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。

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.

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。

大直径盾构隧道整体式预制弧形件构造

上海市机场联络线是国内首次在大直径盾构隧道中采用整体式预制弧形件的工程,而现阶段缺少对整体式预制弧形件选型及排版的研究。针对该问题,本文分析了标准环+左转弯环+右转弯环、左转弯环+右转弯环和通用楔形环三种管片形式下弧形件的构造设计,并给出排版计算方法。结果表明,在标准环+左转弯环+右转弯环和通用楔形环管片形式下,分别采用直线形+楔形弧形件和无楔形量的弧形件能较好满足工程需求,建议在类似工程中选用。

双道密封垫分布形式对大直径盾构隧道接缝力学性能影响研究

为探究大直径盾构隧道双道防水密封垫的合理分布方式,采用考虑接缝细部构造及混凝土塑性损伤的精细化数值模拟方法,通过纵缝抗弯足尺试验验证该方法的有效性,并进一步利用精细化数值模拟对比分析密封垫双道内外分布及密封垫双道外侧分布下接缝的力学性能及防水性能。研究结果表明:1)精细化数值模拟在反映接缝抗弯性能方面具有良好的可靠性;2)接缝受压区高度、张开量及螺栓应力随弯矩增大呈现4阶段的发展模式,受压侧外缘接触一定程度提升了抗弯性能;3)轴力显著影响接缝初始抗弯刚度的保持,且轴力与初始抗弯刚度并非完全正相关,高轴力下初始抗弯刚度有一定下降;4)密封垫双道内外分布的负弯性能略优于正弯性能,密封垫双道外侧分布的负弯性能远超正弯性能;5)密封垫分布从轴力附加弯矩和核心区混凝土高度2方面影响了接缝的抗弯刚度;6)正弯矩下双道外侧防水性能优于双道内外的防水性能,而负弯矩下双道外侧防水性能较双道内外的防水性能差。由于具有更好的正弯性能以及至少有一侧密封垫受压的防水性能,密封垫双道内外分布的纵缝形式具有更好的适用性。

海底软弱地层浅埋大直径盾构对接开挖面失稳灾变机制研究

为探明对接距离对海底大直径盾构开挖面失稳机制及规律的影响,依托甬舟铁路金塘海底盾构隧道工程,建立考虑渗流的盾构隧道对接有限元模型,研究对接距离L对开挖面失稳机制以及极限支护压力的影响,并基于极限平衡法建立考虑渗流的盾构近距离对接开挖面极限支护压力理论模型。随着对接距离的增大,开挖面失稳形状和极限支护压力的变化可分为3个阶段。1)快速增长阶段(0<L/D≤0.4)(D为隧道直径):该阶段与单个隧道工况区别最明显,失稳区域由楔形体与仓筒组成;此时受对接隧道的阻碍作用最大,且开挖面附近水头场变化剧烈,渗流力占据主要部分。2)缓慢增长阶段(0.4<L/D≤0.7):失稳区域由对数螺旋体与仓筒组成,此时对接隧道的阻碍作用减小,因此极限支护压力在该阶段受对接距离的影响减小,增长缓慢。3)趋于平缓阶段(0.7<L/D≤1.5):失稳区域由对数螺旋体与倒棱台组成,此阶段对接隧道的阻碍作用可忽略不计,极限支护压力、失稳区域形状与非对接情况相近,可视为单个隧道工况。建立的理论模型得出的结果与数值模拟的结果接近,两者误差在10%以内,验证了该模型的可行性。

大直径盾构隧道内高速列车振动下管片接缝变形与防水性能仿真分析

[目的]为防治大直径盾构隧道渗漏水病害,保障高速列车行驶安全与隧道正常运营,必须对高速列车振动下的隧道管片接缝变形与防水性能进行分析研究。[方法]依托湛江湾海底隧道工程,利用有限元软件建立地层-隧道三维模型与密封垫-沟槽二维精细化模型。首先以纵缝为例研究了大直径盾构隧道内高速列车振动下管片位移动力响应与管片接缝变形特征,然后基于最不利管片接头变形工况分析了一种密封垫防水性能。[结果及结论]单列高速列车振动下管片接缝位移响应过程分为变形增加、变形危险与变形消退3个阶段;变形危险阶段管片环上部与左右两端处接缝张开且错台量较大,邻近接缝受两侧管片挤压作用张开且错台变小;轨道道床下接缝几乎无变形,轨道道床会大大减弱列车振动对管片衬砌的影响;密封垫与密封垫间接触应力呈U形分布,密封垫与管片沟槽间接触应力由中间接触部位向两边逐渐减小;相较于密封垫与管片沟槽间接触路径,密封垫与密封垫间接触面更易发生渗漏水。在本工程的最不利工况下,提供的一种三角形开孔密封垫能满足本隧道防水要求。

