基于EDEM的砂卵石地层盾构刀具磨损特征研究

为揭示砂卵石地层土压平衡盾构典型刀具的磨损特征,指导该地层中盾构刀具的设计、布置等关键问题。采用室内三轴试验及数值离散元软件(EDEM)仿真分析,标定了颗粒-刀具磨损接触参数。依托北京新机场“磁各庄-1号风井”砂卵石盾构工程,构建了砂卵石地层EDEM数值盾构模型,可视化了砂卵石地层土压平衡盾构中典型刀具(楔犁刀、刮刀)的磨损特征,通过实际工程对模型进行了验证。研究表明:(1)以犁松原状砂卵石土为目的的楔犁刀具是掘进主切削刀具,表现为刀头合金表面以及刃角处连续的摩擦磨损形式,磨损量较大;(2)以剥落输排为目的刮刀主要表现为刀身迎土面以及刀头合金表面随机的点蚀磨损,磨损量较小;(3)刀盘径向刀具的磨损量随轨迹半径及刀体高度的增加而增大,同轨迹上高刀的磨损系数高于低刀,高刀对低刀的磨损有保护作用;刀盘径向刀具和环向刀具的“梯次化”布置可延长盾构单次连续掘进距离。

成都地区卵石地层深基坑开挖的土压力计算方法

[目的]现有土压力理论计算方法未考虑卵石地层孔隙度大、结构松散等离散性特点,计算结果与实际土压力有所偏差,需要研究适用于成都地区卵石地层的土压力计算方法。[方法]以成都轨道交通7号线为依托,分析卵石地层深基坑土压力与朗肯土压力理论值的差别,并建立深基坑开挖土压力计算方法。采用离散元数值模拟和数据统计分析,获取围护结构平动、围护结构绕墙顶转动和围护结构绕墙底转动三种基本变位模式下静止土压力、被动土压力和主动土压力的分布特征。与朗肯土压力理论计算结果进行比较,得到不同变位模式下三种土压力的修正系数,并建立深基坑土压力修正计算方法。进一步与现场实测数据比较,对比验证所提出的土压力计算方法。[结果及结论]主动土压力和被动土压力分布形式具有强烈的非线性,可采用双折线进行描述,交点分别位于埋深8 m和9 m处。静止土压力修正系数分布在0.91~0.96之间,在使用时不需要修正;主动土压力修正系数分布在0.33~0.78之间,被动土压力修正系数分布在0.52~0.91之间,在使用时应予以修正。所提出的卵石地层深基坑土压力计算结果与现场实测结果吻合较好,可为类似轨道交通工程提供参考。

卵石地层偏压深基坑支护结构力学特性及影响因素分析

依托洛阳市周山大道下穿开元大道项目,对卵石地层偏压深基坑支护结构力学特性及影响因素进行研究。采用MIDAS GTS NX建立二维有限元模型,对比不同条件下支护结构侧向位移、弯矩和轴力,探讨深基坑旁偏压荷载位置、大小、分布宽度及基坑开挖深度对基坑支护体系变形的作用,得出桩身随条件变化方程式及相关系数。结果表明:当堆载达到60 kPa,左侧桩体位移变幅为56.80%,右侧桩体位移小于左侧且向远离基坑方向移动,坑边荷载≥105 kPa时桩体变形将达到本项目规定预警值;堆载与坑边距离的大小和围护桩侧移量呈极高相关,基坑至堆载距离大于1.5倍设计开挖深度时,支护结构受力变形趋于稳定;基坑开挖深度达到1.8倍设计开挖深度时,基坑灌注桩受到荷载分布宽度影响几近于零。工程实测值与模拟计算值对比分析,验证了本文方法的准确性,可为偏压深基坑工程提供借鉴。

基于博弈论与可拓云的盾构掘进安全稳定性评价

为了研究对盾构掘进安全稳定性评价过程中各评价指标间的模糊性、随机性和各个指标的权重问题,选取地面沉降、建筑物沉降、河堤沉降、管线沉降以及管片沉降等监测数据作为评价指标,采用博弈论、层次分析法和熵值赋权法进行了组合赋权,通过可拓云模型计算评价指标的期望、熵和超熵,运用Matlab计算并绘制了各评价指标的云滴图。最后,将博弈论赋权结果与可拓云模型计算结果相结合,构建了盾构掘进安全可拓云综合评价模型,对实际工程案例中19组监测数据进行了安全稳定性评价,并与模糊综合评价结果进行了对比。结果表明:案例中盾构隧道区间安全稳定性评价指标的重要性排序依次为建筑物沉降、管片沉降、地面沉降、管线沉降和河堤沉降;综合评价结果为8个Ⅲ级,4个Ⅱ级,7个Ⅰ级,其中,对于Ⅱ级和Ⅰ级数据组附近需采取相应的预防措施;评价模型能够反映各指标之间的不确定性关系,避免了单一赋权的片面性,相较于模糊综合评判其计算结果更符合客观实际情况。综合上述研究提出了一种基于博弈论理论与可拓云模型相结合的综合评价方法,为盾构施工安全评价提供了新的方法和思路。

