φ800mm土压平衡式模型盾构试验系统的研制

文章针对自主研发的φ800 mm土压平衡式模型盾构掘进系统,详细介绍了盾构机壳体、掘削系统、螺旋出土器、推进系统和控制台5个重要部件各自的结构形式、布局特点、参数确定及具体功能等,并指出该模型盾构试验系统可根据不同的需求开展原样土体掘进试验、相似模型试验,以及盾构近接施工等复杂条件下的模拟试验;通过在原样砂土地层中的掘进试验结果,分析了地表沉降形态与发展过程及地层损失率与地层位移间的关系;运用Peck公式对地表沉降进行了计算并与试验值进行了对比,验证了该土压平衡式模型盾构掘进系统的可靠性。

层状围岩管片衬砌配合陶粒与锚杆的联合支护技术研究

深部层状围岩中修建盾构隧道,管片衬砌易受偏压作用,对结构安全构成挑战。提出一种管片衬砌配合陶粒可压缩层与锚杆的联合支护技术,采用大比例尺相似模型试验针对联合支护技术的支护效果进行研究,进行了可压缩层配合不同长度和间距的锚杆支护效果对比研究,从管片衬砌内力、变形角度分析了联合支护效果,从可压缩层的压缩变形路径和移动特征角度分析了联合支护机理。研究结构表明：联合支护技术一定程度上改变了管片的内力分布形式,降低了围岩偏压作用,削减管片衬砌内力和形变量;锚杆的施作可以有效减小层状围岩变形,陶粒压缩层可以有效吸收围岩变形;联合支护中锚杆的长度和间距存在一个最优值,超过该最优值,锚杆的加固效果不再明显增加;联合支护的作用机理由两部分构成：陶粒压缩层的让压作用与锚杆加固作用。研究结果对层状围岩中修建盾构隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。

层状围岩中管片衬砌受力特征的模型试验研究

深部层状围岩结构强度具有各向异性特点,此类地层中修建盾构隧道,管片衬砌易受偏压作用,对结构安全构成挑战。开展层状围岩与盾构管片衬砌相互作用关系的相似模型试验研究,研究不同层理倾角下管片衬砌壁后围岩压力、管片衬砌内力和变形分布规律。研究结构表明：管片衬砌受力和变形特征受层理面控制明显,管片衬砌受力极不均匀,弯矩、轴力和变形呈现非对称分布;管片衬砌壁后围岩压力最大值集中在强度最弱的层理面法线方向,该方向上管片衬砌的弯矩最大,轴力最小,变形最大;层理倾角对管片衬砌的受力和变形影响显著,层理倾角不仅影响管片衬砌壁后围岩压力分布形状还影响其量值大小;均质地层中,管片衬砌裂缝主要出在封顶块接头处和其他环向接头处,层状地层中管片衬砌裂缝出现位置受接头位置影响减弱,而受层理倾角影响明显,管片衬砌裂缝出现位置主要集中在层理面法向。研究结果对层状围岩中修建盾构隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。

管片衬砌配合陶粒可压缩层的支护结构与围岩相互作用模型

提出了一种适用于深部蠕变地层TBM工法隧道的管片衬砌配合陶粒可压缩层的让压支护技术。通过模型试验研究了陶粒可压缩层的让压效果,在此基础上针对围岩蠕变特性和陶粒可压缩性建立了围岩、陶粒可压缩层和管片衬砌三者间相互作用的理论模型,得到了不同隧道埋深和不同厚度的陶粒填充层时围岩变形和管片衬砌支护应力随时间的变化规律,确定了深部蠕变地层确保管片衬砌长期安全的陶粒可压缩层最小填充厚度的计算方法。研究结果表明:陶粒内部蜂窝状孔隙构造使其具有高可压缩层性,可以有效地吸收围岩蠕变变形,消减管片衬砌支护压力,改善其受力特性;理论模型可以有效地分析围岩、陶粒可压缩层和管片衬砌三者间相互作用关系,对于管片衬砌壁后填充陶粒可压缩层的厚度设计具有指导作用。研究结果对未来TBM工法在深部蠕变地层修建隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。