砂卵石地层大直径盾构施工的关键技术

[目的]总结分析砂卵石地层大直径盾构施工中盾构机选型、盾构始发与接收、盾构掘进姿态控制等施工关键技术,并提出具体的施工控制参数与施工控制措施,以减轻刀盘刀具磨损、降低地层损失、减小地层沉降变形。[方法]针对砂卵石地层结构松散、颗粒无胶结或弱胶结、颗粒粒径大、透水性强的工程结构特性,采用理论分析、现场监测等方法,从盾构机选型、盾构始发接收、盾构掘进姿态控制、盾构刀盘刀具的检测维修等方面深入分析砂卵石地层大直径盾构施工关键技术。[结果及结论]大直径盾构的刀盘开口率、刀盘刀具类型、渣土改良方案等应根据地层结构特性进行特殊设计,且有利于盾构排渣和超前切割;盾构井端头宜采取地层注浆加固、大管棚支护、施工降水等综合加固措施以保证大盾构始发或接收时地层的稳定;大直径盾构的掘进施工应重点控制刀盘转速、出渣量、出渣温度等参数,并应适当增大注浆量,提高渣土改良效果,避免过大超挖,保证地层损失处于合理范围内。采用上述施工参数与施工措施后,盾构掘进风险可控,施工质量与施工效率明显提升,同时大大降低了施工成本。

岩溶区大直径盾构隧道下穿机场飞行区不停航施工建设方案

[目的]为实现岩溶区下穿机场飞行区大直径盾构隧道不停航施工,需对不停航施工建设方案进行研究。[方法]基于广州白云国际机场三期扩建工程2号、3号下穿通道,分析机场飞行区不停航施工障碍物限制及道面区沉降控制要求,提出本工程道面区控制标准;结合岩溶区工程地质特点,提出浅埋大直径盾构隧道施工方案。建立三维精细化数值模型,分析盾构穿越施工对机场跑道影响,验证施工方案的可行性。[结果及结论]应尽量避免隧道底进入基岩,并满足隧道整体抗浮要求;应采取措施增大盾构隧道整体刚度,最大限度地减小对机场运营的影响。研究结果表明:由于穿越机场飞行区隧道设计主要考虑隧道施工期间道面区沉降对飞机安全运营的影响,故道面沉降控制标准按总沉降量不应大于30 mm且跑道差异沉降率不应大于1‰;根据数值分析结果,盾构穿越机场飞行区施工过程中,机场跑道沉降最大值为15.48 mm,最大差异沉降率为0.20‰,均满足机场跑道沉降限制值要求。

大直径盾构隧道预制中隔墙顶部节点整体受力分析研究

市域线大直径盾构隧道中隔墙主要承受由列车行驶产生的水平风压载荷,基本不承受竖向外载荷,使得其顶部节点是重要结构,需要对其力学性能进行研究。本文依托上海市机场联络线,介绍了其中隔墙顶部节点构造信息及数值模型等背景资料,随后阐述了不同构造下顶部节点计算分析与结果,最后对可能出现的顶部节点失效情况进行了受力分析。结果表明:今后中隔墙设计可按照连接件与中隔墙间无间隙的情况进行计算;当前连接件的焊缝、黏结强度均有一定安全储备;在可能出现顶部连接件掉落的情况下中隔墙会产生最大42.17 mm的侧向变形。

成都平原地区大直径盾构选型研究

为满足成都平原地区大直径盾构隧道建设需求,本文基于已建紫瑞隧道和锦绣隧道盾构选型经验,依托在建成渝中线铁路蜀安隧道工程,研究了大直径盾构选型问题,给出了盾构机适应性配置建议。研究结果表明:(1)土压平衡和泥水平衡均可适用于成都平原地区大直径盾构隧道修建;(2)当穿越地层以泥岩为主时建议优先选择土压平衡盾构;对于局部存在高水压或强透水地层地段,可辅以地表降水+注浆加固后采用土舱上部注浓泥浆保压掘进土压平衡模式;当泥岩和砂卵石地层长度相当时,建议优先选择泥水平衡盾构或土压-泥水双模盾构;当穿越地层以砂卵石为主时,建议优先选择泥水平衡盾构;(3)城区大直径盾构隧道对地层变形控制要求高,建议盾构机预留同步注双液浆和盾体外注克泥效等惰性浆液功能。

