盾构隧道推进对邻近地下管线影响的物理模型试验研究

以上海地铁11号线某区间盾构工程为背景,采用相似物理模型试验研究盾构隧道开挖对上方垂直于隧道轴线的地下管线的影响,并将试验结果与数值解对比。采用量纲分析法推导出文中模型试验的相似准则,并基于该相似准则设计出盾构机和隧道模型,分别通过管线刚度试验和模糊数学综合评判方法选定模型管线和配制相似土材料。研究结果表明,自主开发的半自动盾构掘进装置能较好地模拟盾构的开挖过程,较人工开挖扰动更小;下方盾构隧道开挖使管线产生的竖向变形关于隧道轴线呈对称分布,其形态符合高斯曲线的特征,最大竖向变形位于隧道轴线正上方处,竖向变形反弯点出现在与隧道轴线水平距离约一倍隧道直径的位置处;隧道开挖对管线的影响范围随管隧间距的增加而减小,管线竖向变形曲线的反弯点位置随管隧垂直间距的增大而有所内移;管线刚度对管线竖向变形的影响相对较小。

异形盾构隧道衬砌结构计算模型和受力特征研究

首先通过原型整环管片力学试验研究了异形盾构管片环向接头转动刚度随隧道埋深增加的变化规律。基于试验成果建立了异形盾构管片壳-弹簧计算模型,并将原型试验结果与修正惯用法和壳-弹簧模型进行对比,给出了异形盾构管片内力分布模式,明确了修正惯用法作为异形盾构管片设计方法的可靠性,并将壳-弹簧模型推荐为能较为科学地反映异形盾构管片实际受力特征的计算模型。最后,基于壳-弹簧模型从经济和力学两个角度对异形盾构隧道与矩形和圆形隧道进行对比,证明了异形盾构应用于浅覆土地层的科学合理性。

基于推力矢量技术的盾构掘进姿态自适应控制方法研究

为解决盾构驾驶人员技术水平参差不齐造成隧道轴线施工质量波动的问题,提出一种基于推力矢量技术的盾构掘进姿态自适应控制方法,从整体逻辑架构设计、纠偏运动路径规划、姿态控制策略与方法3个方面对本技术进行全面阐述,并通过在上海沪通铁路吴淞口越江隧道工程项目的示范应用,得出以下结论:1)由于推进油缸目标压力执行情况良好,盾构实际总推力与目标值之间保持较优的协同关系,盾构掘进速度整体稳定;2)盾构总推力水平力矩目标值和实际值高度一致,受覆土厚度和地质条件变化影响,垂直力矩目标值略大于实际值,以保持高程方向上良好的姿态调整能力;3)水平和高程2个方向上,盾构总推力作用点与盾构姿态表现出“冰糖葫芦型”显性交互特征,盾构姿态可纠、可控。

用于轨道交通盾构管片自动拼装的新型拼装机设计

为解决传统轨道交通六自由度管片拼装机因控制精度低、重载形变大而无法满足管片自动拼装技术要求的现实问题,文章首先在建立拼装机动作误差简易计算模型的基础上,明确了传统拼装机回转精度不足对末端位姿的突出影响,然后创新提出了一种基于拼装机抓手横移动作补偿回转角度执行不到位的方法,并给出针对性的特型管片拼装机结构优化设计和控制方案。通过进一步动作误差分析以及有限元结构受载计算得出:新型管片拼装机末端位置误差可控制在±0.5 mm范围内;重载工况下提升梁最大形变小于0.35 mm。

大平移管片拼装机运动学正逆解方法与误差分析

为解决管片自动拼装过程中人无法准确掌握拼装机末端空间位姿,以及无法基于拼装机末端目标位姿解算拼装机各关节目标运动量的难题,基于6自由度大平移拼装机运动机制,建立针对性运动学计算模型,提出一种管片拼装机高精度运动学正逆解解析方法,考虑提升油缸差异性伸缩、提升梁非对称设计、小吸盘油缸定量伸出等关键细节问题,并进一步基于运动学正解给出基于拼装机各关节自由度运动误差对拼装机末端定位精度的影响分析方法。研究结果表明:1)与三维设计模型相比,拼装机末端正解位置精度小于0.2 mm;2)吸盘偏转、俯仰和回转动作存在相互干涉,简化处理后的拼装机各关节目标运动量逆解精度小于0.5 mm,满足自动拼装要求;3)拼装机大回转角度执行误差超过0.1°,末端位置偏差将超过7 mm,在回转功能设计上存在进一步优化的必要性。

