盾尾密封失效诱发砂土地基盾构管片环失稳坍塌研究

盾构管片环失稳坍塌案例时有发生,探究其失稳坍塌发生条件对于预防重大安全事故发生具有重要意义。基于Midas GTS建立30环考虑环缝螺栓作用的荷载−结构计算模型,从盾尾管片环地基掏空和盾尾姿态突变2个方面探讨盾构管片环结构失稳破坏过程及失稳坍塌的发生条件。结果表明:盾尾渗漏使盾尾壳体失去了周围地基的有效约束作用,盾尾发生前仰后俯的姿态变化,隧道结构发生横向“横鸭蛋”和纵向挠曲变形,最终导致部分管片环坍塌。盾尾下沉位移是诱发管片环失稳坍塌的主要因素,盾尾下沉导致隧道纵向变形快速发展,快于盾尾渗漏引起管片环周围地基掏空所导致的隧道纵向变形。当盾尾下沉位移大于0.50 m且掏空范围大于5环、盾尾下沉位移大于0.45 m且掏空范围大于10环、盾尾下沉位移大于0.40 m且掏空范围大于11环时,环缝最大张开量超过单根螺栓极限应力时的环缝张开量47.43 mm,部分纵向螺栓被拉断,管片外水土发生喷射,加快管片环外砂土快速流失。当盾尾下沉位移大于0.5 m且掏空范围大于9环时,环缝最大张开量超过65.2 mm,管片环椭圆率超过46.1‰,最终诱发多环管片环失稳坍塌。研究结果可为盾尾渗漏诱发的重大安全风险评判提供参考。

隧道盾构管片非接触式全周形貌测量方法研究

针对隧道盾构管片几何质量检测的需求,提出了非接触式全周形貌测量方法。首先,遥控移动载体移动至测点,投影仪投射散斑图像,工业相机捕获并计算得到的点云数据;然后,采集多个测点;最后,将各局部点云数据进行拼接,获得被测物体的全周形貌。该快速半自动的检测方法可获得隧道盾构管片全周尺寸,精度达到0.2%。

TBM盾构管片台柱型定位销设计制备技术研究及工程应用

全断面硬岩隧道掘进(TBM)施工过程中同一断面内的相邻两个衬砌管片之间需要进行连接,若拼接施工存在问题或定位销出现变形,会引起盾构管片的上浮和错台。文章分析了传统定位销存在的缺点及施工方面的不便,设计了一种新型的定位销,对管片模具及预埋方式进行了修改,并对定位销的承载性能进行了研究。研究结果表明,将原来的纺锤形结构改为台柱结构,设置有多圈凸纹,可以有效增大定位销与定位销孔之间的摩擦力,方便施工和便捷安装。控制注塑材料的抗拉强度不低于80 MPa,制备而成的台柱定位销剪切强度达到了420.0 MPa以上,具有很高的力学性能。所制备的定位销在某引水隧洞工程中进行了工程应用,降低了TBM管片的制作难度及定位销的安装难度,取得了良好的工程效果。

超、卸载作用下考虑接头影响的盾构管片承载性能研究

地表堆载或侧方开挖卸载易诱发盾构隧道病害,影响施工及运营安全.现有研究难以综合定量评价超、卸载作用下盾构隧道的承载性能,其数值模型大多仅考虑环向或纵向接头的单一影响,将接头等效为切向及法向弹簧,难以考虑接头的非线性,或是直接将螺栓嵌入混凝土中,忽略螺栓预紧力的承载贡献,接头精细化程度不足.为此,建立考虑环、纵向接头的盾构隧道精细化数值模型,对顶部超载和侧方卸载工况作用下结构的受力特性和承载性能展开分析,获取不同工况下结构的承载极限及相应的变形阈值,并利用足尺试验验证了数值模型的可行性.研究结果表明:本文数值计算结果与足尺试验吻合良好,二者椭圆度变形差异小于10%;计算精度较仅考虑环向接头影响时提高约6%,较未考虑接头影响时(均质圆环)提高约30%,可实现盾构管片结构变形过程及损伤演化的动态模拟;盾构隧道有一定的富余承载力,当隧道上方超载达138 kPa或侧方压力卸载达26.3%时,结构相应的椭圆度分别为27.4‰和22.1‰,结构达到正常服役的极限状态,当隧道超出正常服役极限状态后,接头塑性铰逐步成型,结构软化并逐渐失效,接缝张开及管片错台也急剧上升;隧道侧方压力卸载达26.3%后,其接缝张开及管片错台曲线不再光滑,侧压卸载超36.8%后,曲线的起伏波动更为明显,隧道侧方卸载过程中结构受力响应更为复杂、敏感.