基于PSB钢筋的高强度锚杆精细分区抗浮及受力分析

随着建筑物地下室的埋深增加、地下水位升高以及极端恶劣天气的影响,对抗浮锚杆的性能提出了更高的要求,传统抗浮锚杆的局限性日益明显。为了解决建筑物因不同区域结构自重和地下室底板埋深差异带来的抗浮难题,本文通过精细分区抗浮设计,采用精轧螺纹钢筋代替普通钢筋的高强度扩大头抗浮锚杆解决了抗浮问题,其单根抗浮锚杆的抗拔承载力为560 kN,在最大试验荷载840 kN作用下锚头最大位移仅为5.25~9.97 mm,平均值为7.91 mm,卸荷后回弹率为18.09%~46.26%,未出现破坏,展现了优越的性能。高强度扩大头抗浮锚杆存在3种类型的应力-应变模式,(压密)-预应力抵消-扩大头端压是抗浮锚杆的理想应力-应变模式,其在1120 kN荷载作用下仍能保持正常维持收敛,且抗拔承载力为560 kN时仅处于预应力抵消阶段,仍具有很大的承载潜力。

富水卵漂石地层盾构近距离下穿运营地铁隧道施工技术研究

[目的]富水卵漂石地层盾构下穿既有地铁线路施工过程中,易导致既有地铁线路上方土体不规则沉降超出控制范围,进而可能引发地下水喷涌和地面塌陷问题。为此,需要对富水卵漂石地层盾构近距离下穿运营地铁隧道的施工技术进行研究。[方法]以新建成都地铁17号线凤溪大道站盾构下穿既有地铁4号线为案例,在阐述工程概况的基础上,选取了4个地面沉降测点和4个深层土体沉降测点,分析了盾构掘进过程中地层的沉降变化规律。采用MIDAS GTS软件建立了三维有限元模型,对采用38 m超长管棚与斜向注浆相结合的加固施工进行模拟,对4号线隧道预加固效果进行了分析。基于此,明确了地面跟踪注浆的时机,进一步分析了地面跟踪注浆的效果。[结果及结论]该加固措施有效提高了4号线结构底部土体的整体性,改善了4号线结构的受力状况,有效控制了4号线的结构沉降。

砂卵石地层中地铁盾构隧道开挖面稳定性离散元数值模拟研究

为了研究砂卵石地层坍塌失稳模式,建立隧道开挖面稳定性的三维颗粒流数值模型。首先将砂卵石土层从松散到致密分为4种情况,并进行参数标定;接着分析埋深比和内摩擦角对隧道开挖面破坏模式、极限支护力等的影响规律;最后,对砂卵石地层中隧道开挖面失稳模式开展研究,并基于数值模拟结果对砂卵石地层中塌落拱的高度进行修正。研究结果表明,(1)内摩擦角越大,支护力受埋深比的影响越明显;不同埋深比下,极限支护力均随着内摩擦角的增大而减小,并且埋深比越大,支护力受内摩擦角的影响越明显。(2)随着内摩擦角的增大,破坏区逐渐减小;在相同内摩擦角下,埋深比大时破坏区范围更大。(3)当埋深比超过1.0时,大部分地层都可以成拱,其破坏区形状为椭球体和旋转抛物面形成的组合体。(4)浅埋情况下,塌落拱无法形成,修正公式与模拟结果误差均在15%以下,修正公式具有一定的适用性。

无水砂卵石地层隧道内长距离大管棚施工技术

无水砂卵石地层中开挖易引起塌方,可采用大管棚支护。然而该地层中管棚打设困难,长距离打设还存在精度低、地层扰动大、变形大的问题,且缺乏经验。基于此,以北京地铁工人体育场站暗挖工程为背景,通过多组大管棚打设试验,比选得出打设长40.2 m的大管棚时可采用冲击旋转跟管钻进、高压风排渣的方法;据此调整确定了超长92.9 m大管棚打设所需设备和参数,并在现场成功实现了单根长度12.7~92.9 m、总长度58331 m的大管棚的打设,且打设精度高、质量好、地表变形小。最终提出隧道内无水砂卵石地层中超长大管棚打设施工工艺和重点控制措施,研究成果可为类似工程提供指导,弥补大管棚技术在无水砂卵石地层应用中的不足,具有重要工程意义。

