大直径长距离曲线顶管施工测量关键技术及应用

顶管施工测量是顶管施工技术中重要的组成部分,其目的是实时测量顶管机的空间位置,指导顶管机沿设计轴线开挖,直至顺利贯通。以上海某污水排管工程为背景,结合项目大直径、长距离曲线顶管的特点,从地面控制测量、顶管施工导墙测量等方面阐述了顶管施工测量关键技术,验证了该技术的可行性,保证了顶管施工质量。

大直径水下盾构隧道水下不分散砂浆应用与效果分析

随着现代工程建设技术的发展,特殊砂浆作为一种性能优越的建筑材料,在工程中的应用越来越广泛。其中水下不分散砂浆在基岩裂隙水发育丰富、地下动水丰沛且受潮汐影响流动性强的地下工程建设中取得了较好的效果。依托广州海珠湾隧道工程大直径水下盾构隧道试验段,结合普通砂浆与水下不分散砂浆在相同环境使用下的情况,从室内试验、地质雷达扫描、地表沉降监测、管片错台、渗漏水、上浮等方面进行对比分析跟踪验证,来对水下不分散砂浆的可行性开展分析。

高瓦斯煤层大直径钻孔卸压增透瓦斯渗流时空演化机理

矿井瓦斯抽采面临抽采率低、有效抽采周期短、瓦斯预抽体积分数不达标等困境。为实现高瓦斯低透气性煤层的精准卸压增透,以顺和煤矿2404典型深井高瓦斯低透气性煤层工作面为研究对象,基于长时力学效应理论建模、COMSOL数值分析和现场试验等方法,构建了大直径钻孔卸压煤层瓦斯运移多场耦合模型,提出了大直径钻孔瓦斯有效抽采半径的判定指标——残余瓦斯压力不超过0.22 MPa,揭示了大直径煤层钻孔卸压增透机理及瓦斯运移规律:单一大直径钻孔煤层瓦斯压力呈以钻孔圆心为对称中心的椭圆分布,即由钻孔圆心向外瓦斯压力逐渐增加,随着抽采时间延长,抽采达标区域逐渐扩大。钻孔周边应力转移特征为:随着抽采时间增加,单一大直径钻孔周边点的垂直应力呈现先增后降趋势。进一步提出了高瓦斯低透气性煤层大直径钻孔卸压增透抽采技术。模拟确定了钻孔有效抽采半径,孔间距6.0 m、直径300 mm钻孔卸压增透效果最好,其两侧3.0 m内平均渗透率为1.58×10^(-15)m^(2),远大于初始值1.15×10^(-17)m^(2)。现场应用表明,大直径钻孔瓦斯抽采远优于普通钻孔,300 mm大直径钻孔瓦斯体积分数最大值为47.2%,75 mm原钻孔最大瓦斯体积分数最大值仅为10.6%,且大直径钻孔5.0%以上高瓦斯体积分数抽采天数提高了40.2%,有效解决了小直径瓦斯钻孔治理难题,为高瓦斯煤层高效精准卸压增透强化抽采提供了有效途径。

大直径盾构隧道纵向刚度增强措施研究

为研究不同环缝接头结构对盾构隧道纵向刚度的增强效果,采用等效连续化模型计算得到断面直径对隧道纵向拉压、纵向抗剪和纵向抗弯刚度的影响规律,将隧道纵向刚度增强措施与管片环缝接头结构相联系,采用数值模拟深入探究了9种环缝接头结构的力学性能,对比得到增强隧道纵向刚度效果最优的环缝接头结构。结果表明:直径对纵向拉压和纵向抗弯刚度影响较小,对纵向抗剪刚度影响较大;环缝接头刚度增强措施能够显著减小管片位移,提高隧道纵向刚度,提升效果为:斜螺栓>弯螺栓,定位榫>剪力销>凹凸榫;螺栓型式和纵向刚度增强措施均对螺栓最大剪切应力有较大影响,竖向荷载下受螺栓型式影响较大,水平向荷载下受管片环缝接头刚度增强措施影响较大;结合经济性和有效性,当接头螺栓为弯螺栓时,设置定位榫是一种相对较优的选择。

