土压平衡盾构施工引起地面变形研究的评述

[目的]土压平衡盾构施工过程中会不可避免地产生土体扰动,引起地层变形,进而对周围建筑环境产生不利影响,开展土压平衡盾构施工引起地层变形的研究具有重要意义。[方法]通过整合各类相关文献,以施工各环节的联系为中心进行研究。阐明了土压平衡盾构施工工作机理,从隧道几何因素、土层地质条件和盾构掘进参数三方面研究地面变形诱因。论述了土压平衡盾构施工引起地面变形的预测方法,并分析了各方法的适用性与优缺点。以变形诱因和变形预测为基础,列举了土压平衡盾构施工致地面变形的控制措施。指出了土压平衡盾构施工研究中存在的不足,并对土压平衡盾构施工未来发展方向进行了展望。[结果及结论]土压平衡盾构施工引起地面变形的诱因为隧道几何因素、土层地质条件和盾构掘进参数。土压平衡盾构施工引起地面变形的预测方法有经验公式法、理论解析法、有限单元与有限差分的数值模拟法,模型试验法、人工智能法。基于对地面变形的监测,不断调整施工中的盾构参数,是目前控制土压平衡盾构地面变形的有效方法。

富水砂层土压平衡盾构渣土改良技术研究

富水砂层土体具有流塑性差、渗透性强的特点,土压平衡盾构施工时易造成排土困难和喷涌事故。针对西安地铁10号线穿越富水砂层的土压平衡盾构工程,采用膨润土泥浆和泡沫剂改良盾构渣土,提出了改良渣土流塑性的评价方法,基于其流塑性和渗透性确定最佳改良方案,为工程提供借鉴和参考。结果表明:(1)当改良渣土塌落后无开裂或坍塌、塌落形状为梨形、塌落度为180~210 mm、塌落渣土与地面接触角θ为0°~90°时,流塑性合适,此时改良渣土的渗透系数于90 min内稳定在10-5cm/s,满足工程要求;(2)最佳改良方案为:渣土、膨润土、水三者质量比保持在200∶1∶40~200∶1.5∶44之间,泡沫剂溶液体积比浓度为2%,泡沫注入比为6%。

青岛地铁土压平衡盾构碎石土改良方法研究

盾构在碎石土地层掘进时经常面临着地层渗透性强、刀盘扭矩大、刀具磨损严重等诸多困难。为解决上述施工难题,以青岛地铁4号线典型的碎石土地层为研究对象,首先通过颗粒筛分、LCPC试验和渗透性试验评价了碎石土的基本特性,结合传统的砂土和黏性土改良方案设计了5组碎石土改良配比方案,对不同配比方案进行坍落度试验、渗透性试验和直剪试验,分析了不同改良指标碎石土的流塑性、渗透性及抗剪力学特性,根据实际工程中盾构刀盘扭矩的变化情况验证了泡沫与聚合物组合改良的最佳方案。研究表明:7%浓度泡沫与5%浓度聚合物配比的改良剂能够有效降低碎石土的渗透系数,同时起到降低刀盘扭矩的作用。

大直径土压平衡盾构隧道下穿既有高速公路施工影响分析

通过对大直径土压平衡盾构隧道下穿既有高速公路的施工影响进行分析,研究了当前阶段高速公路变形沉降控制标准和采用不同加固措施情况下既有高速公路施工影响变化。研究结果表明,在未加固工况中路基变形的最大值为28.6mm,加固工况中路基的沉降变形最大值为17.3mm。对比分析表明,洞内的注浆加固对于地表的沉降变形控制效果是极为显著的,所以在盾构隧道开挖过程中对于盾构隧道洞内进行注浆加固十分必要。

超大直径土压平衡盾构前中盾结构强度计算研究

为确保盾构具备足够的结构强度和刚性,对盾构的主要支撑结构进行受力载荷分析与强度校核。采用SpaceClaim软件对前中盾进行中面抽取,建立壳单元有限元静力学分析模型,根据材料的厚度将前中盾划分成4组壳体,根据有限元计算结果分析了前中盾及其拼装梁的应力和变形情况。结果表明:前中盾的结构强度符合设计要求;最大变形位于拼装梁与后配套设备的连接处,变形较大,经过结构优化改进后变形量降低34.9%。

