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。

考虑刀盘推力的泥水盾构隧道开挖面平衡机理研究及应用

现有泥水盾构隧道开挖面平衡机理中,开挖面的支护多认为全部由泥浆压力提供,刀盘推力在支护中的作用少有提及。针对穿沁泥水盾构隧洞工程存在的开挖面支护具体问题,结合开挖面支护主控参数分析,揭示了考虑刀盘推力的泥水盾构隧道开挖面平衡机理,给出了刀盘推力具体表达式。运用所揭示的平衡机理,结合提出的一种盾壳外侧摩阻力估计方法,对该工程的3个重点穿越段进行了开挖面支护力计算和稳定分析。研究表明:3个重点穿越段的掘进中,刀盘推力分别占开挖面支护力的21%,24%,11%;同时考虑泥浆压力和刀盘推力的开挖面支护力,与仅考虑泥浆压力相比,在开挖面前方的轴向水土合力存在区间内占比分别由0,0和78%分别提高至78%,32%和88%,表明刀盘推力在开挖面支护中发挥了重要作用。

基于泥水盾构废浆的新型同步注浆浆液性能及影响因素初探

为响应我国生态文明建设要求,遵从绿色发展理念以及推进“双碳”战略目标的实现,针对泥水平衡盾构施工过程中产生的废弃浆液的处理及外运的高成本、易污染环境等问题,提出将废弃泥浆用作制备同步注浆浆液的解决办法。依托成都环线紫瑞隧道建设项目,通过室内试验方法研究浆灰比、灰砂比、粉灰比对基于砂卵石土地层泥水盾构废浆制备的新型同步注浆浆液的泌水率、流动度、凝结时间以及3,7,28 d抗压强度的影响规律,得出以下研究结论。(1)基于砂卵石土地层废浆制备的新型同步注浆浆液稳定性良好。(2)新型同步注浆浆液的凝结时间随着浆灰比、灰砂比的增加而增长,随着粉灰比的增加而减小;流动度随着浆灰比、灰砂比的增加而增加,随着粉灰比的增加而减小。(3)新型同步注浆浆液的3,7,28 d抗压强度随着浆灰比的增加而减小,随着粉灰比的增加而增加,随灰砂比的增大呈先增大后减小的变化规律,在灰砂比为0.8时,达到最大值。(4)经试验研究得出使用废浆以浆灰比2.5、灰砂比1.25、粉灰比0.75制备的新型同步注浆浆液3 h泌水率为0,凝结时间为7.25 h,流动度为23.3 cm,3,7,28 d抗压强度分别为1.2,1.5,2.7 MPa,各项性能均满足试验指标要求,将此配比方案应用于依托工程实际施工,能够满足施工现场的要求。此研究为泥水平衡盾构废弃泥浆再利用于同步注浆提供了有效支撑。

跨海区域砾砂地层泥水盾构泥浆成膜效果试验研究

为揭示泥水盾构开挖面泥浆成膜规律,以青岛地铁8号线泥水盾构掘进的跨海区间为工程背景,阐述不同级配下泥浆的渗透成膜过程,分析高聚物、处理剂作用下3种泥膜形成机理,并结合特定砾砂地层设计成膜装置,采用控制变量法开展室内试验,选用2种粒径细砂调节泥浆级配,分析不同掺量制浆材料(NSHS-3)作用下的泥浆性质。试验结果表明:与粒径小于0.01 mm的细砂相比,粒径小于0.25 mm的细砂形成的渗透带抓抱效果较好且更适配砾砂地层。地层的颗粒级配相同时,泥浆黏度越高,其稳定性越高,泥膜容易形成且厚度较薄、质密、滤水量低,但添加剂过量会引起部分土颗粒聚沉,未加压时便附着在开挖面,进而堵塞盾构管道运输系统,泥膜稳定性较差且造成资源浪费。B6号泥浆加压过程中滤水清澈,滤失量较小,形成的“泥皮+渗透带”型泥膜强度较高,能保证开挖面稳定且絮凝较少,经济性较好。研究结论为类似地层泥水盾构施工改良提供参考。

