大型下沉式盾构掘进机综合模拟试验平台总体设计

该文介绍了大型下沉式盾构掘进机综合模拟试验平台的总体设计。它是一套大型、多功能的试验平台,包括模拟盾构机、组合式液压加载系统、监控测量系统、洞门密封系统等部分。它可满足不同断面形状、不同类型、不同土层的盾构掘进模拟试验,其规模、试验能力、数据采集等方面都处于国内领先、国际先进水平。     

土压平衡式盾构机刀盘扭矩的计算及试验研究

综合考虑了土压平衡式盾构机的直径、刀盘开口率、刀盘与土体的摩擦系数、盾构机的埋深、盾构机施工地层的土性、盾构机和地层之间的相互关系、盾构机推进速度以及螺旋输送机转速等参数的影响因素,推导出刀盘扭矩的理论模型。在盾构机模拟试验平台上进行试验,分析了两种典型开口率的刀盘在3种典型土层中扭矩的变化及土仓压力对刀盘扭矩的影响。分析结果表明,刀盘扭矩的理论模型与试验结果相符,并能满足盾构机实际施工的要求。     

单线双洞盾构隧道掘进三维有限元分析

针对单线盾构隧道掘进的特点,考虑了材料和几何非线性的影响,基于大型有限元分析软件,建立了结构与围岩连成的三维弹塑性大变形计算分析模型,模拟了盾构机掘进的过程,得出盾构隧道掘进过程中周围土体的变形规律,地表沉降规律及既有右洞对左洞施工产生的影响。因此,本文的研究结果对单线盾构隧道的施工提供了科学依据和重要参考。     

盾构刀具切削研究进展及非正常磨损实例分析（双语出版）

盾构刀具在切削岩土体过程中的受力形态和磨损情况是决定工程施工顺利与否的关键因素之一。然而,在穿越高磨蚀性的砂卵石及土岩复合地层时,常会面临因刀具过量磨损而导致盾构机无法正常掘进等难题。针对刀具切削岩土体过程的受力与磨损问题,从刀具磨损监测方法、切削机理、切削过程受力的试验和数值模拟等方面系统地总结了近年来的相关研究进展,并通过典型工程案例分析了目前严重困扰盾构掘进的刀具非正常磨损问题。关于刀具磨损监测方法,目前通电式和超声波式监测技术在盾构施工中被广泛应用,并逐步发展形成连续成像的摄影测量和DCRM技术;在刀具切削力学模型方面,重点阐述了滚刀张拉破岩模式和CSM力学模型,以及刮刀的流动切削模型和Mckyes-Ali模型;刀具切削和磨损试验分别从岩土磨蚀单元试验、单个刀具切削试验和刀盘整体切削的模型试验3个方面研究刀具切削磨损效果;数值模拟研究则偏重于研究岩土体在不同的切削条件下应力状态和破碎形态的变化情况;刀具非正常磨损直接缩短刀具的使用寿命,具有突发性和不规律性的特点,是工程实际中最为典型的刀具磨损方式。最后,针对盾构刀具切削与磨损形式,展望了盾构刀具切削磨损在刀具监测方式、外形及布置方式、合金材料和焊接工艺等方面的发展趋势。     

盾构刀具切削研究进展及非正常磨损实例分析

盾构刀具在切削岩土体过程中的受力形态和磨损情况是决定工程施工顺利与否的关键因素之一。然而,在穿越高磨蚀性的砂卵石及土岩复合地层时,常会面临因刀具过量磨损而导致盾构机无法正常掘进等难题。针对刀具切削岩土体过程的受力与磨损问题,从刀具磨损监测方法、切削机理、切削过程受力的试验和数值模拟等方面系统地总结了近年来的相关研究进展,并通过典型工程案例分析了目前严重困扰盾构掘进的刀具非正常磨损问题。关于刀具磨损监测方法,目前通电式和超声波式监测技术在盾构施工中被广泛应用,并逐步发展形成连续成像的摄影测量和DCRM技术;在刀具切削力学模型方面,重点阐述了滚刀张拉破岩模式和CSM力学模型,以及刮刀的流动切削模型和Mckyes-Ali模型;刀具切削和磨损试验分别从岩土磨蚀单元试验、单个刀具切削试验和刀盘整体切削的模型试验3个方面研究刀具切削磨损效果;数值模拟研究则偏重于研究岩土体在不同的切削条件下应力状态和破碎形态的变化情况;刀具非正常磨损直接缩短刀具的使用寿命,具有突发性和不规律性的特点,是工程实际中最为典型的刀具磨损方式。最后,针对盾构刀具切削与磨损形式,展望了盾构刀具切削磨损在刀具监测方式、外形及布置方式、合金材料和焊接工艺等方面的发展趋势。     