成都砂卵石地层双线隧道Peck公式参数取值研究

基于成都地铁开挖引起地表沉降的大量实测数据,结合成都市砂卵石地层性质,在正常盾构工况下,运用Peck公式对各典型断面实测数据进行位移反分析,得出沉降槽宽度系数i和地层损失率η。深入分析公式中沉降槽宽度i,地层损失率η与隧道埋深及地层物理力学性质相关性,并得出适应于该地层下的Peck公式参数与隧道埋深及地层性质的关系公式和Peck公式参数取值范围。运用沉降叠加原理,建立正常工况下,砂卵石地层双线平行盾构开挖地表沉降预测公式,并与成都其它砂卵石区域盾构开挖地表沉降实测数据进行比较,通过实例验证其适用性。研究结果可为今后成都市及其它地区相似地层下地铁建设提供参考和依据。

复杂地层大直径泥水盾构刀具磨损规律分析

分析了南京某越江泥水盾构隧道施工过程中8次换刀刀具磨损情况。对切削刀刀具磨损进行系统分类,分为两大类、九小类;研究得出：粉细砂地层中刀具磨损较小,该地层中刀具磨损过程分为三阶段,先行刀容许切削轨迹长为1 300 km;砂卵石地层刀具磨损严重,该地层刀具磨损过程分为两阶段,距离刀盘中心最远处刀具磨损普遍严重,随着掘进断面砂卵石含量比例增加刀具磨损相应增大,先行刀容许切削轨迹长为180-230 km,研究得出在砂卵石地层中刀具磨损的包络线。

砂卵石层盾构施工地层损失原因分析与施工对策

目前成都地区盾构施工穿越砂卵石地层诱发的滞后地表塌陷问题成为关注焦点,而导致地表滞后塌陷现象的根本原因是地层损失和土拱效应,因此研究导致盾构施工地层损失的原因意义重大。文章结合成都地铁1、2号线砂卵石地层盾构施工实际情况,总结出了在砂卵石地层中盾构施工引起地层损失的主要影响因素(地层特性、施工掘进参数和施工辅助措施);并针对不同地层损失,提出了相应的施工对策。

富水卵石土地层盾构隧道运营对环境影响分析

针对富水卵石土地层颗粒分布不均、卵石含量高等特点,以成都某地铁区间隧道工程为背景,采用FLAC3D软件分析了列车振动荷载作用下地表及建筑物的竖向动力响应特性。结果表明:随着距轨道水平距离的增大,地表竖向动力响应逐渐减弱,且在距隧道较近处衰减缓慢,在较远处衰减明显;整体上建筑物的动力响应随楼层升高有缓慢增大的趋势;随着水平距离的增加,同一楼层处的动力响应有显著的衰减现象,且距离越远衰减幅度越大;地表和建筑物的动力响应均集中在0～12 Hz和20～25 Hz两个频率带内,属于低频振动。研究结果可为进一步完善城市振动控制标准提供参考。

砂卵石地层浅埋暗挖法快速施工技术

北京地铁四号线三期区间隧道穿越砂卵石地层，存在围岩易塌落、隧道底部起鼓和涌砂、顶板上方土体沉降，影响道路和桥梁安全等施工风险，并且不易钻孔注浆，工效较低。针对以上问题，改进了小导管设计参数和注浆参数，提出了砂卵石地层浅埋暗挖法“早封面、管细短、少扰动、快凝固、固拱脚、中拉槽”施工原则，施工效果较好，月进度达60-70m。文章介绍了砂卵石地层台阶法施工工艺，提出了下台阶反核心土开挖，以及小导管注浆和锁脚锚管施工要点。

砂卵石地层盾构施工引发的滞后地面塌陷机理

针对砂卵石地层盾构施工地面突发塌陷频发的情况,结合成都地铁1、2号线地面塌陷实例,研究了盾构施工引发的滞后地面塌陷机理;分析了砂卵石地层地质条件,利用大型三轴剪切试验获得其力学特性;选用颗粒离散元法进行数值计算,通过三轴数值试验标定了土体的细观参数;通过数值计算模拟了开挖面失稳和空洞向地表移动。研究结果表明,当开挖面支护压力较小时,位移大于0.1m的颗粒接触力极低,该区域的土体孔隙率变大、力学性质也降低,该区域是开挖面失稳区,掘进过后将在盾构上方形成空洞;砂卵石层开挖面上方土体成拱作用明显,即使土层内部形成空洞,也不会立刻引起地面塌陷,这是地面滞后塌陷的重要原因。