砂卵石地层泥水盾构排浆管路渣石起动特性模型试验与仿真分析

泥水盾构在砂卵石地层掘进的过程中,由于排浆管路中存在大量不规则卵石,排浆管路输送尤为复杂。设计了环流试验装置,并基于计算流体动力学与离散单元法(CFD-DEM)耦合方法建立了三维瞬态数值模型,对不同形状、粒径、管路倾角、弯头及管径下的卵石起动特性进行了探究。在模型试验中,羧甲基纤维素钠(CMC)浆液被选为载液,透明亚克力管被选为载体;在CFD-DEM耦合模型中,分别通过流变测试和三维扫描技术考虑了浆液的流变性和不规则卵石的形状。结果表明:(1)当异形卵石粒径和管路倾角相同时,卵石的起动速度大小顺序呈现椭球状>扁平状>近球状;(2)当异形卵石形状和管路倾角时,卵石的起动速度随等容粒径的增大先增大后减小再增大;(3)对于球形卵石,在水平管路中,卵石的起动速度随粒径的增大先增大后减小再增大,在倾斜和竖直管路中,卵石的起动速度随粒径的增大而减小;(4)卵石的起动速度随管径的增大而增大;(5)卵石起动速度较大的位置主要出现在较大角度(如60°,90°)的弯头位置处,这是因为当管路倾角≥60°时,在弯头位置处将会出现漩涡区,漩涡区流速与主流区流速相反,阻碍卵石运动,因此在铺设管路时,应尽量减少倾斜角度较大(≥60°)管路的铺设,多采用水平管路或倾斜角度较小(≤45°)的管路。

超大直径泥水盾构水中接收关键技术研究——以汕头海湾隧道为例

为解决超大直径泥水盾构在临海富水淤泥、砂层接收洞门的涌水、涌砂、涌泥地层存在的技术难题,以汕头海湾隧道工程超大直径泥水盾构在富水地层采用的接收关键技术为例,分析超大直径与小直径盾构水中接收的区别。基于超大直径盾构接收流程,阐述了超大直径泥水盾构在接收工作中端头加固、接收井封堵墙施工、接收基座施工、单层玻璃纤维筋洞门破除、贯通测量、接收掘进与注浆、洞门封堵等方面的解决方法,从盾构姿态控制、掘进参数控制、注浆控制、管片复紧、洞门临时封堵几个方面对超大直径盾构接收关键技术进行分析;通过采用设置砂浆接收基座为盾构接收提供足够的反力,保证盾构机出洞安全;借助同步注浆和二次注浆封闭补强质量,加强管片复紧,确保盾构隧道结构强度稳定;在最后5环使用多孔特殊环管片,提高注浆效果。然后,通过排水清砂并从上及下逐次施作钢筋骨架加喷射混凝土封堵洞门、降低无封堵洞门暴露时间、确保洞门施工安全等措施,保障水中接收的安全性。

泥水盾构高含水率超高黏粒含量废弃泥浆絮凝脱水试验研究

针对江阴第二过江通道工程中泥水盾构产生的高含水率超高黏粒含量废弃泥浆泥水分离困难、处理效率低的问题,采用阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)、聚合氯化铝(PAC)和聚合氯化铝铁(PAFC)3种絮凝剂开展泥浆絮凝试验,研究不同絮凝剂的絮凝脱水效果,选取底泥等效含水率、界面沉降速率、上清液浊度、泥浆脱水率以及Zeta电位作为评价指标,分析絮凝剂类型、用量、复配形式等对絮凝效果的影响,并探讨不同絮凝剂的絮凝机制。试验结果表明:1)不同絮凝剂对应的泥浆脱水效果排序为APAM>PAFC+APAM≥PAC+APAM>PAFC≥PAC,上清液浊度去除效果排序为PAFC>PAC>PAFC+APAM>PAC+APAM>APAM;2)有机絮凝剂APAM的最适投加量与其分子量密切相关,且不同分子量APAM的极限脱水率不尽相同,药剂分子量保持在1200万~1400万时,脱水效果最佳;3)PAFC+APAM复配絮凝剂对本依托工程中高含水率超高黏粒含量废弃泥浆调理效果最好,PAFC溶液和APAM溶液的最适投加量分别为33 g·L^(-1)和233 g·L^(-1),对应的PAFC和APAM干物质投加量分别为1.6 g·L^(-1)和0.466 g·L^(-1),在此条件下,泥浆90 min脱水率为29.6%,上清液浊度可降低至62.0 NTU;4)复配絮凝剂的脱水效果主要由有机絮凝剂APAM长链的吸附架桥作用主导,对上清液浊度的去除主要与无机絮凝剂PAC和PAFC的电性中和作用相关。