基于线激光传感器的盾构管片自动拼装方法

针对盾构管片自动化拼装中的管片位姿检测问题,提出了一种无需事先标记管片且适用于几何参数未知的盾构管片自动化拼装方案,并推导了管片位姿检测算法。该方案利用安装在拼装机器人末端执行器抓取板上的5个线激光传感器分别对管片的直边和弧边进行照射,通过检测线激光照射在管片边缘而产生的偏折点的3D坐标,逐步计算出管片在拼装过程中相对于拼装机器人的基坐标系的位姿,再据此计算出机器人将待拼装管片拼装至期望位姿时,机器人末端执行器相对于基坐标系的位姿,从而实现管片的自动化拼装。为了验证该算法的有效性,在实验室环境中搭建了基于线激光传感器的管片自动拼装实验平台,并利用该平台进行了管片自动拼装实验。实验结果表明,提出的盾构管片自动拼装方法在管片定位方面表现出较小的误差,且管片拼装最大错台为1.50 mm,最大间隙为0.96 mm,符合工程要求。这为盾构管片的自动化拼装提供了一种有效的技术解决方案。

冲击荷载作用下地铁隧道盾构管片破坏特性

为了研究冲击荷载下地铁隧道盾构管片的破坏特性,采用轻气炮试验和动力有限元数值模拟相结合的研究方法,对冲击荷载下盾构管片的破坏情况进行分析,通过分析管片单元的应力状态研究了冲击荷载下盾构管片的破坏机理。结果表明:以冲击位置为中心,盾构管片试件表面径向主要受压,环向主要受拉,相同位置压应变大于拉应变;不同速度子弹冲击下,管片正面冲击坑水平方向及竖直方向尺寸相差不大;随着子弹速度的增加,管片正面冲击坑尺寸不断增大,冲击坑的深度不断增加,冲击坑等效直径增长随子弹冲击速度增加呈“三段式”;沿着子弹冲击方向,盾构管片试件单元应力状态从三向受压变化到三向受拉,盾构管片冲击正面混凝土受压破碎,盾构管片冲击背面发生受拉破坏。研究结果可为管片抗冲击设计提供一定的理论基础。

基于三维点云的盾构管片拼装质量偏差评价方法

盾构机在掘进过程中,由于盾构姿态控制不当等因素,管片拼装时常发生错台值、椭圆度失准等工程质量问题,这些施工质量问题往往会对隧道的稳定性及安全性造成影响,为保证盾构隧道的安全施工与健康服役,在施工过程中对盾构管片拼装质量进行动态评估尤为重要。针对传统盾构管片拼装检测效率低,精度有限及检测数据全面性差等问题,应用三维激光扫描技术采集盾构管片拼装成型后的点云数据,通过长短轴法和改进的按斜率分割法分别对盾构管片的椭圆度和错台值进行测算;同时提出环段数据拟合提取隧道中轴线及中心点的方法,实现盾构管片拼装质量高精度、高效率、自动化检测。结合实际盾构隧道工程案例分析,验证基于三维点云的盾构管片拼装质量偏差检测方法的可行性。

改性聚醚引气剂的制备及其对盾构管片混凝土性能的影响

以顺丁烯二酸酐、多种脂肪酸、不同分子质量的聚乙二醇、苯乙烯磺酸钠、丙烯酰胺等为主要原料制备了改性聚醚引气剂,研究了改性聚醚引气剂和2种常用引气剂(十二烷基硫酸钠、改性松香热聚物)对盾构管片机制砂混凝土性能的影响。结果表明:3种引气剂中,改性聚醚引气剂的起泡效果最佳,泡沫稳定性高且经时损失小,有利于增大混凝土的含气量和坍落度;当引气剂折固掺量均为0.01%时,改性聚醚引气剂可明显改善混凝土内部孔结构,使混凝土的抗压强度、抗水渗透性和抗氯离子渗透性能均有所提高,批量生产的盾构管片质量符合CJJ/T 164—2011《盾构隧道管片质量检测技术标准》的要求。

