富水砂卵石地层盆形冻结止水技术研究

为解决全断面砂卵石地层地下工程的地下水控制问题,提出盆形冻结止水技术。首先,采用三轴力学试验研究冻结砂卵石的压缩力学特性和蠕变力学特性;然后,采用大尺度物理模型试验和数值模拟方法研究盆形冻结的温度场扩展规律,并根据研究结果进一步提出盆形冻结积极冻结期的群孔布置技术和维护冻结期的精细化控制技术。结果表明:1)低围压(小于3 MPa)条件下,三轴抗压强度与围压呈正线性相关,然后围压继续增大时,强度基本不变;基于损伤理论建立冻结砂卵石全过程蠕变模型。2)荷载对冻胀率及融沉系数影响最大,细粒土质量分数次之,原状饱和砂卵石是不冻胀材料,并由此建立饱和砂卵石冻胀率及融沉系数三维预测模型。3)基于大型物理模型试验及数值模拟结果,盆形冻结可以在地下水渗流条件下形成完整的盆形结构,起到有效止水的效果。4)盆底冻结管在冻结过程中表现出与单管冻结迥异的“群孔效应”,根据试验结果提出包含冻结管间距、土体导热系数、渗流速度3因素的积极冻结期冻结管合理间距的确定与布置技术。5)为节约维护冻结期的能源,提出隔排切割冻结管、仅保留盆壁冻结管2种维护形式以对冻结区域进行精细化控制,经过分析,2种方式均可以有效满足盆形结构维护期的冷量供给,保持完整的盆形形态。

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。

砂卵石地层盾构刀具磨损预测模型及刀具参数敏感性分析

[目的]砂卵石地层中的石英颗粒体积分数较高,会导致盾构刀具磨损严重,影响施工进度及工期。建立盾构刀具磨损预测模型来预测盾构刀具的磨损量,是确保盾构法施工高效安全进行的重要环节。因此,有必要研究刀具磨损预测模型,并进行刀具参数敏感性分析。[方法]分析了砂卵石地层对盾构刀具的研磨性;介绍了砂卵石地层盾构刀具的切削机理;建立了考虑微观磨损特征的盾构刀具磨损预测模型,并对刀具参数进行敏感性分析。[结果及结论]不均匀系数、特征粒径与材料的磨损量正相关;塑性去除磨损、脆性去除磨损和黏着磨损的体积分数分别为61.4%、30.8%、7.8%,塑性去除磨损和脆性去除磨损占比较大;磨损系数随着不均匀系数和特征粒径的增大而增大,盾构刀具的磨损量整体随着刀具刃角的减小而减小。盾构刀具的磨损主要由磨粒磨损和黏着磨损造成。

基于上限定理的砂卵石地层盾构隧道开挖面稳定性分析

目前对砂卵石地层开挖面稳定理论模型的研究相对较少,施工过程中盾构机支护力的施加多凭借施工经验进行。为研究砂卵石地层开挖面失稳问题,运用极限分析法上限定理,结合椭球体放矿理论,建立盾构隧道开挖面极限分析模型的计算方法,研究开挖面前方土体变形未发展至地表与发展至地的表两种工况,得到了极限支护力的上限解析解。并选取五种典型的理论分析方法验证了计算结果的正确性。结果表明:所提出的对数螺线椭球体机制得到的开挖面极限支护力受地层内摩擦角、隧道直径以及土体重度的影响较大,埋深和黏聚力的影响较小,地表超载的影响最小;其中开挖面极限支护力均随着土体重度和隧道直径的增大而线性增大,随着摩擦角增大呈现非线性减小趋势;通过与旋转破坏机制、3D对数螺线机制、FLAC^(3D)数值模拟得到的开挖面前方塌落区域的对比,所提出的开挖面前方塌落机制与数值模拟能接近地层的失效形状。

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。

砂卵石地层自钻式锚杆锚固性能现场试验研究

为研究自钻式锚杆在砂卵石地层中的锚固性能,开展了18根自钻式锚杆的现场拉拔试验,从极限抗拔承载力、荷载-位移曲线及界面平均粘结强度等方面进行了分析。结果表明:砂卵石地层中自钻式锚杆的极限抗拔力随锚固长度的增加而增大,当锚固长度超过一定数值后,对提高锚杆极限抗拔力的能力有所下降;在破坏荷载前,自钻式锚杆的抗拔荷载–位移曲线基本呈线性,且位移量较小,达到破坏荷载时,位移量急剧增大,荷载–位移曲线出现明显拐点;锚固体–卵石界面平均粘结强度均值为0.14 MPa,高于该地区卵石层推荐的qsk值0.11 MPa,且锚固长度约在2~4 m时,界面平均粘结强度整体处于较高值。