泥水盾构施工循环掘进泥浆制备试验研究

为实现盾构废弃泥浆循环利用,将废弃泥浆应用于掘进泥浆制备,依托南京长江新济洲过江供水廊道项目进行室内试验,对比了废弃泥浆和膨润土所制备掘进泥浆的性能差异,分析了废弃泥浆制备掘进泥浆的可行性;研究了废弃泥浆黏粒含量及配比对掘进泥浆性能影响的规律;建立了掘进泥浆性能指标的拟合公式,并基于拟合公式进行了废弃泥浆制备掘进泥浆的配比优化分析。研究结果有效证明了废弃泥浆制备掘进泥浆的可行性,且通过配比优化,确定了依托工程利用废弃泥浆制备掘进泥浆的参考配比:固水比0.22,膨黏比0.28,羧甲基纤维素钠(CMC)掺量0.32%。经配比优化后的掘进泥浆能够满足性能要求,可为工程中利用废弃泥浆循环制备掘进泥浆的配比确定提供参考。

泥水盾构隧道地层渗透压力的确定及规律研究

泥水盾构隧道施工中的地层渗透压力是设定开挖仓泥水压力等施工参数的主要依据之一。为提高地层渗透压力计算的准确性,开展泥水盾构隧道地层渗透压力的确定方法及规律研究。考虑土体开挖、泥水支护、壁后注浆等施工因素,建立模拟泥水盾构施工动态过程的三维流固耦合模型,分析盾构掘进和同步注浆等施工作业以及地层情况对地层渗透压力的扰动范围和扰动程度,基于此提出泥水盾构隧道地层渗透压力的修正公式。结果表明:当注浆压力为200~500 kPa时,盾构施工对地层渗透压力的最远影响范围为距离开挖面前方4.5环处;在相同注浆压力下,对岩层渗透压力的扰动范围最大,砂土层次之,黏土层最小;采用修正公式得出的地层渗透压力计算值与实测值变化趋势基本一致,验证了修正公式的合理性。

泥水盾构废弃泥浆絮凝脱水机理及影响因素分析

为明确泥水盾构废弃泥浆固液分离性能,提高泥浆固液分离效率,采用化学絮凝的方法对建筑废弃泥浆快速泥水分离性能进行了试验研究,开展了不同种类聚丙烯酰胺(PAM)作用下废弃泥浆絮凝沉降试验、颗粒级配试验及浊度试验研究,考察了药剂种类(APAM、NPAM、CPAM)、分子量及用量对废弃泥浆絮凝沉降特性的影响规律。试验结果表明:APAM和NPAM对废弃泥浆固液分离效果显著,CPAM对废弃泥浆并无明显絮凝作用;对于APAM而言,当其分子量分别为1200万,1600万和1800万时,废浆絮凝效果最佳时的添加量分别为0.35g/L、0.3g/L和0.25g/L;对于NPAM而言,当其分子量分别为1200万,1600万和1800万时,废浆絮凝效果最佳时的添加量分别为0.3g/L、0.3g/L和0.25g/L,且在最佳添加量的情况下,底泥体积、底泥含水率和上清液浊最小,泥浆粒径参数D50最大;APAM与废弃泥浆颗粒之间的作用方式主要是“吸附架桥连接”,NPAM与废弃泥浆颗粒之间的作用方式主要是“电性中和”与“吸附架桥连接”。

泥水盾构带压更换刀筒闸门技术研究

泥水盾构施工过程中常压换刀刀盘因频繁换刀会引起刀筒闸门磨损,更换刀筒闸门时,刀筒闸门周围土体需处于相对稳定状态,否则会引起塌方或涌水等问题,甚至可能导致盾构机淹没等安全事故。以南京市和燕路过江通道为工程背景,研究并解决了带压更换刀筒闸门的施工重难点,包括地下水的封堵、泥膜形成、舱内气压稳定等,提出了包括制作止水环、形成泥膜、带压更换刀筒闸门等环节的施工操作规程,最终取得了良好的施工效果。