高填方大直径钢波纹管涵变形机制与控制技术研究

目的 研究高填方大直径钢波纹管涵变形机制与控制技术,解决其结构变形过大的问题。方法 基于管道压缩变形公式,提出在管涵两侧一定范围内填筑水泥土材料的新技术;通过室内试验确定水泥土材料中最优水泥质量分数,再基于数值模拟和现场试验分析采用新技术施工的管涵结构的受力及变形特征及其上部竖向土压力分布规律,确定最优管侧填筑范围。结果 新填筑技术能充分利用水泥土的刚度限制管涵的变形,当管涵两侧2/3管径范围内采用水泥质量分数为8%水泥土回填时,管涵的最大竖向及水平变形分别减少了35.1%和55.0%,结构最大应力也由管顶处转移至管涵上部45°附近,受力更为合理。结论 新填筑技术使管涵更好地与周围土体逐步变形协调,产生荷载重分布形成土拱效应,将管顶土压力由管中心向管边缘处转移,有效减小了钢波纹管涵结构变形和应力集中。

大直径盾构隧道成型质量巡检方法研究

针对因工业应用成本限制,中、小盾构隧道成型质量无损检测技术迁移至大直径盾构隧道时精度、速度折损严重的问题,以巡检车为载体,集成二维激光扫描仪、编码器和计算机等设备,研制了大盾构隧道成型质量巡检车,并提出一种基于数字图像的盾构质量非对称巡检方法.分析大直径盾构的施工环境,滤除地面、车体点云,并采用邻域向量法提取中轴线,建立隧道中心坐标系.偏心布置巡检路线,按照点云密度将采样点云分为稠密侧和稀疏侧点云,通过不同方法实现对管片接缝特征的拾取:将稠密侧点云绕中轴线展开为二维灰度图像,并通过缩放、归一化、梯度阈值分割等方法实现接缝图像分割;基于直线方程对接缝进行分类,结合管片结构、布置点位,推导出稀疏侧接缝与稠密侧接缝的线性分布公式,间接拾取稀疏侧接缝.根据接缝特征点计算两侧管片边缘点云簇,计算管片错台量;剔除接缝点云簇,使用最小二乘法拟合隧道点云,计算隧道椭圆度.最后在某大直径盾构隧道进行巡检试验,试验结果表明:成型质量巡检车在十四米盾构隧道中巡检速度为3 km·h-1,与传统方法的错台量检测偏差小于2 mm,椭圆度检测偏差小于0.1%,可以满足大直径盾构隧道成型质量巡检的高速度、高精度、低成本需求.

中凯矿业大直径深孔爆破落矿装药结构优化研究

装药结构对厚大矿体大直径深孔爆破落矿效果具有重要影响。中凯矿业帮中矿区现行装药结构(空气间隔长度比例24.2%)存在爆破后冲破坏作用严重的问题,造成后一排炮孔堵塞、坍塌甚至报废,严重影响生产效率;而盲目增大空气间隔长度比例则存在爆破大块率增加的风险。以矿山实际的炸药和岩石参数为基础,采用数值模拟软件LSDYNA开展大直径深孔爆破落矿装药结构优化研究。选择常用空气间隔器作为间隔材料,以空气间隔长度比例为研究对象设计了12种装药结构方案进行数值模拟,得到了装药结构与爆破后冲作用、大块率、自由面质点振动峰值速度以及峰值有效应力等评价指标之间的关系。结果表明:自由面质点振动峰值速度以及峰值有效应力随空气间隔长度比例增加逐渐下降;当空气间隔长度比例小于等于30.5%时后冲作用明显,后排炮孔可能出现塌孔现象,当空气间隔长度比例大于等于45.3%时,存在大块率增加的风险,最优装药结构的空气间隔长度比例为44.2%。现场深孔爆破落矿试验表明,优化的装药结构爆破后大块率为7.1%且爆破后冲作用得到有效控制。

高温小井眼大直径岩心旋转井壁取心仪研制及应用

随着油气勘探开发难度增大,特别是海洋油气勘探开发的不断加大,以及深水井、高温井越来越多,地质方面对电缆测井技术所获取的参数要求也越来越高。为了更好地获取小井眼尺寸井壁岩心样本,助力油气田高效探勘开发,通过对取心仪井下仪器关键零部件电子控制短节和机械液压短节的创新设计与模拟分析,研制了适用于高温、高压、小尺寸井眼的大直径旋转井壁取心仪(MRCT-dumpy)。通过功能测试和5口井作业应用表明,大直径旋转井壁取心仪钻头性能及取心电机性能均得到充分验证,其热管理系统满足作业需要,符合设计要求;该取心仪取心功能正常,最高单趟收获岩心43颗,满足小井眼大直径取心作业要求。该仪器的设计与应用可为后期同类技术的发展提供指导。