富水砂卵石地层深基坑降水特性及涌水量研究

以洛阳市周山大道下穿开元大道路口明挖深基坑工程为依托,分析各降水参数改变对渗流场分布与降水效率的影响。通过Midas GTS NX有限元软件,模拟分析不同降水参数下降水井抽排地下水情况,同时建立了标准状态下涌水量特征曲线,并针对非标准状态提出涌水量修正方法。结果表明:除地层渗透系数改变地下水流速外,其他参数均会导致流网形态发生改变,与阻隔效应耦合后将间接影响降水速率。另外,通过工程实例验证考虑止水帷幕阻隔作用后的深基坑涌水量预测公式及其修正函数具有合理性,可应用于砂卵石地层深基坑降水工程。

砂卵石地层盾构区间地表沉降影响因素聚类分析

为了掌握盾构掘进参数和地质条件对砂卵石地层盾构区间地表沉降的综合影响规律,依托成都地铁某盾构区间,结合团队前期地表沉降与掘进参数的关系,确定了总推力、刀盘转速、螺旋机转速、上覆土层厚度、地下水位、卵石层厚度6种聚类指标,利用K均值聚类算法对各参数指标的实际监测数据进行聚类,综合分析各个指标对地表沉降的影响。结果表明:1)根据K均值聚类结果把监测点即施工地段划分为3种地表沉降风险等级,监测点1—3为危险(Ⅰ级),监测点7—13、16—19、25—34为较危险(Ⅱ级),监测点4—6、14—15、20—24为安全(Ⅲ级)。2)根据聚类结果可知,在特定范围内掘进参数、地层构造与地表沉降之间具有正、负相关性关系。3)通过分析地层构造、掘进参数与地表沉降的关系,得出当上覆土层厚度较大、地下水位较小、卵石层厚度较大时,掘进参数控制范围为总推力29034.00~31181.95 kN,刀盘转速1.25~1.32 r/min,螺旋机转速6.13~6.98 r/min;当上覆土层厚度较小、地下水位较小、卵石层厚度较小时,掘进参数控制范围为总推力34419.89~36867.28 kN,刀盘转速1.44~1.45 r/min,螺旋机转速5.74~6.99 r/min。

砂卵石地层大直径盾构施工的关键技术

[目的]总结分析砂卵石地层大直径盾构施工中盾构机选型、盾构始发与接收、盾构掘进姿态控制等施工关键技术,并提出具体的施工控制参数与施工控制措施,以减轻刀盘刀具磨损、降低地层损失、减小地层沉降变形。[方法]针对砂卵石地层结构松散、颗粒无胶结或弱胶结、颗粒粒径大、透水性强的工程结构特性,采用理论分析、现场监测等方法,从盾构机选型、盾构始发接收、盾构掘进姿态控制、盾构刀盘刀具的检测维修等方面深入分析砂卵石地层大直径盾构施工关键技术。[结果及结论]大直径盾构的刀盘开口率、刀盘刀具类型、渣土改良方案等应根据地层结构特性进行特殊设计,且有利于盾构排渣和超前切割;盾构井端头宜采取地层注浆加固、大管棚支护、施工降水等综合加固措施以保证大盾构始发或接收时地层的稳定;大直径盾构的掘进施工应重点控制刀盘转速、出渣量、出渣温度等参数,并应适当增大注浆量,提高渣土改良效果,避免过大超挖,保证地层损失处于合理范围内。采用上述施工参数与施工措施后,盾构掘进风险可控,施工质量与施工效率明显提升,同时大大降低了施工成本。