超大直径泥水平衡盾构推拼同步技术工程实践

为有效解决传统推进与拼装步进式施工工艺应用于长距离盾构区间造成的施工周期过长问题,提出一种基于推力矢量主动控制技术的盾构推拼同步工法,给出在已有缺失推力自补偿计算方法基础上的优化方案,将该技术搭载于14 m级超大直径泥水平衡盾构,并成功应用于上海市域铁路机场联络线工程。对第1022环的推拼同步系统响应数据进行分析,得出以下结论:1)推进油缸压力执行精度为±5%,存在短时响应延迟的现象;2)总推力在油缸回缩和顶回瞬间分别出现骤降后快速回升和骤升后快速回落的情况,整体控制在设定目标值的±3%;3)盾构推进速度受总推力影响显著,与总推力协同变化;4)盾构受外周土体包裹,总推力矢量的微小变动对盾构姿态不产生明显影响。对单月推拼同步施工351环数据进行分析后发现,采用盾构推拼同步技术相较于传统作业方式施工工效可提升约27%。

三向应力下膨胀土含水量与膨胀率关系研究

膨胀土具有吸水膨胀的工程特性,因而通常采用的有侧限膨胀试验具有一定局限性。采用应变控制式三轴仪来实现对膨胀土试样压力的连续施加,使土样在合理的受力和吸水环境下,膨胀变形至剪切破坏;并根据相关物理性质指标转换公式,得到试样在连续性吸水过程中不同含水量与体积膨胀率的关系。改进后的三轴膨胀试验合理地模拟了膨胀土在一定埋深条件下其吸水膨胀的真实过程,科学地解决了分阶段有侧限膨胀试验不能实现同一试样吸水膨胀的连续性过程问题,试验结果更为准确,使得室内试验环境和工程实际达到较好吻合,对于研究膨胀土的力学行为具有一定的合理性和科学性。

大断面异形盾构衬砌结构纵向力学性能

首先通过建立异形盾构三维有限元计算模型研究了多种因素对异形盾构纵向力学性能的影响,数值结果表明,异形盾构纵向整体向下位移、变形模式符合三次多项式形式;纵向刚度有效率随横向刚度有效率的增加先减小后增大,但纵向刚度受横向刚度的影响较小,异形盾构横向刚度有效率设计建议值为0.65;纵向刚度有效率随埋深增加而减小,错缝拼装能明显提高异形盾构的纵向刚度;纵向刚度有效率随基床系数的增加呈线性增长,其对异形盾构纵向刚度的影响最为明显;纵向螺栓预紧力对纵向刚度有效率的影响呈线性增加关系,但对异形盾构纵向刚度的影响并不明显.基于实测环缝张开量值建立了适用于异形盾构的纵向等效刚度和纵向刚度有效率简化解析模型,解析模型计算结果与数值计算结果吻合,证明该理论模型的有效性.

盾构隧道纵向环缝张开量和附加内力值的研究

由于盾构隧道管片之间纵向螺栓的存在，盾构隧道纵向的不均匀沉降必将引起管片与管片间环缝张开。本文基于壳-弹簧模型基础，建立了强制位移法壳-弹簧模型。主要分析了盾构隧道在一定长度和不均匀变形量情况下，其附加内力值和管片接头环缝张开量。

粘土地层大断面异形盾构隧道结构力学特征数值试验研究

文章基于修正惯用法和壳-弹簧模型两种计算方法,研究了原型试验条件下错缝拼装的异形盾构管片随覆土厚度增加的力学行为特征。研究结果表明,异形管片结构整体变形呈"横鸭蛋"形;环向接头存在使结构内力呈非对称分布,纵向接头的剪切作用和幅宽边缘对其加强作用使幅宽边缘内力普遍大于幅宽中央;基于平面应变状态的修正惯用法夸大了错缝拼装对管片纵向的加强作用,计算结果要大于考虑三维空间问题的壳-弹簧模型,说明修正惯用法作为异形管片的设计方法是偏于安全的;建议异形盾构管片横向刚度有效率范围为0.72~0.87,正弯矩区弯矩传递系数范围为0.245~0.256,负弯矩区弯矩传递系数范围为0.166~0.197。