管片衬砌配合陶粒可压缩层支护结构型式的模型试验研究

提出一种适用于深部地层TBM工法隧道的管片衬砌配合陶粒可压缩层的让压支护技术,结合台格庙矿区TBM施工的长距离斜井工程,采用模型试验方法,从管片衬砌弯矩、轴力、变形、破坏特征对比分析陶粒和碎石可压缩层的让压效果,从可压缩层的压缩变形路径和颗粒移动特征角度揭示各自的让压机制。研究结果表明:陶粒内部蜂窝状构造使其具备高压缩性,压缩率是碎石的10倍;陶粒可压缩层的让压效果要优于碎石可压缩层;不等压地应力条件下,碎石可压缩层会在一定程度上减小管片衬砌负弯区的抗力系数,导致负弯矩偏大,负弯区裂纹数量和宽度增加。陶粒和碎石的形状和内部构造差异导致两者让压效果和机制不同,最终导致管片衬砌的内力和变形、破坏特征差异。陶粒可压缩层让压机制由相互嵌挤、错动移位和挤压破碎作用三部分组成;碎石可压缩层的让压机制由前两部分组成;不等压地应力件下,由于陶粒的圆形形状特征,其向地应力较小侧自由移位和挤压作用发挥程度要高于菱角状外形的碎石,这一特征不仅增加了陶粒的让压效果还会在一定程度上增大了地应力较小侧的地层抗力系数,改善了管片衬砌受力特性。研究结果对未来TBM工法修建深部斜井的支护结构型式设计具有一定参考价值。

不同加固方式下盾构施工对桥梁桩基影响的研究

某城市地铁盾构隧道近距离穿越城市立交桥桩基,最小净距仅1.56 m。应用ANSYS建立三维非线性有限元模型分析盾构隧道施工对桥梁桩基的影响。采用接触单元来模拟桩基与土体的相互作用,分析不同加固方式下盾构隧道掘进对近接桩基位移和内力的影响。计算结果表明:盾构隧道近接施工时,既有桩基会产生侧移和附加内力;对距离隧道较近且靠近隧道侧的桩基进行花管注浆加固效果不明显;对盾构隧道穿越地层进行加固能有效降低桩基的侧移和附加内力。

盾构隧道穿越河道施工对桥梁基础的影响分析

某市地铁1号线盾构隧道近距离穿越一座跨河桥梁,隧道近距离施工可能引起地层发生变形,导致既有桥梁桩基产生附加内力和变形,影响既有桥梁结构的正常使用。采用ANSYS有限元方法建立三维非线性模型对盾构穿越河道施工进行动态模拟,并从地表沉降形态、桥梁桩基的位移和倾斜变化等方面进行了分析。计算结果表明,地铁一号线过河段施工会导致地表和桩基产生一定沉降,桩基还会产生倾斜,但管片的轴力和弯矩均在合理的范围内,能确保桥梁整体安全性。

砂卵石地层土压盾构掘进掌子面稳定性室内试验与三维离散元仿真研究

采用Φ800 mm模型土压盾构开展室内掘进试验,以探究砂卵石中土压盾构隧道掌子面失稳诱发地层变形特征。同时,补充开展三维离散元仿真以挖掘室内试验难以获取的掌子面失稳信息,并研究隧道埋深对掌子面稳定性的影响规律。研究结果表明:砂卵石地层中盾构隧道掌子面失稳发展到地表后,沉降曲面呈上大下小逐步收缩的沙漏状,影响范围小于砂土地层。考虑盾构动态掘进过程后,卵石颗粒接触关系变化十分剧烈,掌子面稳定性被削弱,极限支护压力随之增大。掌子面极限支护压力随隧道埋深基本呈线性增加,极限支护压力与初始支护压力之比则随埋深增大而减小。掌子面失稳机制可根据隧道埋深划分为3种模式。与既有研究相比,考虑了盾构动态掘进过程与实际工程更加接近,可为确保砂卵石地层土压盾构隧道施工掌子面稳定提供参考。

砂土地层盾构隧道施工对地层扰动的室内掘进试验研究

土压平衡式盾构机在穿越流塑性差、渗透系数大的砂土地层时容易对隧道周围土体产生扰动，导致地表沉降不易控制和作用在衬砌结构上的土压力发生改变。针对地铁盾构隧道穿越砂土地层引起的地层扰动，采用一种能完全反映盾构隧道动态施工全过程的分析方法尤为重要。以城市地铁盾构区间隧道施工采用的土压平衡式盾构机为原型，研制妒800mm土压平衡式模型盾构机，该机主要包括推进机构、掘削机构和出土机构，能实现盾构始发、刀盘切削、螺旋出土、管片拼装等主要功能，以此开展砂土地层中盾构施工的室内掘进试验。试验过程中对盾构掘进引起的地层沉降及衬砌结构上的土压力进行量测，分析地层沉降形态和衬砌结构上土压力的分布形态，同时将试验结果同理论计算、数值分析及现场资料进行对比。研究结果表明，土体性状和盾尾注浆对地层沉降具有重要影响，地层损失是地层发生沉降的主要原因。未注浆情况下盾尾脱环引起的地表沉降值占总沉降值的60％以上，且由于未注浆而增大的地表沉降所占比例为20％-30％，沉降时程曲线具有阶段性和时效性。地表沉降槽宽度系数i与现场测试数据具有一致性。衬砌结构上的土压力分布类似于上下端为长半轴、左右端为短半轴的椭圆形，数值上试验实测值较理论计算值要小。

