双模(EPB/TBM)盾构模式转换技术工程实践

双模盾构机为地质起伏变化较大的盾构隧道工程而设计,通过对平衡模式的切换来适应不同地质环境下盾构的高效施工掘进。深惠城际平湖站至凤岗站区间因具有前段、后段为上软下硬地质,中段为全断面岩层地质的特点而采用EPB/TBM双模盾构施工,其间,需要切换模式4次。文章就盾构机模式切换的方法进行系统的阐述。

EPB/TBM双模盾构复合地层掘进参数及适应性研究

研究目的:为探究EPB/TBM双模盾构在复合地层中的掘进适应性,本文基于深圳地铁12号线怀德站—福永站及13号线留仙洞站—中间风井区间的EPB/TBM双模盾构施工案例,对比分析不同掘进模式下的掘进参数和能源消耗情况的变化规律,以期为类似工程提供参考。研究结论:(1)双模盾构在软土地层采用EPB模式保证掌子面稳定,硬岩地层采用TBM模式规避掘进速度低及刀具磨损等风险;(2)掘进参数变化规律在软土段EPB模式下表现为“低转速、高扭矩、高推力”,硬岩段TBM模式表现为“高转速、低扭矩、低推力”;(3)微风化岩层TBM模式的推进速度较EPB模式在中风化岩层提升了38%,有效掘进时长占比提升约106.7%;(4)双模盾构能源消耗较软土地层EPB模式并未明显增加;(5)本文研究可为双模盾构在复合地层中的掘进适应性提供参考。

基于协同学的双模盾构TBM-EPB施工复合系统协同性评价模型研究

以深圳地铁13号线双模盾构施工问题分析为基础,引入协同学理论,建立双模盾构施工子系统协同的序参量方程,应用熵权法计算各序参量的权重值,寻找影响双模盾构施工体系效率和效益提高的主导因素,构建双模盾构施工复合系统协同模型,并应用协同度对此模型进行评价。结果表明:双模盾构施工过程中,盾构机子系统、围岩子系统与环境子系统之间未出现不协同的情况,这说明双模盾构施工技术与深圳地区的复合地层具有较强的适应性。但是由于EPB模式段地层较软弱,围岩变形与地表沉降较大,协调度相对于TBM模式段较低。应用协同学理论,建立双模盾构施工复合系统协同评价模型,可得出某一区间段盾构机、围岩与周围环境之间协同水平的综合测度,为施工过程相互作用状况的空间比较和发展趋势提供参考。

基于深度学习的盾构机土舱压力场预测方法

土舱压力是盾构机受力状态和掌子面稳定等核心问题中的关键因素。土舱压力具有显著的空间变异性,其形成演化机制源于装备与岩土之间的复杂耦合作用,与地质特征、掘进参数等多源参数相关。然而,现有土舱压力预测方法一般未考虑空间分布特征或地质参数影响。针对该问题,提出了一种基于空间分布物理特征函数导引深度学习的盾构机土舱压力场预测方法。该方法构建物理特征函数用于解耦土舱压力空间分布特征,采用卷积神经网络和门控循环单元分别提取多源参数历史信息的空间特征和特征系数的时序特征,结合多源参数实时信息对特征系数进行预测,从而实现土舱压力场的预测。以长沙地铁四号线某区段为案例,利用该方法准确预测了土舱压力空间分布实测数据,准确率高达0.98,验证了所提方法的有效性。敏感性分析表明,不同地层中土舱压力空间分布特征系数的主要敏感参数基本一致,但其敏感度随地层地质条件的变化规律差异显著,可为复杂地层盾构机土舱压力精细化调控提供参考。