考虑卵石倾角及形状特征卵石地层几何迂曲度计算模型

迂曲度是反应土体渗流特性的一个重要参数,对于研究流体在土体内部的流动特性至关重要,但目前的研究大多针对通用模型的研究,较难适用于特征性较强的卵石地层。为探究适用于卵石地层的迂曲度计算模型,将卵石颗粒简化为椭圆形,引入阻碍系数和各向异性系数来描述卵石颗粒的排列方式,引入特征粒径和卵石的长短轴之比来描述卵石的颗粒级配与形状特征,通过阻碍将卵石简化为椭圆形颗粒,基于牛顿流体在卵石地层中的层流流动,建立了考虑卵石排列方式、颗粒级配及形状特征的卵石地层迂曲度几何计算单元,推导了迂曲度的计算公式。并基于编程建立了卵石地层的模型,采用COMSOL Multiphysics的蠕动流模块进行了数值求解,将理论计算结果与数值模拟结果进行了相互验证;基于数值模拟进一步探究了卵石倾角对迂曲度的影响,并对卵石地层迂曲度的影响因素进行了参数分析。研究结果表明所建立的理论模型与数值模拟吻合良好,适用于卵石地层;卵石为等粒径时其迂曲度最小,随着卵石颗粒逐渐扁平化和卵石地层阻碍角的增大,迂曲度增大;同时迂曲度随各向异性系数的增大而增大,表明流体从不同方向流入卵石地层,其迂曲度不同。

超长大管棚在砂卵石地层的施工工艺研究

以北京地铁3号线一期工人体育场站为例,打设直径108 mm、82.3 m超长大管棚在砂卵石地层进行超前支护,砂卵石地层粒径和地层阻力较大,钻进过程中可能出现轨迹偏移、钢管断裂等情况。从钻机、空气压缩机、钻头和钻杆、管靴和108钢管等方面进行试验对比,选择适合超长大管棚在砂卵石地层施工的设备型号、材质类别。测量放线、钻机就位、导向管安装钻机、跟管钻进施工、注浆封口、监测等工序,证明了潜孔冲击器跟管钻进法打设超长大管棚砂卵石地层是可行的。

深厚富水砂卵石地层注浆封闭止水及加固技术

针对深厚富水砂卵石地层的防渗,列举了常用止水方式高压旋喷帷幕灌浆及混凝土防渗墙的众多不足,采用一种新型、高效的基坑注浆全封闭止水及加固技术,将注浆技术与建筑物地基加固和基坑的支护、防渗、止水融为一体,加固坡面和基底,解决了基坑支护、止水、降水问题,同时增强了卵石层地基的地基承载力、强度和渗透稳定性,有利于工程建成后水工建筑物的安全运行,取得了良好的工程应用效果。

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。

砂卵石地层泥水盾构废浆二次利用技术研究

为解决泥水平衡盾构施工期间产生的大量废弃浆液难处理和盾构同步注浆高成本的问题,提出将泥水平衡盾构产生的废弃泥浆再利用于配制同步注浆浆液。本研究依托主要穿越地层为砂卵石地层的成蒲铁路紫瑞隧道工程项目,研究浆灰比(废弃泥浆与水泥质量比)、浆砂比(废弃泥浆与砂质量比)对同步注浆浆液的性能影响,另外在废浆再利用配制同步注浆浆液的基础上,研究了用耐火泥替代部分水泥的可行性。研究结果表明:1)随着同步注浆浆液浆灰比的增大,同步浆液的流动度增大,凝结时间延长,立方体28d抗压强度降低;2)随着浆砂比的增大,同步浆液的流动度增大,凝结时间延长,立方体28d抗压强度也降低;3)掺入耐火泥将增强同步注浆浆液的28d抗压强度,降低同步浆液流动度,缩短同步浆液凝结时间。因此,在配制同步注浆浆液中,用耐火泥替代部分水泥具有可行性,并能带来一定经济效益。

基于富水砂卵石地层的基坑施工监测技术数值模拟

城市轨道交通施工中的基坑降水开挖始终存在一定的安全隐患,为避免出现安全事故,利用Abaqus二维化的有限元模型来对基坑施工实施监测,并利用实验验证其有效性。实验结果表明,坑外地表的沉降值对比实验中,模拟监测的数值和实际监测的数值误差维持在2%~5%之间,围护结构水平位移对比实验中的误差则维持在10%左右。

