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。

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。

富水砂卵石地层盾构隧道近接下穿运营线路变形特性分析

依托成都地铁19号线双流机场—龙桥路站区间下穿既有运营地铁3号线工程,采用ANSYS数值模拟软件,分析富水砂卵石地层超前管棚支护和洞内深孔注浆联合加固下,盾构穿越施工全过程的地表沉降和既有地铁管片支护结构变形规律,并通过实测数据验证数值模拟的准确性。结果表明:地表竖向沉降符合Peck曲线分布,地表最大沉降2.59 mm,满足下穿施工控制要求;3号线管片保持平稳,竖向位移最大值4.80 mm,左右拱腰虽然在穿越段受开挖扰动,发生较大水平位移,但在穿越后基本恢复;现场实测数据表明联合加固方案可确保盾构施工及运营线路的安全。

MJS工法在砂卵石地层盾构近距离下穿运营地铁隧道的应用

依托在建长沙轨道交通4号线盾构区间,对砂卵石复杂地层下穿既有2号线运营区间预加固保护措施进行研究,并对多种预加固方案综合比选,最终采用MJS(全方位高压旋喷加固)工法对既有2号线进行预加固保护。工程实践表明,MJS工法水平加固过程中,既有2号线变形可控,最大变形约7 mm,加固体强度可达5～8 MPa,确保了4号线盾构穿越过程中既有区间的运营安全。这是国内首次在该类地层采用MJS工法对小净距既有运营线路进行水平预加固,可为今后类似工程提供参考和借鉴。

富水砂卵石地层土压平衡盾构渣土改良分析——以洛阳地铁1号线青年宫站——夹马营站区间盾构隧道为例

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层,由卵石骨架和填充的砂层组成,流塑性差、无黏聚力、孔隙率较大。为保障土压平衡盾构在富水砂卵石地层施工过程中渣土顺利排出,防止部分区间可能出现的涌水、喷泥等问题,以洛阳轨道交通1号线青年宫站—夹马营站区间为依托工程,通过黏度试验测试浆液是否满足工程泵送要求,随后采用膨润土和羧甲基纤维素混合泥浆对富水砂卵石地层进行渗透、坍落度等渣土改良试验,根据渣土改良效果提出建议配合比。试验结果表明联合使用钠基膨润土-羧甲基纤维素的配比方案,能够较为有效地改善砂卵石地层渣土和易性,也能够很好地预防土压平衡盾构施工过程中可能出现的涌水、涌砂问题。

富水砂卵石地层盾构隧道与地面下伏空洞安全距离计算模型

[目的]为保证富水砂卵石地层中盾构隧道穿越地面下伏空洞施工时的安全性,需研究盾构隧道与地面下伏空洞间的安全距离。[方法]以南昌地铁1号线东延伸段隧道工程为例,结合理论计算与数值模拟方法,基于突变理论,针对地面下伏空洞与隧道间的安全距离进行定量分析;结合结构力学近似分析法对现场典型地面下伏空洞与隧道间的安全距离进行计算,建立富水砂卵石地层盾构隧道与地面下伏空洞安全距离的计算模型;以地面下伏空洞与隧道间岩土层系统塑性区是否贯通作为判据,利用Abaqus软件数值模拟方法对所提计算模型的合理性进行验证。[结果及结论]所提富水砂卵石地层盾构隧道与地面下伏空洞安全距离计算模型具有一定的准确性与合理性,可应用于工程实践。隧道与地面下伏空洞间的安全距离随着地面下伏空洞跨度的增加而增加,随着其高跨比的增加而减少,随着围岩影响因子水平的增加而增加。

砂卵石地层双线盾构隧道下穿框架桥变形规律及控制技术研究

为探究砂卵石地层双线盾构隧道下穿框架桥变形控制技术与结构变形规律及内力特征,采用经验分析、数值模拟与现场监测的方法,对济南轨道交通4号线一期工程盾构隧道下穿高铁框架桥进行分析。研究表明,360°径向深孔注浆与架设便梁作为盾构下穿铁路施工行车安全关键防护措施,辅以防水加强、行车限速等细部措施,可以保障盾构与铁路安全;轨道竖向位移数值模拟曲线呈漏斗状,受双线盾构叠加影响略微偏移,拉应力最大值在左边跨底板支座处,最大为0.81 MPa,压应力最大值在连续跨右侧顶板跨中处,最大为1.36 MPa,径向注浆深度1.5 m时混凝土结构应力与轨道变形均处于控制范围内;路基与轨道竖向沉降现场实测值波动式增加,时程曲线呈“二谷一峰”,轨道沉降最大值为0.64 mm,框架桥竖向沉降主要由下穿期间施工造成,径向注浆加固与便梁起到较好的隔离加固作用,下穿施工顺利通过铁路影响区,框架桥竖向沉降最大值为0.84 mm。