盾构管片智慧工厂的研究与应用

随着城市现代化的不断深入,盾构管片在市域铁路、隧道工程等领域发挥着至关重要的作用,通过智慧工厂进行管片的生产,可有效提升盾构管片生产自动化水平和生产效率。阐述了智慧工厂在管片生产各环节中智能设备的应用情况,以期为盾构管片的智能化生产提供借鉴。

基于颗粒离散元的碳纤维混凝土盾构管片变形及裂纹扩展特性研究

[目的]南京地铁7号线晓庄站—万寿站区间盾构隧道处于岩层破碎、地下水发育处,该区间地质条件极其复杂,对预制管片抗裂和抗压强度要求较高,而普通混凝土管片无法满足结构抗裂要求,因此提出在混凝土中掺入碳纤维,并对碳纤维混凝土盾构管片变形及裂纹扩展特性进行深入研究。[方法]基于颗粒离散元理论,通过单轴DEM(离散元方法)试验的应力-应变曲线确定混凝土材料平行黏结接触模型的细观强度参数,建立碳纤维混凝土管片抗弯强度试验数值模型,对碳纤维混凝土管片的强度、破坏特征、裂纹扩展模式及变形等进行了分析。[结果及结论]抗弯强度试验数值模拟结果表明:在不同加载工况下,碳纤维对混凝土管片强度的提高作用有限,但碳纤维结构具有较大抗拉强度,显著提高了管片的抗变形和抗断裂能力;掺入碳纤维的混凝土管片在加载过程中,其底部先产生1条竖向张拉裂纹,随着加载的继续,底部产生3条竖向张拉裂纹且未出现压溃现象。当加载达到混凝土极限压应力时,管片出现了压缩裂纹;随着压缩裂纹与张拉裂纹贯穿,此时管片将会达到极限强度破坏状态。在加载过程中,碳纤维混凝土管片中存在变形最小区域,随着加载的持续,其变形最小区域从管片接头端部逐渐向压头位置转移。由此可见,碳纤维混凝土管片能够满足岩层破碎和地下水发育区间隧道的安全性和稳定性要求。

基于内聚力模型的盾构管片承载能力测试方法分析及评估:以福州滨海快线地铁项目为例

盾构管片的结构性能对于盾构法施工隧道的安全及正常服役有着至关重要的作用,因此有必要对盾构管片的受力性能进行详细的研究及了解。目前,针对盾构管片结构承载能力的试验测试方法主要有原型管片测试法以及更为经济的对称倾角梁测试法。为研究对称倾角梁所得的盾构管片承载性能与实际原型管片承载性能间的关系,基于内聚力模型,考虑混凝土缝间摩擦以及钢筋-混凝土界面法向分离,分别建立了混凝土潜在断裂面以及钢筋混凝土界面本构模型,提出了一种适用于盾构管片承载力分析的钢筋混凝土结构断裂损伤全过程数值分析模型,并基于已有的盾构管片原型试验对模型进行了检验。最后,基于福州滨海快线地铁项目所用的典型管片,采用已建立的模型分析了原型管片试验与对称倾角梁试验所得管片承载力间的关系,并对结果进行了分析及评估。

变形自诊断盾构管片生产工艺研究

在地下工程建设中,预制盾构管片拼装应用十分广泛。提出了一种变形自诊断盾构管片的工法。此盾构管片制作方法大幅降低外部环境对传感器的影响,保护所有传感器不被损坏,确保其正常工作。管片监测采用小型化光纤光栅传感器,具有抗电磁干扰、灵敏度高、重量轻、体积小、分布式测量等优点,能够对盾构管片全生命周期进行监测诊断。管片内传感器光纤线路形成端头开放式“U型光缆束”,避免了光纤中断造成传感器失效事故的发生,同时大幅缩短后期高空作业的强度和时间。所有光纤连接处全部隐藏于盾构管片内保护,大幅降低了隧道后期施工对光纤线路的损坏影响。变形自诊断盾构管片工法能够实现对盾构管片内的传感器进行保护和维修,同时设计的安装工序省时省力,为后续管片生产提供参考。

隧道盾构管片脱落对衬砌结构损伤的分析

为了研究隧道盾构管片脱落对衬砌结构损伤的影响,文章通过相似模型试验,对不同混凝土脱落区域盾构管片结构的力学性能进行研究,结果表明:混凝土出现剥落后,节段结构的有效截面积减少,抗弯刚度降低,管片衬砌结构的承载力显著降低,最大轴向力值逐渐减小,同时,影响相邻节段之间内力的传递,对纵向接缝造成损伤。研究为隧道施工安全提供参考。