砂卵石地层大直径盾构侧穿筏板基础建筑沉降控制技术研究

为探究砂卵石地层大直径盾构侧穿筏板基础建筑过程中的沉降控制技术,依托成都轨道交通17号线二期龙爪堰站—清水河大桥站—浣花里站区间隧道施工项目,结合监测数据和施工参数,建立精细化数值模型对盾构施工过程进行了模拟。盾构侧穿后,右侧基础沉降较大导致建筑结构重心向右侧偏移,进而导致地下室中间柱竖向压应力明显增大。盾构侧穿过程中筏板基础建筑更容易出现向盾构一侧的整体倾斜,且建筑远离盾构一侧甚至可能出现轻微隆起。针对侧穿筏板基础建筑的盾构施工,建议特别关注建筑物的倾斜率,并考虑采用地层注浆加固和隔离桩施工方法以减小沉降。

大直径盾构隧道管片错台和姿态线形控制技术研究与探讨

为解决大直径盾构隧道掘进施工中经常出现的管片上浮、错台和线形偏差等难题,对多个大直径盾构工程设备和施工过程进行姿态模拟和现场测试,发现盾构主机经常采用低头或与隧道线形不一致的姿态掘进,管片脱出盾尾后会产生较大的上浮力或水平错动力,造成规律性错台或隧道线形偏差,还会造成管片开裂、破损和渗漏等问题。探究发现:盾构主机重心偏移、盾尾及后方管片上浮或姿态调整过度是造成管片规律性错台和隧道线形偏差的主要原因。分析认为:盾构姿态和隧道线形控制除了受地层性状和浮力等客观条件影响外,还主要受盾构设备、管片结构和施工控制3方面影响。在合理优化盾构设备主机自重、重心和注浆系统,强化管片环缝端面结构和抗剪设计的基础上,通过加强盾构姿态拟合、掘进参数管控和注浆工艺创新等措施,可实现大直径盾构隧道管片错台消减或规避、姿态和线形可控。

大直径盾构隧道衬砌力学响应关系量化研究

为深入研究大直径盾构隧道衬砌力学响应的量化关系,以华南地区某大直径盾构隧道陆域段为研究背景,利用岩土工程有限元分析软件Midas GTS开展研究。选择匀质圆环-地基弹簧模型作为计算模型,同时结合工程概况对计算参数进行合理取值,从而得到不同埋深和水深条件下变形和内力特征变量的变化规律。结果表明,除最小轴力外其余内力最值出现位置与顶部荷载水平L_(t)和横竖荷载比Rhv的关系图表现为明显的阶梯状,且致使不同内力最值位置的阶梯突变条件存在差异;同等条件下,内力最值与L_(t)呈现正相关,最小轴力随Rhv增加而增加,而最大轴力在某一分界线两侧增减性相反,弯矩和剪力最大值基本随Rhv的增加而单调递减,说明内力最值在不同程度上同时受两个荷载变量影响。此外,回归分析结果表明,横断面变形量和典型位置内力值基本与埋深和水深二元线性相关,且均对埋深变化更为敏感;轴力、弯矩、剪力对埋深变化的敏感性依次降低,轴力与弯矩对水深变化敏感性相当,且强于剪力。

我国大直径盾构关键技术及智能建造发展趋势

为阐明大直径盾构智能化建造方向,解决建造过程中出现的技术难题,以大直径盾构关键技术特点及智能建造发展为出发点,结合我国近年来大直径盾构智能化建造的发展历程及现状,立足大直径盾构存在的典型关键技术问题,从主驱动轴承损坏因素、刀具磨损状况、刀盘结泥饼原因、管片上浮问题等方面,探析大直径盾构建造过程的关键技术难点。基于智能建造技术的发展特征,从隧道装备机器人研发、感知系统研制、智能化掘进系统开发、智能化运维技术开发等多个角度,分析大直径盾构智能化建造的发展方向与趋势,阐述隧道智能建造关键技术的建设方案,为智能建造技术在大直径盾构隧道工程中的深度应用,推动隧道建设“智能化、精细化、协同化、高效化”发展提供参考。