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。

富水砂卵石地层地铁隧道大直径盾构机刀盘修复技术

成都地区富水砂卵石地层具有卵石含量高、卵石粒径大等特点,在地铁盾构隧道开挖过程中刀盘刀具极易产生磨损,若不及时对刀盘进行修复,会严重影响施工效率与工程进度。文章以成都地铁十七号线为工程依托,对8.6 m大直径盾构首次应用于富水砂卵石地层中遇到的刀盘修复技术问题进行探讨,详细介绍富水砂卵石地层地铁隧道大直径盾构机刀盘修复施工中遇到的问题及采取的防治措施,包括在施工过程中为采用钻孔桩维护掌子面稳定,针对地下水含量高的情况采用降水井降水;在施工时为防止成环管片背后来水进入土仓,采用管片背后注浆的方式形成止水环;以及针对富水砂卵石地层条件下大直径盾构机刀盘修复的具体操作流程提出的刀盘修复技术方案,可为今后国内外类似工程提供借鉴。

砂卵石地层地铁盾构隧道施工地表沉降变化规律及影响因素

文章通过分析成都地铁3号线、7号线区间盾构隧道的地表沉降监测数据,采用FLAC3D软件进行数值模拟计算,研究在砂卵石地层中盾构隧道地表沉降值的分布规律、盾构隧道掘进的主要影响范围及盾构掘进参数总推力、刀盘扭矩、出土量对地表沉降的影响规律,为盾构隧道施工和监测提出建议。

富水砂卵石地层隧道盾构下穿地铁线注浆方案优化

湖南省长沙市万家丽路220 kV电力隧道盾构下穿长沙地铁3号线施工中,为确保盾构安全下穿既有地铁线路,提出袖阀管竖向注浆加固、袖阀管竖向+斜向注浆加固、袖阀管竖向+斜向注浆加固+四周帷幕注浆加固3种加固方案,并采用MIDAS GTS三维数值模拟软件进行数值模拟,分析注浆加固效果。结果表明,优化后注浆方案可保证盾构安全下穿长沙地铁3号线。

砂卵石地层泥水盾构施工技术难点及控制措施分析——以兰州地铁穿黄隧道工程为例

为解决泥水盾构在砂卵石地层掘进过程中所面临的刀盘结构磨损严重、刀盘开口率调节不便、刀具磨损严重、泥水环流系统堵塞以及泥浆管路磨损严重等工程技术难题,针对兰州地铁穿黄隧道工程富水砂卵石地层条件,提出刀盘结构适应性改进措施、刀具磨损控制措施、环流系统改进措施以及泥浆管路磨损控制措施。研究表明:1)对刀盘结构进行适应性改进,可有效解决砂卵石地层刀盘结构磨损严重和刀盘开口率调节等问题;2)将边缘单刃滚刀改为双刃滚刀,导流刀改为撕裂刀,可有效增强盾构刀具的耐磨性能,提高盾构的掘进效率;3)从碎石系统改进和大漂石、卵石处理2个方面对盾构环流系统进行改进,可有效解决盾构环流系统堵塞的问题;4)将整体泥浆管路分为3段,相邻管路之间用法兰盘连接,可有效解决泥浆管路局部磨损严重的难题。

北京地铁10号线砂卵石地层盾构法隧道施工关键技术

介绍北京地铁10号线06标段的盾构隧道施工中,针对砂卵石地层所采取的各项关键措施和技术创新点,包括:盾构刀具的改进,泡沫在盾构推进过程中的应用,盾尾密封油脂配方的改进,欠压推进技术等,为类似地质条件下的盾构隧道施工提供借鉴。

富水砂卵石地层地铁隧道盾构施工问题与处置措施

成都地铁隧道施工需要通过长距离的富水砂卵石地层,针对土压平衡盾构在该地层施工中出现的各种问题进行了分析研究,有针对性的提出了应对处置措施,并加以实际应用,取得了比较好的安全和经济效果,对类似地层的盾构施工有较好的指导和参考作用。

