土压平衡盾构楔犁刀松动砂卵石地层力学行为研究

为研究砂卵石地层中土压平衡盾构刀土相互作用的力学行为，揭示楔犁刀的楔犁松动机制，首先，将刀盘前方砂卵石地层等效为连续介质，采用Terzaghi地基承载力模型与Mckyes-Ali模型求解楔犁刀楔犁松动作用下砂卵石地层的破坏强度； 然后，引入楔犁指数k表征楔犁刀反复松动地层、地层颗粒间咬合作用被逐渐破坏、地层强度逐渐降低的楔犁松动状态，分析复杂刀具配置条件下整盘刀具楔犁地层时的受力情况； 最后，通过计算得到单把楔犁刀楔犁地层所需的环向松动力及轴向顶进力，并提出砂卵石地层楔犁刀梯次松动地层与刮刀剥落渣土的受力计算方法，得到整盘刀具松动地层所需的扭矩及贯入推力，分析贯入推力和扭矩的影响因素。采用本文提出的计算分析方法计算土压平衡盾构楔犁刀与刮刀组合松动砂卵石地层时刀具的受力（推力和扭矩）与工程实测结果基本相符。研究结果表明： 楔犁刀分层、超前于刮刀布置可以有效降低松动地层所需的贯入推力和扭矩，达到降低盾构掘进所需总推力及总扭矩的目的。     

盾构施工引起地层损失率变化特征

城市地铁盾构法施工对周围土体产生扰动引起地表位移是施工中必须重视的问题。当盾构隧道下穿既有隧道或管线等构筑物时,地层位移不可忽略。以北京地铁14号线方-十区间为背景,采用地层分层位移监测技术体系,通过多元回归分析和坐标转换等方法监测得到某一位置不同深度测点地层位移,研究不同深度地层的竖向位移分布特征以及随盾构推进的动态变化规律,并结合数值模拟进行对比分析。结果表明：地表和不同深度地层都呈现明显正态分布的沉降槽特征,沉降槽最大沉降值从拱顶传至地表过程中逐渐衰减且变形影响范围不断向两侧扩展,埋深较小的沉降槽宽而浅,埋深较大的沉降槽窄而深。实测结果及数值模拟均揭示了盾体通过阶段和盾尾脱出后阶段占有最终沉降较大比例,这为有效充填开挖间隙以及加强盾尾空隙注浆效果以有效控制地层位移提供理论支撑及指导意义。     

砂卵石地层盾构长距离掘进先行刀优化配置研究

针对砂卵石地层盾构长距离掘进工程特点,提出先行刀多维度梯次布置的设计理念,"多维度"保证了长距离掘进中刀盘受力稳定,不同刀高的先行刀梯次布置使其合金块之间搭接形成合金块磨损接力。同时优化先行刀合金块的耐磨及耐撞击性能,避免在长距离掘进中存在的刀具冲击疲劳失效。依托北京新机场线"磁1"区间盾构工程,通过方案比选得到最终刀盘设计方案,并对掘进过程中掘进刀具磨损数据与掘进参数进行深入分析。数据分析结果表明:多层先行刀布置的盾构砂卵石地层长距离掘进可分为高刀犁松和高低刀共同犁松两个阶段,高刀犁松阶段"梯次化"布置的高刀降低了低刀的磨损系数,高低刀共同犁松阶段在一定距离内继续维持掘进效率,有效延长掘进距离。     

单向冻结条件下饱水砂卵石冻胀融沉特性试验研究

以北京典型饱水卵石7#地层为研究对象,利用恒温恒压冻胀融沉仪,研究不同干密度饱水砂卵石在开放系统和封闭系统条件下的冻胀率、融沉系数、冻胀力及水分迁移量。试验结果表明:①饱水砂卵石的冻胀率和融沉系数均小于1%,远小于黏土、粉土的冻胀率和融沉系数,且随干密度的增大而减小;②封闭系统砂卵石冻胀率(力)和融沉系数大于开放系统;③饱水砂卵石冻胀过程是排水过程,排水量占土颗粒质量比例不超过1%;④无论是开放系统还是封闭系统,砂卵石经冻胀融沉后,总有一定的变形残余量。研究成果为冻结法在北京深层地下空间应用提供理论依据和参考。     

基于盾构工程特征的砂卵石 地层分类方法

针对砂卵石地层盾构长距离高效掘进困难的弊端,在总结盾构掘进常见工程问题的基础上,提出粒径大 小、细粒含量、水压高低以及磨蚀性能是制约盾构高效掘进的地层特征因素,分析各因素的特征指标、指标确定 方法及指标量化区间,并根据指标量化区间划分出砂卵石地层类别。基于不同的地层类别匹配合理的盾构方案, 通过组合指标下的砂卵石地层盾构实例,验证地层分类方法的适用性。研究结果表明：根据颗粒最大粒径 dmax 与 螺旋输送机最大输排能力 dp,可将砂卵石地层分为可输排及不可输排地层;根据细粒透镜层同区间总地层的占比 λ,可将砂卵石地层分为高黏性低渗透及低黏性高渗透地层;根据地下水位高度 hw及界限水位高度 h0,可将砂卵 石地层分为高水位及低水位地层;根据等效石英含量 Qe,可将砂卵石地层分为高磨蚀性及低磨蚀性地层。提出 的分类方法可为砂卵石地层盾构设计与施工提供理论指导和技术支持。