富水区隧道合理防排水型式及注浆加固参数研究

以在建的某近接水库公路隧道为工程依托,建立其渗流场和应力场的双场流固耦合计算模型;选取3种不同的防排水型式为研究对象,对注浆圈厚度、注浆圈渗透系数、控制排水量等因素对隧道内排水量和衬砌外水压力的影响规律进行探究,提出了合理的注浆圈加固参数、控制性排水量以及最优的防排水方式等。研究结果表明:增大注浆圈厚度或降低注浆圈渗透系数均能实现减小衬砌外水压力的目的,但并不意味着注浆圈厚度越厚、渗透系数越低,对隧道涌水量的控制效果就越好,而是存在一个相对经济合理的注浆圈加固参数值;隧道控制排水量以及排水型式对于控制衬砌结构外水压力的大小起到决定性的作用;采用环向排水管及盲管+墙脚设泄水孔的排水型式,这对衬砌结构受力最为有利。

基于分数阶微积分的改进西原模型及其参数智能辨识

传统西原模型难以描述岩石的非线性加速流变特性,根据Riemann-Liouville分数阶微积分理论,采用分数阶黏壶及非线性黏塑性体NVPB(nonlinear viscoplastic body)模型,分别取代传统西原模型黏弹性体中的牛顿黏壶及黏塑性体,提出改进的西原模型,并推导出岩石在恒应力情况下的三维蠕变本构方程。模型采用基于流变阶段分解-粒子群-模拟退火算法相结合的智能算法对已有的试验数据进行反演,结果表明该模型能有效地反映岩石3个阶段的蠕变特征。通过对模型的敏感性分析发现,岩石的非线性渐变过程及加速蠕变阶段的快慢程度分别由分数阶导数的阶次及流变指数控制,传统西原模型是改进西原模型的一种特例。

管片衬砌配合碎石可压缩层与锚杆的支护型式研究

针对深埋地层中修建盾构隧道,特别是围岩表现蠕变特性,研究一种管片衬砌配合压缩层与锚杆的联合支护技术.采用有限差分与离散元的耦合计算方法,进行了管片衬砌壁后注浆、管片衬砌壁后填充碎石可压缩层、管片衬砌配合碎石可压缩层和高强预应力锚杆的支护效果对比研究.从围岩塑性区发展、沉降随时间变化、管片衬砌弯矩和轴力分析了联合支护效果.从碎石可压缩层的压缩变形路径、锚固围岩的位移矢量等角度揭示了联合支护的细观作用机理.研究结果表明:仅采取管片衬砌配合碎石可压缩层的让压支护手段无法维持管片衬砌的长期稳定;联合支护结构型式既可以提高围岩自身承载能力,也能够有效吸收围岩的蠕变变形.联合支护的作用机理由两部分构成:碎石可压缩层的让压作用与高强预应力锚杆加固围岩作用.其中,碎石可压缩层的让压机理主要通过颗粒间相互嵌挤和错动移位作用调减管片衬砌壁后接触力;高强预应力锚杆的加固机理是由锚杆形成的锚固区控制了蠕变变形的过大发展.研究结果对未来盾构工法修建深部高地应力、强蠕变隧道的支护型式设计具有一定参考价值.

考虑围岩蠕变特性的TBM隧道管片衬砌受力特性研究

为研究深部高地应力岩层中修建TBM隧道时管片衬砌结构的力学行为,以某深埋TBM工法隧道为研究对象,建立基于围岩蠕变和管片分块效应的衬砌-围岩复合模型,研究考虑时间效应下管片衬砌的受力特性。结果表明:考虑围岩蠕变效应下管片衬砌受力表现出明显的时间效应。随着围岩蠕变时间的延长,管片衬砌的形变、内力和接缝张开量均呈现两阶段增长,具体表现为前期呈线性增长,后期增加趋缓。洞周围岩应力经历三阶段变化,即先减小后增大直至稳定。围岩蠕变时间为100年时,管片衬砌的内力和形变量均接近极限值。研究结果可为深部高地应力且考虑围岩蠕变效应下的TBM隧道衬砌结构设计提供参考。

煤矿斜井盾构施工壁后同步注浆的双浆液特性研究

以鄂尔多斯市台格庙煤矿盾构斜井为工程背景,对煤矿盾构斜井施工壁后同步注浆的双浆液特性进行试验研究,试验内容包括:流动度、泌水率、凝胶时间和抗压强度的测定。通过分析水灰比和水玻璃用量变化时的双浆液基本性能变化规律,得到适用于台格庙矿区盾构斜井施工壁后采用的水泥-水玻璃双浆液配合比。结果表明:当水玻璃用量不变时,随着水灰比的减小,双浆液的抗压强度逐渐增大,凝胶时间逐渐减小,流动度逐渐增大;当水灰比不变时,随着水玻璃用量的增多,双浆液的凝胶时间逐渐增大,抗压强度先增大后减小。