复杂环境下城际铁路大直径双模盾构选型技术及应用

为研究复杂地质环境下大直径双模盾构选型技术及应用效果,以深大城际机场东站—黄麻布站区间为依托,首先分析了该区段的工程重难点和施工风险,结果表明:该区间需穿越长距离硬岩地层和部分软土地层,下穿多处重要建构筑物和穿越多条构造破碎带和节理密集带,施工风险高、难度大。因此,为兼顾盾构机在硬岩地层的掘进效率和软土及不良地质条件下的地层稳定,综合选用EPB(earth pressure balance)/TBM(tunnel boring machine)双模盾构机,并根据施工重难点对盾构机结构和功能系统进行了针对性设计。最终,对该盾构的现场工程应用进行了效果评价。结果表明:所选的EPB/TBM双模盾构能较好地满足工程需求,确保了盾构机掘进的安全性和高效性。研究成果可为其他类似条件下的双模盾构机选型提供参考和指导。

硬岩段双模盾构TBM-EPB施工优越性分析

隧道采用盾构法施工时,不同盾构模式的适用地层往往不同,因此在保证隧道安全施工的同时,研究不同盾构开挖模式在同一类地层中的掘进效率,进而选择合适的盾构掘进模式来保证隧道高效掘进具有重要意义。依据深圳地铁13号线留仙洞站—中间风井区间双模盾构(TBM-EPB)工程,通过分析TBM(tunnel boring machine)模式、EPB(earth press balance)模式在硬岩段的掘进参数,得出TBM模式相较于EPB模式于硬岩段掘进效率的提升程度。当隧道掘进地层为长距离软硬相间地层时,在硬岩段掘进时TBM模式的掘进性能要优于EPB模式,说明了硬岩段采用TBM模式掘进的必要性。该研究成果可为今后双模盾构类似工程的掘进效率分析提供参考。

城市轨道交通双模式盾构(EPB/TBM)模式转换技术

结合深圳地铁12号、13号和14号线土压平衡(EPB)-单护盾硬岩掘进机(TBM)双模盾构施工,对中心皮带机出渣式和中心螺旋输送机出渣式2种EPB-TBM双模盾构机进行介绍和对比分析,详细阐述EPB和TBM双模式之间的相互转换流程,对拆螺机工装进行优化。通过对模式转换重难点的分析,提出提高模式转换施工安全和施工效率的建议。

不同叠交角度下盾构重叠隧道地层位移规律研究

以以色列“红线轻轨”项目重叠隧道为背景,在分析现场监测数据的基础上采用Rhino6和FLAC3D软件建立了三维数值模型,研究了不同隧道叠交角度下盾构重叠隧道地表沉降、地层位移规律。研究结果表明,2条隧道从平行逐渐过渡到重叠状态时,随着叠交角度的增加隧道中间处测点累计沉降量增大,但累计沉降量除了受叠交角度影响外,还与穿越地层情况密切相关;在本工程地层条件下,由于2条隧道均穿越松散的库卡K1地层,叠交角度为60°时地表累计沉降达到最大。后建隧道开挖完成后,隧道叠交角度小于45°时,沉降槽宽度增大;大于45°而小于60°时,沉降槽宽度基本不变;大于60°时,沉降槽宽度减小;达到90°时,沉降槽左右对称。两侧隧道开挖完成后,隧道叠交角度达到75°时,两侧地层均改变移动方向。研究成果为重叠隧道的设计和施工提供参考。

土压平衡盾构掘进喷涌处治分析与实践

以青岛地铁某盾构区间发生的“掘进喷涌”案例为依托,探究喷涌治理技术。首先,通过总结地质、掘进参数、施工控制措施等施工因素,分析喷涌形成机理,揭示喷涌事故发生原因;然后,据此优化施工参数并制定喷涌治理方案;最后,通过数值模拟和实际工程结果对治理方案进行验证。结果表明,加强同步注浆并二次补强注浆有效遏制了盾构机四周来水;优化掺入比后的膨润土与高分子聚合物使得渣土性质充分改善;优化掘进参数降低了掘进过程中对掌子面的扰动。通过这些措施,喷涌现象得到有效遏制,螺旋输送机转速与土压逐渐匹配,掘进出渣得到有效改善,盾构机顺利通过喷涌地段。这些措施可供相似地层的盾构施工参考借鉴。