土压平衡盾构机掘进工程中松动地层的控制及监测研究

为了确保合肥地铁3号线黄潜区间土压平衡盾构机掘进过程的安全和进度,对松动地层的控制及监测展开研究。为控制松动地层的形成,该工程采取地面注浆加固法、超前注浆法、径向注浆法等控制方法;应用地质雷达探测等技术,对地表沉降进行监测。根据地层松动程度和掘进前后地表的沉降程度,选择一种或数种加固方法,对松动土体进行提前加固,实现对工程全面精准的控制。

土压平衡盾构机脱困措施分析

盾构机是当前地铁隧道施工的重要设备之一。案例工程中,盾构机被困的原因是:注浆浆液窜至盾壳外周间隙内凝固,包裹在盾体外,在进入全断面中风化花岗岩地层中时,因岩层强度高,凝固的水泥浆无法将岩层挤开,将盾构机中盾及盾尾卡住,导致盾构机无法掘进。通过增加推力、增设千斤顶与振动辅助脱困、潜孔钻密排打孔等一系列组合措施,达到了盾构机顺利脱困目的,并且顺利出洞。

超固结强黏性黏土地层土压平衡盾构施工土体改良技术研究

为了解决土压平衡盾构施工在遇到超固结强黏性黏土层时存在的推进阻力大、易形成刀盘“泥饼”、造成隧道轴向偏离等影响正常掘进的一系列问题,制定有效的土体改良措施。以宁波某管廊工程(5)1层黏土中盾构掘进施工为研究背景,进行了超固结强黏性土体改良的室内试验和现场施工应用。室内试验选择水、减黏剂、泡沫剂、膨润土、工业碱水、砂浆等6种改良添加剂并研究其对土体改良性能的影响,得出6种土体改良添加剂中,水、减黏剂及泡沫剂具有较好的改良效果,其中泡沫剂泡沫浓度2%、发泡率10,稳泡时间11 min,注入率20%在土体室内改良试验效果最佳。并通过盾构掘进现场土体改良应用,确定了实际应用中泡沫剂泡沫浓度2%、发泡率10、稳泡时间11 min,注入率10%时,可满足盾构正常施工要求。

土压平衡式盾构用主驱动密封气动压力控制系统及其控制方法

传统土压平衡式盾构机主驱动密封压力控制采用一种油气混合压力控制装置,该装置承压能力不超过0.6 MPa。在操作过程中需要技术人员实时调节,对人员操作要求较高,存在误操作等安全风险,严重时会导致掌子面塌陷、主驱动密封失效、主轴承损坏等严重后果。为解决这一问题,设计了一种土压平衡式盾构用主驱动密封气动压力控制系统及其控制方法。该系统根据土压平衡式盾构机土仓压力的变化自动调节主驱动密封腔压力,并将主驱动密封的最大承压能力提高至0.8 MPa,显著降低人员操作安全风险。该系统对需高承压盾构施工的设备制造及操作有较强的指导意义。

土压平衡顶管下穿市政主干道施工技术

结合工程实例,分析了土压平衡顶管施工时的管道埋深对道路路基的影响及顶管下穿道路时的沉降量,并就土压平衡顶管施工下穿市政主干道的施工技术要点展开了详细的研究,以保证城市主干道周围建筑及设施安全,减少顶管施工对主干道交通的干扰,提高顶管施工效率。

地铁隧道土压平衡盾构施工的成本控制研究

为了优化地铁隧道土压平衡盾构施工成本控制效果,实现节约施工成本、增加工程利润的目标,以北京轨道交通22号线(平谷线)14合同段隧道工程土压平衡盾构施工为例,开展了盾构施工成本控制方法的全面、系统研究。采用WBS工作分解结构法,分解了土压平衡盾构施工的目标成本,将目标成本细化到各个责任成本中心。在此基础上采用挣值法计算施工成本偏差,找出施工成本超支的具体原因,进而对施工目标成本费用进行控制与优化。通过工程实例对3种成本控制方法的实验结果进行分析对比,验证了本文提出的成本控制方法取得了施工成本最少、节约费用最多的良好结果。

