复合地层泥水平衡盾构刀具磨损情况分析

为研究撕裂刀刮刀组合下,盾构刀具在含砂卵石复合地层中的磨损规律,依托京张高铁清华园盾构隧道工程,结合盾构在复合地层掘进时的刀具磨损实际情况,分析刀具在砂卵石与粉质黏土夹杂的复合地层中的磨损特点。首先,对刀具开仓检查的实际情况进行统计,总结刮刀与撕裂刀的磨损特点;然后,对不同地层条件进行划分,并对撕裂刀磨损量随安装半径与切削轨迹长度的变化特点进行分析。研究发现,当地层中粉质黏土含量多于砂卵石时,先行刀磨损可分为3个阶段,最大容许切削轨迹长1500 km;当地层中砂卵石土占多数时,先行刀磨损分为2个阶段,最大容许切削轨迹长度小于800 km。同时,对外侧撕裂刀频繁更换与非正常磨损现象作出分析,认为外侧撕裂刀的更换更易导致刀具发生应力集中现象,加重磨损。针对以上分析,对刀具更换与掘进参数控制提出了相应改善措施。

深覆土明洞及其减载结构渐进性破坏机理模型试验研究

依托国内某铁路明洞工程,采用相似模型试验的方法,分析深覆土铁路明洞声发射数据、位移和内力随覆土深度的变化规律,研究衬砌裂缝的发展过程。对于减载明洞,采用相同的试验加载方案,从声发射数据、位移和内力减载量等分析EPS板的减载效果。研究结果表明:随着系数λ(即覆土深度与明洞高度的比值)增加,明洞衬砌承载阶段大致可分为平稳增长、快速增长和加速增长3个阶段。在各阶段的分界点,衬砌拱顶、拱肩、拱腰、边墙截面轴力、弯矩和位移随覆土深度增长均出现突增现象,其增长速率较前一阶段明显加快。当λ<2.54时,衬砌结构拱顶截面出现轻微裂缝,结构发生弹性变形且呈局部损伤状态;当2.54<λ<3.81时,结构拱顶、边墙多处出现宏观裂缝,结构发生塑性变形且仍可安全使用;当λ>3.81时,各关键点均出现纵向贯通裂缝,结构破坏失稳。减载明洞衬砌累计声发射事件数和位移随系数λ增加而增加,结构各位置处内力减载量斜率呈先增大后减小的趋势。与未减载明洞试验结果相比,发现铺设EPS板有助于缓减结构位移和裂缝发展,减载结构延性更好。为了保证结构具有一定的安全储备,建议在拱顶铺设EPS板。

泥水盾构施工参数相关性及预测策略优化研究

为研究泥水平衡盾构施工关键参数间的相关关系及其关联机理,依托清华园隧道3#—2#盾构区间,选取863环掘进数据,利用统计学方法对不同地层段关键参数的正态性特质进行判定,系统地探讨了两参数间的相关关系,同时,基于随机森林、BP神经网络等机器学习常见算法建立了复杂互层地层刀盘扭矩预测模型,以反映模型输入特征量与参数相关性的优先级。研究表明:地层差异对各参数间的相关强度影响较显著,可由极弱相关转变为较强相关;刀盘扭矩、泥水压力和盾构推力在多个地层段存在较强的相关性;预测模型中弱相关参数的输入对模型预测精度的提升效果有限,选定部分较强相关参数即可保证预测模型质量。

清华园隧道大直径泥水盾构始发控制掘进分析

清华园隧道某区间采用泥水盾构穿越粉质黏土及砂卵石地层,是全线典型质构法施工隧道。总结清华园隧道盾构始发的经验,对其掘进参数及反力架等工程构件布置进行研究,并采用有限元软件对反力架进行静强度分析计算。研究表明:(1)盾构机在粉质黏土及砂卵石地层中掘进时,反力架最大应力为270 MPa,最大静挠度为7.77 mm;(2)掘削量大小与泥水密度、黏度和切口水压等数值相关;(3)反力架上的应力分布在钢管支撑处最高,竖梁次之,横梁最小。