富水粉细砂地层土压盾构安全接收技术

太原地铁2-1号线联络线盾构隧道穿越富水粉细砂地层,由于地层稳定性差、地下水位浅及隧道上方地层中存在电力排管,因而接收施工风险突出。为保证盾构能够顺利安全接收,通过对端头井地层加固、在封门处安装翻板+橡胶帘布的组合密封装置、安装固定接收钢托架、根据降水井中水位确定端头井中的灌水液面高度、调整盾构机出洞掘进参数,实现了盾构机水下安全接收。盾构接收过程中地表沉降监测结果证明了水下接收方案的有效性,为今后类似工程提供借鉴经验。

砂土地层土压盾构隧道施工掌子面稳定性研究

土压平衡盾构在自稳性较差的砂土地层施工时若仓内支护压力过小可能诱发掌子面失稳,应引起高度重视。采用三维离散元方法分析了砂土地层土压盾构掘进与停机状态下的掌子面稳定性。研究建立了较为精细的土压盾构机模型并引入盾构动态施工过程,充分考虑了刀盘旋转切削土体与面板支撑对掌子面的影响,探讨了刀盘型式、隧道埋深以及刀盘转速等因素对掌子面极限支护压力与失稳区分布的影响规律,并从细观角度解释了砂土地层土压盾构隧道掌子面失稳机理。与既有研究相比,本文考虑了土压盾构动态施工对掌子面稳定性的影响,更加接近工程实际,研究成果可为确保砂土地层土压盾构隧道施工掌子面稳定提供参考。

土压平衡式盾构掘进过程的相似模型试验

土压平衡式盾构掘进过程是一个多系统综合运作的复杂力学过程。为实现土压平衡盾构掘进过程的相似模拟,设计制造能够完成掘削面开挖、螺旋出土器出土、盾构机推进、管片拼装、盾尾注浆等全过程模拟的土压平衡式模型盾构机。其次对盾构-地层系统的相关参量进行甄别,选出对试验结果有重要影响的参量,同时基于相似理论,通过量纲分析的方法得到盾构-地层系统的相似准则。基于该相似准则,进行土压平衡式盾构掘进过程的室内相似模型试验,获得土压平衡式盾构掘进对地层影响的一般规律,该试验结果经过相似关系换算后可直接反映出原型中的实际地层沉降量。这种能够实现掘进全过程模拟的土压平衡式模型盾构机为深入研究盾构施工对地层及周围环境的影响提供新手段。

泡沫改良富水砂层工程性质的实验研究

土压平衡盾构穿越复杂地层时,必须采取土体改良措施,目前泡沫改良土体已被广泛应用于盾构施工中。我国地铁施工中所用泡沫剂多为进口产品,国内产品因质量原因采用很少。利用自行研制的泡沫剂开展泡沫对细砂、粗砂土性改良的试验研究表明,泡沫不但能显著降低砂土的渗透系数和剪切强度,而且能大大增强土的压缩性;若加入适量膨润土或粘土,则可获得进一步提高砂土保水性、流动性及进一步降低砂土的渗透系数和剪切强度的效果,这对盾构施工中改良土体工程性质的研究具有重要意义。

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。

盾构法地铁隧道施工引起的地表变形分析

以南京地铁1号线许府巷—南京站区间隧道为背景,结合现场监测数据及各项掘进参数设置,对土压平衡盾构在富水饱和粉土、粉砂夹细砂、粉细砂地层中掘进引起的地表变形过程和分布规律进行分析,并使用有限差分法程序FLAC3D对考虑盾构施工工序、地下水位、土仓压力和注浆等因素的地表变形进行模拟计算分析。实测分析结果表明地表变形特征为:沉降速率大,测点最大沉降速率在-12^-15 mm.d-1之间;地层稳定快,盾尾脱出2~3 d后地层即趋于稳定;影响范围小,盾构掘进对隧道纵向地表的扰动在刀盘前方约10 m至盾尾后方16~20 m的范围内,横向地表沉降主要分布在隧道中心线两侧各5~7 m的范围内,地表距中心线20 m以外几乎不受影响。模拟计算地表沉降分布结果与实测数据基本吻合。