大直径盾构隧道中隔墙施工流程及精度控制

以上海机场联络线3标为工程背景,对大直径盾构隧道中隔墙的作业过程及误差控制进行研究。首先,根据设计方案和施工情况,对中隔墙的整体施工流程进行梳理。其次,确定了中隔墙的安装方法,同时针对中隔墙安装精度提出相应的控制措施,既提高了中隔墙的施工效率,又具有安全稳定、成本低且易推广等特点。最后,选取部分中线拼装偏差测量数据,对中隔墙安装时的精度控制效果进行A类不确定度分析。结果表明:中隔墙的旋转中心距离中隔墙底部为4034 mm,中隔墙的抬升高度为1838 mm。对第995、1000、1005环的中线偏差数据采用A类不确定度予以评判,测量结果分别为1.05、2.05、3.06 mm,检测的次数各为20次,自由度为19,置信概率95%,测量精度很高。

大直径盾构穿越浅基础房屋群施工动态研究

基于成都地铁17号线二期踏水桥站—二仙桥站区间大直径盾构施工背景,结合盾构连续穿越陶玻酒店用品商城、圣灯寺派出所及周边小区等密集浅基础房屋群的施工难题,通过对盾构掘进过程中的施工动态特征的综合分析,研究了小曲线半径段盾构隧道施工稳定性以及浅基础房屋群沉降规律,以确保隧道成型质量和建筑物安全。

大直径盾构隧道下穿浅基础砖混房屋结构安全性影响研究

地铁盾构不可避免地穿越城市建(构)筑物,施工扰动对既有结构影响重大,尤其对浅基础砖混房屋结构,一定程度上改变房屋内部应力分布,影响结构安全,需重点关注。文章以深圳地铁穿越浅基础砖混房屋为研究背景,采用数值模拟与现场实测对比分析的方法,探究大直径盾构穿越施工对土体沉降规律及由此引发的房屋应力重分布的现象。研究发现,左、右线穿越时,房屋监测点均呈阶梯式变化;左线掘进时,靠近隧道中线的左侧房屋沉降最大;右线掘进时,最大沉降集中在右侧房屋。房屋基础不均匀沉降导致靠近隧道中线侧的房屋中隔墙、外墙出现应力集中。受到左线盾构掘进影响,房屋承载中心向隧道侧偏移,而右线掘进时应力集中出现在靠近双线叠加区外墙侧。基于沉降和应力2项控制指标,提出房屋安全系数评价方法,发现右线掘进对房屋安全系数影响较大,将降低房屋安全系数,需加强监测和及时加固。

大直径盾构隧道下穿河道护岸结构影响数值分析

如何保证大直径盾构隧道安全地穿越河岸护岸桩,是沿海及水系发达城市修建隧道面临的一项关键问题。针对深圳市望海路隧道下穿中心河护岸结构,通过数值模拟分析大直径盾构隧道施工对河道护岸桩的影响,结果表明:(1)盾构隧道开挖到距离护岸桩前10 m位置时,护岸桩开始出现水平方向位移,位于隧道边缘上方的护岸桩水平位移大于隧道中线上方的桩,最大位移3.75 mm。(2)隧道中线位置开挖土体较多,其上方的护岸桩竖向位移较大,为7 mm,靠近隧道边缘,开挖的土体较少,上方的桩竖向位移相对较小,为3 mm。(3)盾构隧道掘进到护岸桩下方,桩的位移迅速变大,隧道完全掘进通过护岸桩下方,桩的位移趋于稳定,盾构穿越护岸桩的过程在施工中需要重点监测。

大直径盾构隧道下穿高铁桥梁工程全过程风险管理机制研究

盾构隧道下穿高铁桥梁工程安全控制要求高,社会影响面大,在下穿工程的安全控制过程中,牵涉单位较多,需要新建隧道设计、施工、监理和铁路运营部门等相关单位的密切协作。由于工程风险因素存在于工程实施的各个阶段,因此,须建立一套完整贯穿工程项目全过程的全方位风险管理体系。论文通过分析工程现状与全过程风险,提出了合理的技术管理和风险管理方法,以保障工程的安全和质量。