基于时间序列聚类和LSSVM的隧道拱顶位移预测

在隧道施工中,拱顶下沉位移的监控量测及其发展趋势的有效预测,对隧道的安全施工具有重要意义。提出一种结合K-medoids聚类算法和最小二乘支持向量机(LSSVM)的智能算法对拱顶下沉位移进行预测,并通过汶马高速鹧鸪山隧道的现场实测数据验证了该方法的有效性。研究结果表明:同一类拱顶下沉位移时间序列用同一模型预测具有可行性;隧道拱顶下沉位移是不平稳时间序列,相比直接用LS-SVM建立模型,采用WPT方法和LSSVM结合的算法具有更高的预测精度;以作为聚类中心的断面作为参考样本预测当前监测断面拱顶下沉位移时,只需要得到当前监测断面的较少数据,从而实现在当前断面的监测初期的有效预测。

煤矿盾构斜井管片衬砌接头抗弯力学性能的试验研究

针对鄂尔多斯市补连塔矿区2号辅运平硐盾构斜井管片衬砌接头结构特性,开展了管片接头抗弯试验研究。试验制作了足尺寸的盾构管片,管片接头采用工程现场使用的螺栓。在管片接头附近位置合理布置了应变、位移传感器。试验在不同的轴力下,对接头结构逐级施加弯矩荷载,并进行了破坏试验。通过测试接头应变位移分析,结果表明:在弯矩荷载的加大过程中,管片接头的力学特性表现为明显的非线性;管片接头抗弯刚度不仅与结构本身有关,还与弯矩、轴力有关,并给出了相关参考值;螺栓孔对于管片衬砌端头刚度有一定的削弱作用;接头结构的破坏是一个非线性特性逐步发展直至脆性破坏的过程。

神东补连塔煤矿~#2盾构斜井管片受力的预测分析

以鄂尔多斯市的神东补连塔煤矿#2盾构斜井为工程依托,研究了煤矿斜井结构受力的分析方法和监测手段。基于特征曲线法、普氏理论以及其他方法对该工程的土压力进行预测分析,并将各计算结果进行了比较,同时还介绍了补连塔煤矿#2盾构斜井测试断面的布置和管片的预埋传感器情况,并选取埋深270 m的试验环实测数据作分析,发现在盾构机继续推进2环后土压力值明显增加,至距盾尾8环后趋于稳定。将实测结果与各方法预估的结果对比,发现采用特征曲线法和普氏理论更适合该工程的管片受力预测分析。

盾构斜井结构内力分析及其极限状态评估

对神东补连塔煤矿#2辅运平硐盾构斜井工程安全性,采用一种盾构斜井的内力分析及极限状态方法进行评估。斜井的内力受围岩蠕变效应和同步注浆浆液硬化效应的影响,结合盾构斜井管片接头刚度非线性的特性,运用有限元软件ANSYS模拟,求得内力随时间呈增大趋势。改进的极限状态评估方法主要分为:管片拉压、管片剪切和管片接头的安全评估,再根据内力分析方法可对斜井一段时期内的承载能力进行安全评估。结果表明:补连塔#2号盾构斜井计算断面在同步注浆后1年之内的极限状态评估满足设计要求,结构安全。

土压平衡盾构掘进对散粒体地层扰动和开挖面破坏特性研究

采用自主研制的Φ800 mm土压平衡盾构掘进试验系统,对砂卵石与砂土地层开展室内缩尺掘进试验研究,以分析土压平衡盾构掘进对地层的扰动特征;同时,针对室内缩尺掘进试验,开展离散元数值模拟以分析盾构掘进开挖面的变形与破坏形态。研究表明:砂土地层地表沉降曲面自上而下呈现逐渐收缩的"圆形漏斗"状,砂卵石地层地表沉降曲面自上而下呈现逐渐收缩的"V型河谷"状;砂卵石地层地表横断面沉降槽宽度系数相比砂土地层要小;2种地层地中沉降槽宽度参数都随地中深度比的增加而呈线性增大,相同深度比条件下砂卵石地层地中沉降槽宽度参数要小于砂土地层;砂土地层沉降时间效应曲线较为渐进和连续,而砂卵石地层则呈现突变性;2种地层开挖面破坏形态均为烟囱状,但砂卵石地层的开挖影响范围无论在横向还是纵向上都要小于砂土地层。