大直径双模盾构浅覆土无障碍始发变形控制研究

为探究浅埋环境下大直径双模盾构无障碍始发过程中的变形控制策略,依托新建成蒲铁路紫瑞隧道盾构掘进区间工程,利用FLAC 3D软件建立可视化数值模型,并结合现场监测数据和施工参数,对双模盾构无障碍始发全过程进行模拟,研究刀盘切削洞门围护桩时所施加刀盘推力的数值特征对于桩后土体位移的影响;通过对比不同加固范围的位移控制效果,验证传统加固理论及其改进方法在无障碍始发下的应用可行性。结果表明:(1)刀盘推力的数值特征对于桩后土体位移的影响存在地层差异性,黏性地层下的影响效果要显著于圆砾、砂卵石这类非黏性地层;(2)不论何种地层,刀盘推力梯度对于桩后土体位移的影响效果均要显著于推力数值大小;(3)传统加固理论及其改进方法在无障碍始发下仍可应用,其中横向加固宽度的理论计算值偏于保守,纵向加固长度则基本满足土体稳定性要求;(4)始发段盾构模式转换位置的选择对于后续施工引起的地表竖向位移有着显著影响,建议选在加固区域内或靠近加固区边界处。

极高地应力层状围岩隧道偏压演化规律及围岩控制

以大峡谷隧道缓倾层状围岩为工程背景,采用3DEC离散元分析方法并结合现场监测的手段,深入研究高地应力不同岩层倾角下围岩偏压演化规律,揭示偏压与现场支护结构破坏关系,根据锚杆支护参数对偏压控制的影响,提出支护最优参数。研究表明,在高地应力缓倾岩层条件下支护结构的变形及破坏呈现明显的非对称性,随着岩层倾角的增大,初期支护最大主应力峰值位置由拱顶向右拱肩转移,反倾侧弯曲变形大于顺倾侧滑动变形;随着锚杆长度的增加,围岩剪切滑移区、初期支护位移、初期支护最大主应力均逐渐减小,锚杆最优长度约为3.5~4.5 m,锚杆沿层理面垂直方向打设,初期支护结构的偏压现象得到明显改善;现场优化支护后,左右拱肩呈对称变形,位移量基本相同,偏压得到明显改善。

超大直径盾构隧道下穿黄河大堤沉降分析与控制研究

为合理控制超大直径泥水平衡盾构下穿黄河大堤过程中产生的沉降,依托济泺路穿黄隧道工程,首先结合理论分析,提出了下穿大堤的盾构参数配置,并通过现场实测数据分析了盾构隧道穿堤过程中大堤段沉降的规律与特点,然后建立数值计算模型,精细化动态模拟盾构隧道掘进过程,围绕切口水压和注浆压力分析盾构参数对黄河大堤沉降的影响,最后对大堤变坡段的掘进参数过渡方案进行比选。结果表明:相较于普通平地段,大堤段在盾尾脱出阶段的沉降初期速率更大且更易受扰动影响,且大堤顶部对深层土体的扰动较为敏感;穿堤过程中提高盾构隧道掘进参数有利于沉降控制,但控制程度存在上限,提前进行掘进参数调整有利于进一步减小沉降,建议在穿堤过程中将切口水压从300~350 kPa逐渐增至500~550 kPa,并提前10~15环进行参数过渡。

盾构接收处管片变形治理及衬砌方案比选

盾构管片变形是盾构施工需解决的重难点问题之一。本文基于京张高铁清华园3-2区间盾构工程,阐述盾构接收处管片突发变形时在千斤顶支顶效果不佳,且变形不断增大情况下所采用的注浆固结、接缝防水等一系列控制变形紧急处理措施,并对事故原因进行分析。同时为保证工程质量,提出钢板内衬法、暗挖法和明挖法三种后续衬砌施工方案,并基于安全性、施工质量、施工效率探析各方案可行性及优缺点。实践证明,经方案比选后所选择的钢板内衬方案科学合理、效果良好。