小依次为浆液未凝固区长度、浆液压力、地层变形模量、隧道纵向刚度有效率和总推力竖向分力等,分析各因素的作用机制,并提出针对性的控制措施,以指导工程实践。