大直径钢筒圆度异常区快速检测方法

大直径钢筒在制作、运输、安装及运行时均可能因某些原因导致其出现一个或多个圆度异常区,以至于不满足设备验收和运行的相关要求。目前,针对大直径钢筒圆度异常的检测方法均较为复杂,并不适合快速检出。为此,本文基于三坐标测量原理,结合高精度全站仪的非接触自动测量模式,并采用Matlab编制了自动搜索程序,提出了大直径钢筒圆度异常区的快速检测方法。通过AutoCAD算例模拟和现场实测,结果表明,该检测方法不仅速度快,且可通过增加测点密度实现大幅提高检出精度,为后续修复和改进工作提供准确数据。

水位差法模拟波浪荷载作用下大直径圆筒稳定性离心模型试验研究

某人工岛护岸工程采用大直径圆筒结构,结构直径和高度尺寸较大,工程所处位置波浪条件恶劣。采用水位差法等效模拟波浪荷载,开展波浪荷载作用下大圆筒施工期稳定特性离心模型试验研究,结果表明,在25 a一遇波吸力荷载作用下,筒体位移模式近似平移,侧向位移量约353 mm,筒顶沉降约为187 mm,施工阶段钢圆筒整体稳定;筒壁环向拉应力均值约为90 MPa,处于钢圆筒材料允许应力范围内;筒壁海侧土压力值随水位差增大至峰值后趋于稳定,表明筒体与周围邻近土体之间没有新的相对位移趋势,大直径钢圆筒护岸结构在波浪荷载作用下是稳定安全的。

基于LSTM算法的大直径泥水平衡盾构掘进姿态预测

为保障盾构施工安全并提升掘进效率,提出基于长短时记忆神经网络(LSTM)算法的大直径泥水平衡盾构掘进姿态预测方法。选取泥水平衡盾构掘进过程中的参数,并采用Pearson相关系数对盾构姿态的关联因素进行分析,获取影响盾构姿态的主要因素,以此构建盾构姿态预测数据集;采用长短时记忆神经网络建立盾构姿态预测模型,并利用自适应估计(Adam)算法对其进行优化以获取最优的盾构姿态预测结果。盾构姿态的预测参数主要包括:盾头水平偏差(HDSH)、盾头垂直偏差(VDSH)、盾尾水平偏差(HDST)、盾尾垂直偏差(VDST)、俯仰角(R)、滚动角(P)。影响盾构姿态预测结果的主要因素为盾构参数和地层参数,其中,盾构分组油缸压力和地层平均抗压/抗剪强度对盾构姿态的影响最大。经过优化的Adam-LSTM神经网络模型对盾构角度的预测效果最优,均方差在0.1以下;对盾构姿态各项参数预测的平均误差小于5%的占比超过80%。

采用大直径灌浆套筒连接的预制桥墩抗震性能研究

为探究墩台处采用大直径灌浆套筒连接的预制装配式桥墩抗震性能,进行拟静力试验及有限元分析。设计、制作2个采用大直径灌浆套筒(主筋直径40 mm)连接的预制装配式桥墩(预制桥墩)及1个现浇桥墩开展拟静力试验,对2类试件的试验现象、破坏形态、滞回曲线和承载能力进行对比分析,并采用有限元法对预制桥墩混凝土、套筒及连接钢筋的受力性能进行研究。试验结果表明:在水平循环荷载作用下,预制桥墩与现浇桥墩一致表现为弯剪破坏,但墩底区域破坏形式不同,现浇桥墩主要表现为柱脚混凝土大面积压碎,而预制桥墩的破坏现象更为严重,集中表现为套筒四周混凝土成块压碎剥落;相较于现浇桥墩,预制桥墩的承载能力平均值偏小5.2%,位移延性系数平均值偏小2.7%,预制桥墩力学性能与现浇桥墩相当。有限元分析结果表明:预制桥墩会在套筒顶部和桥墩底部出现2个塑性区,且预制桥墩中大直径灌浆套筒的受力状态以轴向受力为主,按照轴向受力进行套筒设计可满足其在桥墩结构中的受力要求;预制桥墩在墩底混凝土破坏后,其主筋和灌浆料仍保持可靠粘结,采用大直径灌浆套筒连接的预制桥墩抗震性能良好。