矩形钢管混凝土构件扭转性能及设计方法研究

基于ABAQUS软件,建立了圆形、方形及矩形钢管混凝土构件在纯扭矩作用时的数值模拟模型,并采用已有研究者完成的圆形及方形构件扭转试验结果对理论模型进行了验证,理论计算结果和试验结果总体上吻合良好。基于此理论模型,对影响矩形钢管混凝土构件扭转力学性能的主要因素进行了分析,考虑了钢材强度、混凝土强度、含钢率和截面高宽比等的影响。结果表明,钢材强度及混凝土强度只影响矩形钢管混凝土纯扭构件的Tθ关系曲线数值,对其形状影响不明显,含钢率和截面高宽比对Tθ关系曲线的数值和初始刚度都有影响。在参数分析的基础上建议了矩形钢管混凝土构件抗扭强度承载力计算公式。     

桥梁墩台局部冲刷的数值模拟分析

依托实际工程,应用数值模拟的方法分析圆形和矩形沉井在不同流速、流向等条件下桥墩周围流场分布情况,并与物理模型试验结果进行对比。结果表明,数值计算结果与物理试验结果吻合良好;交角不同,局部冲刷坑的外形轮廓也发生相应的变化。     

机械法联络通道管片切削试验与数值模拟研究

T接头受力复杂，易引发安全事故，为确保盾构施工安全,分析正线隧道管片弱化效应，针对主隧道特殊管片的设计施工，开展机械法联络通道刀盘切削试验，模拟始发端混凝土管片掘进切削过程，揭示刀具在不同时刻切削力的变化情况及管片、螺栓在不同工况下的内力分布规律。通过研究得到以下结论： 1)刀具切削厚度、切削速度越大，切削阻力越大，混凝土裂纹扩展越严重，刀具磨损越严重；基体强度越大的混凝土，切削时混凝土板面受损越小。2)切削对同一环的螺栓影响较大，对侧边的螺栓影响较小，随着刀盘旋转推进，管片发生位移变化，螺栓连接点的位移逐渐增大。当刀盘钻出管片时，混凝土管片及内部螺栓位移逐渐趋于稳定。3)改变切削洞口管片的强度对于隧道的变形影响很小，在改变了切削洞口强度后，洞口管片所受的位移增大，但是影响量比较小，结构仍较安全。     

可模拟盾构切削混凝土地下连续墙的试验技术

盾构切削超深地连墙进出洞时盾构刀盘的布置型式以及可切削混凝土的配比设计是上海市苏州河深层排水调蓄管道系统工程试验段的主要难题之一。基于可模拟盾构切削混凝土地连墙的试验要求,制定相应的试验模拟技术以及试验过程参数监测方案,并结合初步试验成果,提出了技术优化方案。研究成果可为同类超深地连墙盾构穿越工程提供借鉴。     

土压平衡盾构刀盘掘削动态数值模拟

在盾构掘进过程中,刀盘与土体之间的相互作用非常复杂。应用大型通用有限元分析软件ABAQUS建立了在砂土和黏土地层条件下土压平衡盾构刀盘掘进的非线性动力学模型,依据德鲁克-普拉格塑性屈服准则,采用包含单元删除功能的损伤失效准则模拟土体的屈服和破坏。模拟结果反映了土体在受到切削时累积塑性应变直至破坏的变化规律;刀盘在掘进过程中所受载荷呈一定周期性变化;在其他掘进参数不变的情况下,刀盘在砂土中掘进时所受轴向力和扭矩大于黏土;刀盘在砂土中的切削效率低于黏土。研究结果能够为土压平衡盾构刀盘的设计研究提供一定的理论指导。     