大直径盾构管片模具盖板选型研究

随着近年来国内外盾构事业蓬勃发展,管片作为盾构隧道内主要承重构件备受关注。作为预制场集中加工的关键构件,管片生产工艺流程的更新迭 代也日益凸显。从厂房建设到生产线布置、模具加工等方面,都在朝着节约型方向不断发展。本文旨在探讨近年来大直径盾构管片模具制造中盖板选型的相关问题,为众多盾构管片生产企业提供关于管片模具盖板选型的参考。

盾构管片色差问题的成因及控制技术研究

本文对盾构管片色差形成的原因进行深入的研究,并对能够有效降低该问题影响的控制技术进行探索与提出。对影响盾构管片色差的各种因素进行分析研究后,以一套综合控制方案为基础,以材料选择优化工艺改进和施工质量控制三个方面入手进行探索与研究。实验结果表明,这套方案能有效的降低盾构管片的色差问题,促进工程质量的提高。因此本研究成果不仅为盾构管片色差问题提供了科学的解决办法,对隧道工程的质量管理也有一定的借鉴作用。以促进我国隧道工程建设质量的提高。

复合土层盾构管片分块形式对内力及变形的影响

基于数值模拟计算方法,建立了盾构衬砌管片二维数值模型,结合滇中引水龙泉倒虹吸盾构隧洞工程实例,计算了复合土层不同埋深荷载工况下各盾构管片分块形式(1/3封顶块、1/2封顶块、等分块)的内力及变形情况,总结分析了盾构管片分块形式对衬砌结构内力及变形的影响规律。结果表明:不同的分块形式对衬砌结构弯矩分布规律影响较大,而对衬砌结构应力及形变量变化的影响很小。

盾构管片制作常见质量缺陷及预防措施

近年来,盾构法因其具有机械化程度高、地面影响小、安全可控、进度快和造价低等优势,应用较为广泛,其中管片质量成为盾构法施工时关注的重点问题。对地铁盾构钢筋混凝土管片制作质量问题的成因进行分析,提出了相应的预防及控制措施,明确了管片质量缺陷修补的基本要求,有利于保障盾构管片制作质量的控制,为提高地下盾构工程的质量提供借鉴和参考。

数字技术在大直径盾构管片生产过程的应用研究

本文深入研究了数字技术在大直径盾构管片生产过程中的应用。通过数字化设计、智能制造系统和实时数据监控等技术手段,提高了生产效率和产品质量。分析了技术前景,包括新兴技术对生产的影响和技术发展的未来趋势。在政策与管理建议方面,提出了政府支持数字化基础设施建设和制定数字化产业发展政策的建议,同时强调了管理层制定数字化战略、加强团队培训和建立数字化生产管理体系的重要性。

基于点云的隧道盾构管片装配质量检测方法

传统的管片装配质量的人工检测是不及时且低效的。对此,文章介绍了一种基于点云数据(PCD)的数字化隧道盾构管片装配质量检测方法。利用3D激光扫描仪获得管片环PCD(srPCD)的几何信息,针对位错和变形提出了针对管片环的检测算法,包括srPCD预处理、管片接缝PCD提取和变形计算。将所提算法应用于实际盾构隧道工程案例中,检测结果验证了该方法的有效性。

大直径盾构管片式竖井设计研究

装配式竖井因其施工速度快、对周边环境影响小等优点已经用于停车场、风井以及顶管工作井等市政工程,但装配式竖井管片均为定制,经济性较差。为解决这一问题,以某污水提升泵站管片式竖井为研究对象,利用大直径盾构管片作为竖井管片并进行匹配的刃脚设计及防水设计。得到以下结论:(1)大直径盾构管片式竖井自重较轻,为了顺利下沉钢刃脚需设计凸台、刃脚踏面宽度为150mm、刃脚斜面与水平面的夹角为60°。(2)大直径盾构管片与钢刃脚仅通过螺栓连接较为薄弱,钢刃脚内部灌浆可增加管片式竖井的整体性能。(3)采用EPDM防水材料仅靠封顶块自重能满足管片在张开量20mm以上时拼装成功,此时已不能满足防水要求。因此大直径管片式竖井防水材料应以遇水膨胀橡胶为主。本文研究成果能够为盾构管片式竖井设计提供相关思路。