大断面异形盾构隧道弯矩传递系数原型加载试验研究

由于异形盾构隧道特殊的结构断面型式,管片设计暂无相关规范可循,故基于原型三环管片力学加载试验对异形盾构管片环向接头弯矩传递系数进行研究,研究结果表明:1)随埋深增加,异形盾构管片结构整体刚度提升,但由于各接头刚度与相邻管片结构刚度比随埋深增加变化规律不一致,异形盾构管片接头弯矩传递能力呈部分减弱部分增强的现象;2)同埋深条件下,随着侧压力系数的增加,除右拱腰处接头外,其余接头弯矩传递能力随着接头刚度与相邻管片结构刚度比的增大而逐渐增强;3)随着埋深增加,各接头弯矩传递能力对侧压力系数的敏感程度逐渐减弱;4)极限破坏后,异形盾构管片内外弧面裂缝的分布规律证明了明显的弯矩传递现象。

大断面类矩形盾构衬砌结构横向刚度有效率

基于大断面类矩形盾构隧道衬砌结构原型加载试验,通过在原型试验管片领域引入三维激光扫描设备获取管片内弧面三维形变数据,对类矩形盾构管片形变、横向和水平向横向刚度有效率进行研究.给出了自重状态和设计状态下类矩形盾构管片横向刚度有效率值,分析了类矩形盾构管片形变和横向刚度有效率随覆土埋深和侧压力系数增加的变化规律,揭示了极限破坏工况条件下管片结构形变和横向刚度有效率的两阶段线性特征.通过壳-弹簧模型详细对比了类矩形和圆形管片形变和横向刚度有效率的异同点,证明了结构自重在反映类矩形盾构管片整体结构刚度上的重要影响.

异形盾构管片原型试验混凝土裂缝宽度预测与可视化

预测和可视化监测异形盾构管片混凝土裂缝宽度和开展规律对站立式原型异形盾构管片加载系统的研发以及后续的异形盾构管片优化设计至关重要.通过梁荷载试验完善了体积率为2%的CF50钢锭铣削型钢纤维混凝土最大裂缝宽度理论公式,同时创新性地在原型管片结构试验领域引入非接触式应变光学测量系统,对管片拱顶内弧面关键区域进行裂缝实时监测.研究结果表明,基于三维数字图像技术(DIC-3D)可定义管片裂缝出现时机判定和裂缝宽度计算方法.管片裂缝宽度经历了初始、稳定和加速等三阶段发展过程,最终确定出异形盾构衬砌结构极限覆土深度为18.5 m.梁荷载试验所获最大裂缝宽度理论公式中的相关设计参数是有效的,未来可结合壳-弹簧模型计算管片内力结果进行异形盾构管片裂缝宽度的科学预测.

钢纤维钢筋混凝土梁截面应力分布模式和破坏特征研究

文章通过钢锭铣削型钢纤维钢筋混凝土梁荷载试验和钢筋混凝土梁荷载试验,对比了两类梁截面的应力分布模式和形变开裂特征,确定了钢纤维对混凝土构件承载能力的重要影响。试验研究表明:塑性阶段钢筋混凝土梁断面弯矩主要由受压区混凝土合力的快速增长来实现,而钢纤维钢筋混凝土梁受压区钢纤维对部分截面压力的承担以及受拉区混凝土和钢筋的应力快速增长,完成了截面轴力为零和截面弯矩随荷载增大的力学平衡;钢纤维抗拉作用的发挥减小了混凝土受拉区的范围,降低了受拉区混凝土的拉应力,提高了构件的抗裂荷载;钢纤维的掺入使梁表现为延性开裂的特征,有效增强了梁的韧性和抵抗开裂的能力。

站立式大断面异形盾构管片原型加载试验框架及拼装方法

针对原型管片结构试验中站立式管片拼装方法难度高的问题,提出一种适用于异形盾构管片结构试验的加载框架设计方案,并介绍异形盾构管片加载试验框架和管片拼装方法。结合试验数据,给出自重状态和设计状态下异形管片结构力学和形变特征,确定管片结构自重对其内力和形变的重要影响,证明异形盾构管片站立式试验方法的科学性。