合肥地区复合地层盾构掘进参数控制研究

为保证合肥地铁盾构隧道的施工安全,基于合肥地层情况,通过PLAXIS 3D 岩土有限元软件模拟穿越软土、硬岩及复合地层 3 种不同地层条件的盾构掘进过程,研究开挖面支护力N、盾构钢壳锥度引起的收缩率C 和壁后注浆压力p 对地表沉降和围岩变形 响应的影响规律。研究结果表明: 1)支护力N 和注浆压力p 对地表沉降的影响受地层和埋深的限制较大,收缩率C 则相对较小; 2)从地表沉降上看,盾构掘进参数(N、C、p)对软土层的影响最大,复合地层次之; 3)p 对管片上浮和管片内力的影响显著,不宜设 置过高,软土层对p 最为敏感,硬岩和软硬复合地层次之。最后,将这些影响规律应用于合肥地铁4 号线某区间的盾构掘进参数控 制中,结合现场数据分析,结果表明盾构掘进姿态正确,地表沉降稳定,掘进参数合理可靠。     

基于苏埃通道工程盾构施工过程中下沉量分析

盾构开挖隧道主要分为隧道掘进和管片拼装2大工序。在管片拼装过程中盾构主机处于静止状态,在此过程中将会产生主机整体下沉和栽头的现象。为了尽量避免下沉和栽头现象的出现,需要对主机的下沉量和栽头量的范围进行预测,在盾构隧道掘进工序末事先调整好姿态,使盾构在静止过程中的下沉量和栽头量正好与姿态调整量相抵消,从而保证隧道轴线与设计轴线一致。通过对盾体周围受到水土压力以及地基对盾构的反力进行分析计算,并利用Matlab软件对4种不同地层进行建模分析,求得盾构主机在各地层的下沉量和栽头量的范围。通过计算,在苏埃跨海通道工程盾构掘进段项目中,主机在淤泥质土等松软地层中姿态变化最大,最大栽头量约为0.38 m,整体下沉约0.12 m;在密实中粗砂地层中姿态变化最小,最大栽头量约0.13 m,整体下沉约0.04 m。通过得出的栽头量和下沉量的范围,进而实现对盾构姿态的提前调整。     

泥水盾构掘进砂卵石夹黏土地层泥饼处置技术研究

为解决泥水盾构在含黏性土的地层中掘进时，因刀盘易结泥饼而引发的刀具切削能力下降、渣土滞排等降低盾构掘进效率的问题，依托北京南水北调配套工程泥水盾构施工实例，结合富水砂卵石夹黏土地层中的盾构掘进参数和地层岩性变化趋势，分析刀盘出现结泥饼的具体表现，提出将刀盘转矩与贯入度、推力与贯入度的比值作为判别刀盘是否结泥饼的指标；开展双氧水、Ⅰ型和Ⅱ型分散剂泥饼浸泡试验，最终比选出效果较好的Ⅱ型分散剂进行刀盘泡舱处理，有效地软化了泥饼，使得盾构得以顺利掘进。     

盾构到达突发涌水处理及水中到达方案分析

盾构到达时易出现涌水、涌砂、上覆土体坍塌等事故,是盾构施工的重大风险点之一。通过盾构到达突发涌水事故解决实例,介绍事故发生后采用钢筋混凝土接收洞室进行盾构水中到达的施工经验。钢筋混凝土接收洞室基于平衡到达理念,采用密闭的箱型混凝土结构与隧道洞门密闭连接,并在箱体内灌入填充物,以达到与土层压力平衡,模拟盾构在土体中的掘进状态,使盾构安全进入接收洞室内。     