土压平衡式盾构机在地铁隧道施工中的应用技术

在简述某地铁隧道盾构工程概况的基础上,论述土压平衡式盾构机工作原理和技术特征,分析了该工程项目土质对盾构施工的不利影响,阐述了土压平衡式盾构机在控制重点部位、控制工艺参数、改良盾构渣土等方面的应用技术,提出了砂层盾构常见问题及采取的措施,以及如何解决刀盘卡顿问题,可供相关工程技术人员参考。

富水地层土压平衡盾构施工方法及管理措施

隧道开挖是隧道施工中常见的作业之一,其施工方法对隧道施工具有重要影响。在实际作业环节中,一些地区的地质较为特殊,含有较多的水分,一定程度上影响隧道施工的落实。土压平衡盾构施工方法作为专业的施工方式,通过先进的盾构机实现掘进作业,规避富水地层对施工产生的影响。本文从富水地层入手,探讨富水地层土压平衡盾构施工方法,分析其施工难点。在此基础上,对该施工方法进行详细分析,保证施工作业的落实。

泥岩地层土压平衡盾构近距离下穿既有线沉降控制技术

以成都地铁30号线航天立交站-惠王陵站盾构区间隧道在泥岩地层近距离下穿既有运营地铁线工程为背景,通过下穿前对穿越既有线隧道进行数值模拟分析,并设置试验段进行模拟掘进,拟定试掘进参数,以及在穿越过程中采取掘进参数控制、中盾注浆、同步注浆、管片脱出盾尾后二次补充注浆及穿越后及时进行洞内深孔注浆等综合沉降控制技术措施,并通过自动化监测手段,有效降低了下穿时对既有地铁线沉降的影响,最终在保证既有线路安全运营的前提下,安全、顺利完成盾构穿越工作,为类似盾构工程提供借鉴。

卵石地层土压平衡盾构撕裂刀布置模式对比研究

为研究卵石地层土压平衡盾构撕裂刀布置模式对刀具磨损的影响,结合北京地铁19号线平—积区间、牛—金区间基本相同地层条件下撕裂刀不同布置模式的盾构掘进工程案例,采用数学回归分析方法对比“大高差宽间距”和“小高差窄间距”2种撕裂刀布置模式下的刀具磨损系数。研究结果表明:1)在地质情况、掘进参数、渣土改良等条件基本一致的情况下,采取“小高差窄间距”撕裂刀布置模式的刀盘上刀具磨损量更大,其高撕裂刀、低撕裂刀、刮刀的磨损系数分别为“大高差宽间距”模式的1.5、3.2、2倍;2)“大高差宽间距”撕裂刀布置模式下,高、低撕裂刀起到了良好的分层犁松作用,有效降低了撕裂刀的磨损;3)“大高差”撕裂刀布置模式比“小高差”布置模式下的刮刀磨损系数减小了42.7%,“宽间距”布置模式比“窄间距”布置模式下的刮刀磨损系数减小了36.1%。

土压平衡盾构渗流场解析解及喷涌判别研究

考虑土压平衡盾构土舱的二维渗流效应,用解析方法分析了土压平衡盾构的喷涌问题。将土舱渗流场划分成两个区域,利用分离变量法并结合区域间连续条件得到土舱水头显式级数解,将螺旋输送机内流场视为一维渗流,通过土舱与螺旋输送机交界面水流量及水头连续条件得到盾构的渗流场解析解。分别将土舱和螺旋输送机渗流场解析解与数值软件计算结果和试验结果进行对比,结果吻合较好,验证了解的正确性。分析盾构及土层参数对螺旋输送机排土口水流量及水压力的影响,分析结果表明:在螺旋输送机排土口内外水压力差为0的情况下,螺旋输送机内水流量及水压力与刀盘面中心水头近似线性关系;增加螺旋输送机长度和倾角、减小螺旋输送机的直径有利于防止喷涌。基于已有的喷涌研究成果,给出了典型盾构喷涌判别图。通过对盾构喷涌实例进行判别,并与盾构一维解析解的喷涌判别结果进行对比,证明基于本解析解的喷涌判别更为准确。