软土地层盾构推力矢量自适应控制技术试验研究

为解决软土地层中盾构轴线自适应控制时,基于纠偏转向需求的目标总推力矢量获取困难的问题,提出一种盾构推力矢量自适应控制技术。通过将盾构总推力与掘进速度,总推力水平和垂直合力矩分别与盾构水平和高程方向目标转向角度进行闭环控制,实现非恒定负载条件下盾构总推力矢量的高速自适应生成。通过构建可模拟盾构直线推进的大型试验平台以及全推进油缸单元全控的液压控制系统,验证非恒定负载力、非恒定负载力力矩以及非恒定负载力矢量条件下盾构稳态推进的可行性。试验结果表明:1)盾构总推力有效响应负载力变化,两者差值保持为系统摩阻力,存在因负载力突变盾构降速后再恢复的现象;2)盾构总推力力矩未及时跟进负载力力矩变化的情况下,切口水平姿态偏差值小幅突变后可超调复位;3)盾构总推力矢量实现了与负载力矢量的协同响应,推进速度偏差整体控制在设定值-1~+2 mm/min,盾构切口水平姿态偏差控制在设定值±3 mm。

砂卵石-砂土复合试样大三轴数值试验及验证

基于北京地下直径线典型砂卵石地层试样的大型三轴排水试验结果,利用通用有限元软件ABAQUS采用Mohr-Coulomb本构模型对复合土样三轴试验的破坏过程进行了数值模拟,基本上再现了土样三轴试验的偏应力-应变关系,说明数值计算能够有效地模拟土样的三轴试验。在此基础上,通过不同砂层厚度试样的数值试验,探究了砂层对复合试样强度和破坏规律的影响。计算结果表明:试验围压,试样中砂土的位置及厚度对于砂卵石-砂土试样的强度及破坏模式有显著的影响。

盾构辅助驾驶系统(SDAS)开发与工程应用

鉴于当前盾构人工驾驶操作准确度不稳定而盾构智能化控制技术尚未完全成熟的现实,以解决传统操作界面可视化程度低、关键信息参数离散不均、盾构施工风险预警与管控能力不足等问题,提出一种盾构辅助驾驶系统,重点阐述系统整体架构、报警信息叠加融合处理、权限控制逻辑设计、可视化系统构建等方面。在不改变原有设计的基础上,通过系统外挂的方式搭载于不同来源的盾构装备,聚焦盾构姿态与地表沉降控制,进行盾构施工状态的实时分析、报警与决策。经南京地铁某区间隧道工程示范结果表明,盾构辅助驾驶系统建议操作与人工操作吻合度超60%,盾构姿态与地表沉降控制质量优于人工作业水平。后续将进一步完善对智控算法模型的评价与孵化方法,通过对多类新智能化技术的插件式加载,提升平台的完整性、可靠性和友好性。

顶管桩施工对桩周土体扰动的现场试验研究

作为一种将钻孔灌注桩和压力平衡式顶管技术结合的新型成桩方法,顶管桩可解决存在既有建筑时围护结构打设和穿高水头承压水层成桩困难等问题。通过低净空环境下顶管桩施工现场试验,对桩周土体扰动进行研究,总结地表沉降、桩周土体水平位移、桩周土体竖向位移和深层土体扰动分布及变化规律。

掘进坡度对地面出入式盾构法隧道结构受力变形的影响

为揭示地面出入式盾构法隧道掘进坡度对隧道结构纵向受力与变形分布规律的影响,依托上海市龙水南路过江隧道工程,建立三维有限元模型,对隧道结构力学行为规律进行分析。研究结果表明:1)作用于隧道的环向土压力受掘进坡度变化引起的埋深变化和土压力分解角度变化的共同作用;2)相同埋深下,随掘进坡度的增加,隧道结构竖向收敛变形逐渐减小,但纵向收敛变形差异加剧;3)掘进坡度的增加使得隧道结构环向受力更为均匀,并逐渐趋于静水压力状态;4)环间刚度不同将提升掘进坡度对隧道纵向差异收敛变形的影响。本文研究成果可为地面出入式盾构隧道在不同掘进坡度下的衬砌形变控制提供一定的借鉴与参考。