高水压泥水平衡盾构掘进模型试验平台的研制与应用

为了实现可在2.0 MPa高水压环境下开展盾构试验研究的基础试验条件,结合拟建的琼州海峡隧道工程背景,充分调研了国内外盾构模型机研究成果,并根据试验研究的需求,研发了高水压多功能泥水平衡盾构模型试验平台。试验平台研制过程中攻克了在缩尺盾构模型机中实现泥水循环功能的问题,解决了高水压(2.0 MPa)下盾构机以及土箱整体强度和密封问题,实现了盾构姿态改变、变覆土高度等功能。按照一定的试验先期准备步序,在不同水压条件下,对泥水平衡盾构开挖过程中盾构姿态动态变化规律进行了模型试验研究。试验平台包括模型土箱、盾构模型机、液压泵站、电控柜、控制台、泥水循环系统等部分,可在200 m水头的高水压条件下进行泥水盾构施工的模型试验。研究结果表明:自主研发的泥水平衡掘进模型试验平台可在高水压条件下正常进行工作,并可进行与泥水盾构施工相关的模型试验;盾构姿态角改变量与盾构掘进距离的线性拟合结果表明,二者的拟合精度较高;随着试验水压的升高,在水平方向以及竖直方向上盾构姿态调整的难度逐渐增大;通过有土环境与无土环境的对比可知,高水压与地层反力的双重约束对盾构姿态控制提出了更高的要求。     

盾构穿切过程中单桩复合地基动态响应的研究

为探究盾构直接穿切复合地基对复合地基承载性状的影响规律,依托郑州地铁5号线某区间盾构穿切水泥土群桩复合地基工程,对盾构穿切单桩复合地基进行现场试验研究。分析盾构切桩全过程中地表沉降、桩顶压应力和桩间土应力的变化规律。同时,在与现场试验分析结果进行对比验证的基础上,利用数值模拟进一步对桩身轴力和桩侧摩阻力进行补充分析。主要结论如下： 1）在盾构穿切单桩复合地基全过程中,加载板沉降发展规律大体分为盾构切桩前、刀盘切桩、盾体穿越残桩、盾体脱离残桩、同步注浆层填充与凝结、残桩脱离盾尾6个阶段。2）桩土应力比随着切桩施工过程先减小后增大;桩身轴力随着整个切桩过程发生变化,最终阶段轴力值相比切桩前有所增大。3）由于残桩桩长变短,桩身应力重分配比使得桩身出现2个中性点,中性点以上为正摩阻力,桩体受压;中性点以下为负摩阻力,桩体受拉。4）与最终的累计量相比,各阶段加载板沉降增幅比分别为20%（盾构切桩前）、60%（盾构切桩—注浆层凝结）、20%（盾构远离残桩复合地基）;桩土应力比增幅分别为-8%、-16%、-53%、3%、25%、66%。     

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。     

不同孤石处理方法对盾构掘进参数影响的研究

以厦门市轨道交通一号线集美中心站-诚毅广场站区间隧道工程为依托,针对该区间隧道中含有大量孤石群的特殊地层,分析了全回旋转机、旋挖钻机、冲击钻孔机以及爆破法处理孤石的适用条件,获得了全回旋转机、旋挖钻机、冲击钻孔机以及爆破法处理孤石段所对应的盾构推进速度、总推力、刀盘扭矩、土仓压力等掘进参数的变化规律。     

基于宾汉姆流体的土压平衡盾构螺旋输送机排土量研究

为确保土压平衡盾构掘进过程中有效控制排土量,须考虑螺旋输送机构造特征和渣土性质对其影响。将改良后流塑性状态的渣土假设为宾汉姆流体,并基于螺旋输送机构造沿其螺旋排土方向展开成一长条形的长方体排土模型的基础上推导盾构螺旋输送机的理论排土量计算公式。通过对排土量影响因素进行分析表明： 1）排土量受开挖面支护压力、渣土的初始剪切屈服应力影响较大,而受渣土的塑性黏度影响较小; 2）随着隧道埋深和开挖面支护压力的增加,改良渣土的流塑性降低。将该理论成果应用于指导广州地铁21号线浅覆土全断面砂土地层某区间隧道盾构掘进中的渣土改良,开挖面支护压力保持了稳定,地表沉降控制为5 mm。