液压驱动技术在土压平衡顶管机中的应用

以土压平衡顶管机驱动系统为出发点,探讨液压驱动技术在顶管机中的应用及驱动系统的发展方向,为顶管机的设计制造及研究提供参考。

复合地层土压平衡盾构刀盘掘进参数

土压平衡盾构在复合地层中掘进时常出现推力和扭矩波动幅度过大的问题,为了研究盾构机在复合地层中刀盘受力特点,基于扩展模型建立了不同类型全刀盘掘土数值模型,研究了全刀盘Mises应力以及推力和扭矩的变化规律,验证了数值计算结果的合理性。基于室内土压平衡盾构掘进试验,研究了盾构机掘进参数在不同地层中的变化规律。研究结果表明,随着刀盘推进深度增加,各类刀盘Mises应力最大值呈增加的趋势。各类地层全刀盘掘进模型的推力及扭矩计算误差均未超过10%,利用扩展Drucker-Prager模型所建立的全刀盘掘进模型是合理的。土压平衡盾构掘进模型试验表明,随着中风化泥质粉砂岩地层占比逐渐增大,盾构机推力有增大的趋势;盾构刀盘扭矩先增大后减小,最后趋于稳定;出土器扭矩变化不明显。整个推进过程中盾构机推力变化范围为6.0~7.7 kN,扭矩变化范围为773.4~1195.8 N·m,出土器扭矩变化范围为32.5~104 N·m。

泡沫稳定性对土压平衡盾构砂卵石渣土改良效果

为确保土压平衡盾构在砂卵石地层施工时切削的渣土具有良好的工程特性,以成都轨道17号线明九区间2号风井—九江北区间为背景,采用不同稳定性的泡沫剂分别掺入卵砾石含量为20%、40%和60%的砂卵石渣土中,开展室内坍落度试验、渗透试验和喷涌试验,研究各种泡沫土流动性、渗透性和时效性的变化规律,探讨泡沫剂稳定性与砂卵石渣土的适应性。结果表明:稳定性好的泡沫能够适应卵砾石含量低于60%的砂卵石土层,即泡沫稳定性的提高有利于扩大砂卵石地层的适用范围;稳定性好的泡沫剂能够保持改良砂卵石渣土掘削排渣全过程良好的流动性、抗渗性;过量的泡沫掺入改良的砂卵石渣土易发生离析,造成改良后的渣土难以达到良好的和易性;泡沫改良砂卵石渣土的喷涌压力可作为检验改良效果的重要指标。

南昌典型地层土压平衡盾构掘进参数演化规律及地层可掘性分析

为评价土压平衡盾构在南昌典型地层施工时的掘进效能,依托南昌地铁3号线绳金塔站—六眼井站区间盾构隧道工程,基于土压平衡盾构在全断面砾砂、全断面中风化泥质粉砂岩和砂-岩复合地层掘进时的施工记录数据,分析土压平衡盾构主要掘进参数在这3种典型地层中的演化规律,并引入贯入度、场切入指数和掘进比能等地层可掘性指标建立主要掘进参数间的相关关系,进一步基于此开展这3种典型地层的可掘性评价。研究结果表明:1)盾构在全断面砂层和全断面岩层掘进时主要掘进参数相对稳定,而在砂-岩复合地层掘进时总推力和刀盘转速明显增长;2)盾构由复合地层向全断面岩层掘进时,刀盘转矩逐渐减小,且在全断面岩层内刀盘转矩和总推力具有良好的线性正相关性;3)盾构由全断面砂层向全断面岩层掘进时,贯入度逐渐减小且其振荡性显著减小,场切入指数在复合地层和全断面岩层内具有相似的分布特征,但变化趋势相反,3种地层的掘进比能基本相近;4)在砾砂层和复合地层内,场切入指数与贯入度间存在显著的相关性,但在全断面岩层内相关性较弱;5)砾砂层的贯入度最大且场切入指数和掘进比能最小,表明土压平衡盾构在该地层掘进效能最优;6)整体上,相比于砂-岩复合地层,全断面砾砂和全断面中风化泥质粉砂岩地层的可掘性更好。