泥水盾构排浆系统输送大粒径卵石管道的压力损失

泥水盾构在砂卵石地层掘进时,排浆管道将输送大量大粒径卵石,导致浆体产生不稳定湍流,这给管道压力损失的确定带来了挑战。该研究设计了环流试验装置,以CMC透明黏性浆液为实验用泥浆,建立了基于计算流体动力学与离散单元法(CFDDEM)耦合的三维数值模型;以粒径为5~80 mm的卵石为对象,分析了卵石粒径级配、浆液流速、卵石体积分数以及管道倾角对管道沿程压力损失的影响规律。研究结果表明:同一卵石粒径级配、卵石体积分数与管道倾角下,管道沿程压力损失随浆液流速的增加大致呈指数函数规律增加;对于水平管道,不同卵石粒径级配下的管道沿程压力损失差别较小;在低浆液流速(v <2 m/s)下,管道沿程压力损失随卵石体积分数的增大呈线性规律增加,在较高浆液流速(v≥2.0 m/s)下,管道沿程压力损失随卵石体积分数的增大呈指数函数形式增加;对于倾斜及竖直管道,同一卵石粒径级配、卵石体积分数与浆液流速下,管道沿程压力损失随着管道倾斜角度的增大首先表现为缓慢增加,然后呈急剧增加,其转折点的管道倾角为60°。此外,在泥浆浮力以及湍流的作用下,大粒径的卵石难以克服自身重力达到完全悬浮的运动状态,因此,大粒径卵石主要沿管道下壁面运动,且在管道弯头处压力存在明显的分层现象。

水下隧道复合地层超大直径泥水盾构刀盘刀具设计及应用实例

刀盘作为盾构关键系统之一,其对复合地层施工的超大直径盾构安全和效率影响很大。针对复合地层刀盘设计的问题,首先,对比常压刀盘和常规刀盘结构差异与适用的条件,总结刀盘刀具设计的一般性流程;其次,以某水下隧道盾构刀盘设计为例,进行刀盘选型与刀具布置、结构校核计算,并提出优化提升措施;最后,完成基岩突起地层盾构刀盘刀具配置并在工程中应用。研究与应用结果表明:(1)基岩段无辅助工法直接掘进通过时刀盘工作状态较好,说明实验与仿真结合的刀盘设计流程比较合理,刀盘选型及刀盘刀具设计方案可行;(2)刀盘结构在保证强度、刚度、振动性能指标的基础上,结合不良地质因素需重视磨损、泥饼等潜在问题,在刀盘设计阶段提出解决措施很有必要;(3)常压换刀装置配置磨损监测、温度传感器等单元,必要位置可增设载荷监测装置,提高刀具状态判识水平,有助于合理施工。

基于双层LSTM的泥水盾构掘进运行状态监测方法研究与应用

为降低盾构隧道施工过程中对施工人员经验的依赖程度,提高施工的安全性和稳定性,提出基于双层长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM)的盾构掘进运行状态监测方法。首先,在建模之前对数据进行预处理,结合极致梯度提升(XGBoost)算法和经验知识,从运行变量中筛选出推力、贯入度、转矩、推进速度等各模块重要的特征变量及其相关变量,以此作为盾构掘进运行状态监测模型的输入,并以盾构关键特征变量作为监测模型的输出;然后,采用深度学习方法,建立双层LSTM故障监测模型,提取环内以及环间的时序关联特征,构建监测统计量T2和Espe,对不同情况下的数据设定不同的监测策略;最后,将模型应用于济南黄河隧道东线工程中,对本文所建立的模型进行验证,并与无时序特征学习的自动编码器模型AE(auto encoder)、单层LSTM模型以及其他算法的监测效果进行比较。研究结果表明:对于正常掘进环,双层LSTM方法的误报率<1.25%;对于掘进状态异常环,双层LSTM的监测准确率达到91.6%,验证了本文方法对于盾构隧道掘进运行状态监测的有效性。