福州砂土地层土压平衡盾构隧道掘进参数和地表沉降特性分析

依托福州地铁2号线某砂土地层土压平衡盾构区间隧道工程,对隧道地表沉降进行监测,并采集盾构掘进过程中的施工参数。通过分析砂土地层的地表沉降数据和盾构掘进参数,得到以下结论:(1)砂土和粉质粘土中盾尾脱出后的地层损失沉降和固结沉降分界线分别为1~3 d和5d,砂土地层地表沉降速率更快;(2)盾构总推力和土压力对地表沉降影响很大,较淤泥夹砂和粉质粘土地层,砂土地层中总推力和土压力大,相应沉降也大,而刀盘扭矩对地表沉降影响不大;(3)土压平衡盾构在砂土地层掘进时,总推力与土压力、刀盘扭矩存在显著的线性拟合关系。

散粒体地层土压盾构掘进掌子面稳定性研究

采用三维离散元方法开展了考虑动态掘进过程条件下的散粒体地层土压盾构掌子面稳定性研究。首先建立与文献[14]室内模型试验相匹配的三维离散元模型,通过对比两者之间结果验证数值方法的合理性,然后采用验证的数值方法建立原型土压盾构模型并在散粒体地层中掘进,探讨隧道埋深、地层特性以及施工扰动等因素对掌子面稳定性的影响规律,并从颗粒运动层面解释隧道失稳机理。研究结果表明:盾构施工过程削弱掌子面稳定性,极限支护压力pf增加,影响程度与面板开口率和掘进状态相关。pf随土体内摩擦角增大而减小,砂土和砂卵石中pf随隧道埋深线性增加。当隧道埋深较大时,密实砂卵石地层中pf基本不再变化。当埋深较浅时,失稳区发展至地表,覆土厚度较大时拱顶上方形成稳定塌落拱,失稳区分布范围随内摩擦角增大而减小。研究成果对散粒体地层中修建盾构隧道确保掌子面稳定具有指导意义。

土压盾构技术在我国地铁隧道工程中的应用和发展

介绍了我国城市地铁隧道工程应用土压盾构技术的概况,简述了土压盾构的机理和适用地层,分析比较了我国各种地层条件下土压盾构机型和辅助施工技术的异同,指出了土压盾构技术在地铁隧道工程中的发展前景。

盾构隧道同步注浆技术

随着近年来大量盾构隧道工程的兴建 ,盾构法施工技术也逐步趋于成熟和完善。文章结合工程实际 。

土压平衡盾构水下始发段掘进参数对地表沉降的影响分析

以广佛环线沙堤隧道为工程依托,利用有限差分软件FLAC3D研究了土压平衡盾构水下始发段掘进参数对地表沉降的影响,并结合现场实测数据分析盾构掘进过程中地表沉降和邻近建筑物变形的变化规律。结果表明:地表沉降与土压平衡盾构掘进参数密切相关,增大土舱压力与注浆压力可以减小地表的沉降,但掘进参数的调整存在合理范围,超合理值后过沉降的控制效果变化不明显;现场实测数据表明:土压平衡盾构施工引起的地表沉降及建筑物变形行为由前期扰动、通过扰动、停机影响、后期扰动4部分组成,其中停机对地表沉降影响很大,因此施工中需尽量避免停机并提前做好防范措施;实际采用的掘进参数仍有一定的调整空间,施工中应根据地层情况及时调整相关的掘进参数以减小施工影响。