一种新型大直径多盘土锚承载力数值模拟分析

新型大直径多盘土锚是采用专业扩孔成盘装置进行多次扩孔,形成多个空腔,在钻孔中放入带有对中支架的钢绞线,灌注水泥砂浆,固化后得到的。为研究该土锚抗拔特性,将等直径土锚作为对照组,运用FLAC3D软件对其在不同荷载作用下的极限抗拔承载力、竖向位移、轴力、锚盘承担荷载和侧摩阻力等方面进行数值模拟分析。结果表明:相同条件下,新型大直径多盘土锚的极限抗拔承载力相较于等直径土锚提高了50%;达到各自极限抗拔承载力时,新型大直径多盘土锚的竖向位移相较于等直径土锚减少了24.22%;新型大直径多盘土锚的侧摩阻力较小且增速较慢,达到极限抗拔承载力时,锚盘分担荷载占施加总荷载的32.094%。

基于CatBoost-MOEAD的大直径泥水盾构姿态多目标预测与优化

为避免盾构掘进过程中出现蛇形、轴线偏离等姿态异常问题影响施工安全,提出一种结合类别提升(CatBoost)算法和基于分解的多目标优化算法(MOEAD)的大直径泥水盾构姿态控制方法;构建一个盾构姿态预测模型,该模型包含19个输入参数和6个输出参数,利用CatBoost算法构建输入参数与输出参数之间的非线性映射关系;采用沙普利加性解释法(SHAP)分析输入参数对盾构姿态的影响;结合多目标优化算法构建CatBoost-MOEAD盾构姿态多目标优化模型,将所提模型运用到武汉长江大直径泥水盾构隧道工程中,分析验证所提方法的适用性和有效性。结果表明:CatBoost预测模型能够高效地预测大直径泥水盾构的姿态,其中6个盾构姿态目标的决定系数范围为0.931~0.974,均方根误差范围为0.030~0.880,误差范围为0.039~1.057;对盾构姿态影响较大的施工参数中推进组推力对盾构姿态的影响最为显著;通过研发的CatBoost-MOEAD盾构姿态多目标优化方法,盾构姿态的优化效果显著,优化率可达38.86%。

双线大直径输水隧道建设对既有桥梁及桩基的影响分析

为准确分析双线大直径输水隧道下穿对既有桥梁结构的影响,构建桥梁-地层-桩基-盾构隧道高精度数值仿真模型,对桥梁桩基结构及盾构过程进行精细化模拟,结合基于智能算法的土层参数反演模型,获取更接近真实情况的土层参数,以提高数值模拟精度。结果表明:输水隧道盾构开挖引起的地表最大沉降量为15.01 mm,基于反演的地表变形计算结果与实际监测值的误差减少约70%;盾构隧道双线开挖会引起地表二次沉降变形,两条盾构隧道中间区域的地表二次沉降量最大,约占总沉降量的60%,最大二次沉降量为5.06 mm;隧道两侧的桩基受到影响较大,最大位移为10.03 mm,位于桩基顶部,而隧道开挖对桩基内应力分布影响较小,可以认为无影响。

基于CatBoost-MOEAD的大直径泥水盾构施工多目标预测优化

为有效优化盾构施工参数,实现在大直径泥水盾构掘进过程中安全、高效和节能的目标,提出分类助推(CatBoost)和基于分解的多目标进化算法(MOEAD)相结合的混合智能算法;综合考虑盾构施工参数与地质条件,以主要的盾构施工参数为研究对象,选择地表沉降、贯入度和掘进比能为预测和控制目标;优化调控选择的盾构施工参数,并以武汉市轨道交通某号线为例,验证该混合算法的有效性。结果表明:采用CatBoost算法建立的预测模型在大直径泥水盾构上表现出来的预测性能良好,对3个控制目标的拟合精度(R 2)均达到0.9以上;预测模型的重要性排序表明:大直径泥水盾构的总推进力和推进速度对地表沉降、贯入度和掘进比能有显著影响;所提出的CatBoost-MOEAD混合智能算法对3个控制目标的优化效果明显,地表沉降、贯入度和掘进比能分别达到12.35%、7.47%和10.70%的优化幅度,并给出相应盾构施工参数的控制范围。