穿越多种典型地层的跨海超大直径泥水盾构选型及针对性设计——以青岛胶州湾第二海底隧道为例

为缓解海底隧道盾构段施工中存在的关键问题,以青岛胶州湾第二海底隧道TJ-06标段为实际工程背景,针对“深蓝号”超大直径泥水平衡式盾构长距离、高水压穿越上软下硬土岩复合地层、全断面凝灰岩、断层破碎带、全断面花岗岩时的刀盘刀具磨损、刀具破岩能力不足、泥水舱滞排、刀盘泥饼堵塞和盾尾密封失效与主驱动密封失效等关键问题与难点进行针对性设计与研究,采取减小刀间距、优化刀具布置与形式、采用大直径短螺旋后接颚式破碎机排渣模式、加强并优化刀盘与泥水舱的冲刷等设计方案,实现了降低能耗、减少刀具损坏、缓解泥水舱滞排、提高施工效率,并极大地确保了施工安全的实施效果。

城市泥水盾构隧道泥膜稳定性模拟分析

[目的]由于厦门地铁3号线工程在隧道施工中,泥水盾构段始发端头隧道砂层与海水有贯通联系作用,盾构始发时可能发生涌水、涌泥及地面塌陷事故。故有必要研究城市泥水盾构隧道泥膜的稳定性,以确保施工安全。[方法]采用DEM-CFD(离散元-计算流体动力学)耦合法,构建了模拟不同渗透条件下泥膜成形和渗透过程的数值模型,并通过分析泥浆颗粒的空间分布、泥膜液压变化及力链网络来评估泥膜的抗渗稳定性。[结果及结论]砂粒尺寸和泥浆黏聚力的增加分别抑制和增强了泥膜的形成及其在动态水力载荷下的长期抗渗性和机械稳定性。黏聚力的增加对泥膜成形密度和抗渗稳定性都有提升作用,然而对于粒径较小地层的泥膜抗渗稳定性的提升有限。在砂质地层中,当孔隙较大且黏聚力低时,泥膜易崩坏,但增大黏聚力可有效增强稳定性。因此,通过选配合适的粒径比和泥浆黏聚力,可以提高泥膜的抗渗稳定性以满足工程需求。

大直径泥水盾构常压刀盘滚刀刀筒适应性分析

为解决大直径盾构常压刀盘后置式滚刀刀筒在实际应用中存在刀具振动、非正常损坏频率高的问题,研究设计了一种新型的前置式滚刀刀筒。为检验前置式滚刀刀筒的可靠性,研究将前置与后置刀筒性能进行对比,将理论分析和实践应用相结合对刀筒结构的适应性进行分析。结果表明,新型刀筒结构设计较为合理。

泥水盾构穿越闽江砂层江面冒浆处置及刀盘脱困技术

以某城际铁路江面冒浆事件为例,分析江面冒浆及刀盘抱死原因并研究相关处置技术措施。通过现场实践可知,采取的相关技术措施可靠有效,且周边建筑物安全稳定,并可快速完成处置恢复掘进,可为类似盾构穿越江河施工提供借鉴。

超大直径泥水盾构穿越上软下硬地层掘进技术研究

和燕路过江隧道八卦洲站至和燕路站A3标项目穿越上软下硬地层,地质情况复杂,施工难度大。以该项目为例,从施工重难点、盾构机掘进技术、盾构机姿态控制、盾构机换刀控制对上软下硬地层盾构掘进施工关键技术进行了阐述。通过实践表明,在上软下硬地层掘进中,盾构机选择合理的推进参数,能有效降低刀具损坏的速度,还能降低地表坍塌和击穿的风险,并在很大程度上提升了掘进施工效率。

泥水盾构穿越海域富水构造破碎带施工技术

盾构穿越海底破碎带,在海水高水压条件下,可能会发生渗漏水的风险。为解决泥水盾构穿越海域下富水构造破碎带的技术难题,以深圳某地铁工程为例,通过分析工程地质和水文地质条件,介绍盾构下穿海域破碎带会面临的风险,并从盾构机配置,包括盾构机选型、刀盘及刀具配置、盾尾刷及铰接密封;破碎带加固技术措施;刀具更换;盾构下穿海域技术措施等方面介绍盾构顺利穿越海域破碎带的技术和方法,为类似工程提供借鉴。