砂卵石地层大直径盾构始发管片上浮风险控制研究

随着我国道路交通工程的快速发展,传统道路施工已无法满足快速发展的社会经济要求,桥隧道路施工开始普及,且我国隧道建设技术愈加成熟,大直径甚至超大直径盾构隧道越来越常见。为有效控制砂卵石地层大直径盾构始发管片上浮风险,本文以实际案例为抓手,结合实际工程中管片上浮风险情况,分析管片上浮风险原因,旨在探究砂卵石地层大直径盾构始发管片上浮风险控制对策,以其为类似工程提供参考。

砂卵石地层盾构施工参数对邻近建筑变形的影响研究

为了降低砂卵石地层盾构施工对邻近建筑物的影响程度,文章基于Midas GTS NX有限元软件构建模型,对不同顶推力、注浆压力和浆液强度下盾构邻近建筑物变形规律进行分析。结果表明:建筑物的沉降变形和水平位移随着顶推力增大而逐渐增大,随着注浆压力和浆液强度增大而逐渐减小;顶推力越小,注浆压力和浆液强度越大,建筑倾斜率越小;当盾构千斤顶推力为110 kPa、注浆压力为190 kPa时,建筑的沉降变形相对较小,并宜选择强度高的注浆材料。

砂卵石地层大断面隧道开挖过程数值模拟研究

随着隧道施工地层条件的复杂化和开挖断面的扩大化,环形开挖预留核心土法已广泛被用于开挖围岩较差的大断面隧道。环形开挖预留核心土法隧道的开挖与支护过程是多步骤的,且上一步开挖会都会对随后的各次开挖产生影响的复杂过程。本文以张石高速公路涞源至涞水段为背景,针对二道河隧道特殊的地质条件,利用三维数值模拟软件FLAC3D对隧道开挖过程进行数值模拟,结果表明:(1)环形开挖预留核心土法适用于砂卵石地层大断面隧道开挖,但应及时施作支护结构,确保围岩稳定;(2)开挖完环形拱部及预留核心土后隧道围岩变形基本趋于稳定;支护结构中初期支护承担了主要的荷载,二次衬砌分担了有限的荷载,主要起安全储备的作用;(3)隧道开挖后,底板处应力和变形较大,应及时施作仰拱,确保水平收敛和底鼓变形控制在合理范围内。研究结果对指导施工及反馈隧道设计具有重要理论与实际意义,也为类似研究提供参考。

水砂卵石地层沟槽降水关键技术应用研究

砂砾层为一类具有一定机械稳定性的非稳定型岩层,在含水条件下,颗粒间的传递不稳定,对地层的响应非常敏感;在刀盘转动切割过程中,由于刀体与砾石层之间的接触压力是不均匀的,造成刀具振动,在顶进力的影响下容易发生破碎;造成了岩体的破坏,造成了地层的破坏。随着含砾石数量和粒径的增大,对周围环境的影响也随之增大。大块大块的碎石在洞顶发生剥离后,很容易造成上覆岩层的突沉。于降水工程是基坑工程建设中的重要组成部分。基坑开挖深度大,降水井数量较多,要求降水设计方案科学合理,施工方案安全可靠,管理信息化程度高。在沟槽施工中,最为主要的就是降水环节,这一环节不仅可以提高施工质量,而且也可保证施工安全。但在不同的地层条件下,采用的降水技术存在一定的区别。因此,本文针对水砂卵石地层沟槽施工降水技术展开分析,结合实际工程案例,具体判断降水技术中的各项参数,以供参考。

砂卵石地层半盖挖地铁车站深基坑变形特性

采用半盖挖法施工的地铁车站深基坑工程往往具有施工规模大、支护结构复杂、开挖深度大、施工场地狭小等特点,而砂卵石地层稳定性差,受荷载易变形,导致基坑安全事故时有发生。以成都地铁某半盖挖车站为例,采用有限元分析软件PLAXIS 3D,对基坑开挖过程中地表沉降及隆起、围护结构侧移、立柱变形情况进行数值模拟分析。受到基坑不对称开挖影响,基坑两侧结构及地表沉降变形略有差异:明挖侧顶部出现了朝坑外的位移,盖挖侧围护桩深层水平位移比明挖侧大;明挖侧累计地表沉降值比盖挖侧小;立柱在开挖过程中的竖向位移会受到上部荷载、坑内土体沉降及坑底隆起的共同作用,立柱上部结构会出现朝向明挖侧的弓形水平变形。