考虑松动圈影响的公路隧道大直径竖井围岩压力计算方法

为研究公路隧道大直径竖井围岩压力计算方法,基于极限平衡法推导,并与官田竖井实测数据进行了对比验证,最后分析了竖井直径、侧压力系数、围岩等级对竖井围岩压力的影响规律。结果表明:①与实测数据对比结果显示,本文公式的平均误差度在12.85以内,相比其他公式的误差度在180以上,使相对误差减小了167.15以上,可指导工程人员进行竖井的施工设计;②竖井开挖直径越大,竖井井壁围岩压力越大,但是围岩压力的增长幅度随直径增大而逐渐减弱;③在未达到极限深度之前,侧压力系数越大,竖井井壁围岩压力越大;达到极限深度以后,不同侧压力系数下井壁的围岩压力一样大。侧压力系数越大,井壁围岩压力随竖井深度的增长越大,更快达到最大井壁围岩压力,即极限深度越小;④围岩等级越高,竖井的井壁围岩压力越小,在达到极限深度之后的围岩压力也越小。

砾砂地层盾构切削大直径群桩的刀具研究

刀盘刀具是盾构机实现切削功能并保证其顺利推进的主要部件,合适的刀具选型与设计在保证盾构机成功切削大直径钢筋混凝土群桩的过程中至关重要。依托沈阳地铁4号线盾构切桩工程,结合盾构穿越砾砂地层的工程特点以及切削大直径钢筋混凝土群桩的工程需求,对刀盘刀具进行选型,采用LS-DYNA软件模拟不同刃宽、刃角及前角的贝壳刀切削钢筋的效果。将分析结果应用于该工程,通过对比切桩前后既有隧道沉降变化规律论证刀具选型设计的合理性,并根据切桩后的贝壳刀磨损规律及盾构机排出钢筋情况,评估刀盘刀具切削效果,从而优化刀盘的刀具布置。研究结果表明:盾构刀盘采用面板+辐条复合式直角刀盘,切桩刀具采用前角-45°零后角、5 mm刃宽、90°刃角的双面刃贝壳刀,可提升盾构切桩效果;盾构切桩过程中既有隧道的变形波动控制在1.1 mm内,切桩完成后既有隧道的最大沉降仅为1.96 mm,未对既有隧道造成明显影响;刀盘布置贝壳刀时,应增加高度为210 mm的贝壳刀数量,尤其需要避免单个辐条上仅有1把高度为210 mm贝壳刀的情况,可有效提高刀盘刀具切削钢筋的能力并降低崩刃风险。刀具选型设计结果成功应用于沈阳地铁4号线切桩工程,可为今后类似工程提供参考。

大直径盾构隧道单环结构安全性评价分析

为研究基于多项指标的大直径盾构隧道单环结构安全性能的评价方法,依托江阴靖江长江隧道建设工程,通过有限元模拟与现场实测数据结合对盾构隧道顶部加载过程中的结构失稳破坏过程进行研究,得到结构收敛变形和内力特征发展规律,选取收敛变形、钢筋拉应力、钢筋压应力、环向螺栓应力和纵缝张开量为评价指标并确定了各指标相关性,提出基于评价指标相关曲线的指标权重计算方法。结果表明:盾构隧道断面结构破坏过程可以依据结构内力关键节点值总结为弹性受力阶段、裂缝损伤缓慢发展阶段、大面积损伤发展阶段和加速失稳阶段;隧道断面地质条件对结构内力状态有一定影响,同一埋深下,砂土层隧道拱顶沉降远大于黏土层,且水压力对接头螺栓具有一定的保护作用;对评价指标分别进行健康状态分级,绘制内力指标与收敛变形的健康状态评估值关系曲线,通过最小二乘法拟合得到收敛变形、钢筋拉应力、钢筋压应力、环向螺栓应力、纵缝张开量的权重比例为0.48∶0.05∶0.23∶0.13∶0.11,初步建立了适用于大直径盾构隧道的单环结构安全性能评估计算公式。

大直径桩端岩溶三维高精度成像方法

在岩溶地区,大直径桩基础受桩端岩溶的威胁较大,传统的钻探和物探等手段难以实现桩端岩溶三维精细探测。该文提出了一种基于超声成像原理的桩端岩溶探测方法,使用超声相控阵传感器在桩底采集全矩阵数据,采用全聚焦方法可对桩端岩溶成像。为解决超声远场成像横向分辨率低的问题,在桩底多个测点采集全矩阵数据,采用多面阵合成孔径全聚焦技术进行远场成像,实现桩端大范围、大深度、高精度成像。制作1:1足尺桩基岩溶实验模型并开展了探测实验,证实了该方法的有效性,并结合工程实例检验了该方法的实用性。结果表明,该方法可以对桩端10 m深度范围内的岩溶进行三维高精度成像,探测分辨率达0.1 m。该方法为大直径桩端岩溶提供了一种全新的、有效的探测技术和手段,对保障岩溶区桩基施工安全与质量控制具有重要的意义。