砂卵石地层空洞的安全性定量评价方法浅析

随着北京、成都等地地铁建设的蓬勃发展,由盾构等人为扰动所形成的地层空洞也频频发生,严重威胁地面行人以及建构筑物安全。目前对于砂卵石这种特殊土层地层空洞的形成及其受力及演化方式的认识不充分,对其安全性的判定没有较为明确的定量判定。本文通过对实际施工成拱特性的受力机理进行分析,结合数学计算推导出地层空洞的成拱高度计算表达式,同时借用这一转换条件提出了一种砂卵石地层空洞的安全性定量评价方法。

盾构隧道开挖对邻近桩基三维影响试验研究

参考清华园隧道盾构段全线近距离侧穿北京地铁13号线桩基的工程背景建立试验模型,开展卵石地层中盾构施工对邻近桩基三维扰动特征研究。试验模型中共布置5根模型桩(1#~5#桩)。以1#桩为例分析了盾构掘进过程对桩基的三维影响特征,发现附加弯矩主要产生在刀盘距桩基-0.5D至0D阶段,横向弯矩最大值是纵向弯矩最大值的2倍;附加轴力主要产生在-0.5D至1.5D阶段,桩顶附加沉降主要产生在-1D至1D阶段,桩端附加承载力在-0.5D至2D阶段持续增长。对比1#、2#和3#桩研究了桩-隧不同水平间距对桩基扰动规律的影响,发现桩基的附加沉降、附加弯矩和附加轴力均随与隧道水平距离的增大而减小,弯矩最大值的位置随着距离的增大而逐渐上移。对比1#、4#和5#桩分析了桩端相对竖向位置对桩基扰动规律的影响,得出桩端位于隧道拱顶的桩基的附加弯矩明显小于桩端位于中心线及拱底处桩基的附加弯矩。

卵石层中灌注桩桩端压力灌浆及桩承载特性分析

结合某高速公路工程中的两座特大桥梁桩基的现场静载试验,研究了桩端压力灌浆技术对卵石地层中灌注桩的适应性以及卵石地层中的灌注桩采用桩端压力灌浆技术后的承载特性。结果表明:桩端压力灌浆技术对卵石地层中的灌注桩具有较好的适应性,能显著的提高桩基的承载能力,减小桩基的变形,具有显著的经济效益和社会效益。桩端压力灌浆后,桩的弹性工作范围延长,有利于桩承受重复荷载和动力荷载。同时,桩端压力灌浆后,灌注桩有可能发生材料强度破坏的失效模式,在设计中应引起重视。

富水红砂岩地层隧道联络通道冻结温度场分布规律及其敏感性分析

为了明确富水红砂岩地层中冻结温度场的影响因素,研究温度场的发展和分布规律,以兰州地铁2号线定西路站到五里铺站之间的隧道联络通道为研究背景,建立三维瞬态温度场有限元模型对冻结加固过程进行模拟,通过数值模拟和实测数据对比验证模型的准确性进而分析土体密度、导热系数、比热容的变化对温度场发展的影响。通过灰色关联分析法,得到各土体参数对温度场发展的影响程度。研究结果表明:冻结孔越密集,形成的冻结帷幕越厚,冻结壁温度越低;随着导热系数增大,形成的冻结壁温度降低,随着土体密度和比热容增大,形成的冻结壁温度升高;影响温度场温度的各参数灰色关联度排序为:比热容>密度>导热系数;当各参数分别增大30%时,温度场温度变化程度排序为:密度>导热系数>比热容。研究结果可为类似地质冻结工程的设计施工及土体改良提供参考依据。

砂卵石地层中防渗墙槽壁稳定性影响因素研究

地下连续墙或防渗墙施工中槽孔的开挖是极其重要的分项工程,泥浆护壁条件下槽壁的稳定性影响因素很多.应用ABAQUS有限元软件,考虑泥浆的渗透,模拟计算不同密度的泥浆以及泥浆分层后槽壁的位移,对槽壁的稳定性进行分析.经对槽壁位移值的分析得到泥浆密度增大槽壁的位移随之减小以及减小的幅度,随着泥浆的沉淀,槽壁位移增大.研究可为槽孔施工时的泥浆控制提供定量参数依据.

低含砂率富水卵石地层暗挖地铁车站施工关键技术

以北京地铁16号线红莲南里车站工程为研究背景,该车站赋存环境条件复杂,对地层沉降控制标准要求高,车站部位地层为低含砂率富水卵石地层,围岩自稳能力差。根据工程赋存的环境条件和地层条件,在施工过程中针对地铁车站主体结构的建造工序、低含砂率卵石地层导洞开挖与支护技术、边桩和中桩的成孔技术、导洞初支与边桩连接节点设置、导洞与中洞拱部初支连接节点设置、车站负二层侧墙的逆作缝处理、车站全施工周期地层沉降动态控制等关键技术开展研究,提出解决措施,确保车站主体结构顺利施工。监测结果表明,车站上方地层沉降也得到有效控制。