复合盾构刀盘在富水砂卵石地层地铁隧道中的应用

目前越来越多的隧道采用盾构法施工,在盾构施工中刀盘的设计和刀具的配置选用能否有效应对支护和开挖问题,直接影响整个工程的工期和施工效益。尤其是在富水砂卵石地层中,盾构刀盘刀具受力复杂,刀具磨损严重,刀盘结泥饼,地表沉降大,因此盾构刀盘设计和刀具配置更为重要。文章以青岛市地铁1号线土建二标07工区汽流区间为例,详细总结了复合式土压平衡盾构机在富水砂卵石地层中刀盘刀具的配置及应用情况。实际效果表明,通过优化刀具配置,实现了盾构长距离安全掘进,有效地控制了地表沉降。

砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工土体改良试验研究

盾构机在卵石含量高、粒径大的砂卵石地层中掘进时,由于土体塑流性差,土体在土舱内无法及时排出,时常出现盾构推力、刀盘扭矩异常增大,推进速度极其缓慢等现象;由于土舱内土体颗粒间力的传递是点对点,使支护压力不能有效施加到开挖面上,极易出现地表沉降超限、塌方等事故。为此,以北京地铁9号线盾构隧道工程为背景,进行砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工土体改良试验研究。试验结果表明:采用泡沫+膨润土作为土体改良剂对砂卵石地层土体进行改良是可行的;在土体改良过程中应根据出土量、土压力、盾构推力及刀盘扭矩等参数的控制情况,及时调整土体改良剂的注入时间、注入量等参数;在确保盾构出土量可控的前提下,采用满舱欠压掘进模式可以提高砂卵石地层盾构掘进的效率。

地铁隧道通过浅覆土砂卵石地层段开挖面失稳盾构机脱困技术

以长沙地铁二号线盾构机过某砂卵石地层段时开挖面失稳,出现地表塌陷为实例,针对埋深较浅、砂卵石层较厚的地质特点,采取地表注浆加固与盾构机内部处理相结合的方法,较好地起到了固岩、堵水、减少扰动的作用。同时,运用监控量测的手段,及时优化施工,使隧道通过坍陷地段,盾构机成功地从砂卵石地层中脱困。

北京地铁砂卵石地层土压平衡盾构施工刀盘扭矩研究

根据砂卵石地层力学特性,结合北京地铁4个标段工程,分析土压平衡盾构刀盘扭矩各组成部分所占的比例,提出简化的刀盘扭矩计算公式。分析计算结果表明:刀盘开口率与刀盘扭矩成反比,开口率每增加10%,刀盘扭矩降低8%～10%;土体的流塑性对刀盘扭矩影响较大;土体的摩擦系数每降低0.1,刀盘扭矩相应降低约35%～40%。在北京地铁10号线二期工程现场进行盾构掘进试验,分别通过刀盘改造(开口率增大至40%)及土体改良,使刀盘扭矩保持在2 500～3 500kN.m,盾构推进速度明显得到改善。试验结果进一步验证了增大开口率及土体改良是在砂卵石地层降低刀盘扭矩的2项非常有效的措施;也验证了刀盘扭矩计算公式是合理的、可靠的,满足工程实际需求。

基于ABC-BP神经网络的地铁盾构隧道地层识别及复合比预测

为研究盾构掘进过程中掘进参数与地层情况的关联性,建立盾构掘进过程中的机-岩关系,依托南京地铁6号线某盾构施工区间数据进行复合地层下掘进参数的统计分析。首先,利用掘进参数与地层的相关性,采用人工蜂群算法优化的BP神经网络,建立可根据掘进参数识别开挖面地层并描述复合地层组合情况的ABC-BP神经网络模型;然后,针对盾构区间进行地层识别和区间内2种复合地层的复合比预测。结果表明:1)盾构掘进参数的波动范围与均值随开挖面所处地层变化,且依地层不同呈现一定规律性;2)地层类别预测结果表明,模型对上软下硬地层、中风化泥质砂岩、粉质黏土的识别召回率分别为94.1%、96.6%、96%,总体识别准确率为95%;3)针对复合比的预测结果表明,相较于其他机器学习模型,ABC-BP模型的平均绝对误差、均方根误差均减小且样本回归值提升,在预测精度和预测稳定性方面具有一定的优越性。