考虑黏土蠕变特性的大埋深盾构复推总推力增量解析解研究

由于黏土存在蠕变效应,黏土地层中盾构长时间停机会诱发盾构复推总推力增量过大、盾构姿态难以控制、管片易破损等次生风险等问题,将黏土地层视为Burgers黏弹性体,构建考虑地层应力和蠕变特性的大埋深圆截面隧洞简化力学模型,根据黏弹性理论推导盾壳-地层径向接触应力的黏弹性解,进而通过积分和分段计算求解复推总推力增量与停机时间的理论关系式。结合水工盾构隧洞停机实例,对比复推总推力增量实际值与理论值。研究结果表明:复推总推力增量实际值与理论值平均相对误差为13.81%,验证了该解析解的可靠性;隧洞埋深越大,复推总推力增量越大,表明大埋深段停机需更关注复推推力控制;盾壳-地层界面摩阻力随超挖间隙增大而减小,而复推总推力增量随之增大;此外,总推力增量随着盾壳-地层界面摩擦因数减小而显著减小。因此,设置合适的超挖间隙和长时间停机时采取往盾壳外注入膨润土等润滑减阻措施能有效预防大埋深段停机的次生风险。

高地应力软岩隧道TBM适应性分析及应对方法研究

TBM在高地应力条件下的工程软岩隧道地层中掘进存在较大的卡机风险,国内外采用定量化指标判定TBM适应性的方法缺乏;为提高TBM在高地应力软岩隧道适应性判定的准确性,更有针对性的制定卡机风险应对方案;通过引入护盾摩阻力等定量化指标,建立以护盾摩阻力与TBM极限推力间的关系为护盾受力判据,对TBM掘进适应性进行分级,以此判断TBM卡机风险大小,提前采取预处理措施来减轻卡机风险。结果表明:不同级别围岩变形对护盾产生的摩阻力大小对TBM正常掘进影响较大,通过定量计算护盾摩阻力,并与TBM推力进行对比,能够提高TBM适应性判定准确性;隧道工程软岩地段围岩地应力与岩石强度是影响TBM掘进的关键因素,围岩对护盾产生的摩阻力与地应力大小成正比,与岩石单轴抗压强度高低成反比。得到的结果为制定卡机风险应对方案提供了理论依据,可为类似工程施工提供参考。

高速永磁屏蔽电机摩擦损耗分析与计算

基于3D流体场模型和有限元体积法,针对高速永磁屏蔽电机进行转子表面介质摩擦损耗计算和敏感性因素分析,研究转子转速、介质轴向流速、屏蔽套表面粗糙度对气隙内介质摩擦损耗的影响规律。基于一台额定转速36000 r/min的电机结构,对半径比为0.896~0.930的窄气隙泰勒-库埃特-泊肃叶(TCP)流进行仿真分析,得到摩擦阻力系数与水轴向流速、转子转速的关系,并采用非线性拟合的方法得出不同轴向流速和转子转速的摩擦损耗系数经验公式。随后,搭建试验平台测量摩擦损耗,对比试验测得与仿真求得的摩擦损耗大小以及数值仿真与经验公式计算的摩擦损耗系数,误差在5%范围内,满足工程要求,验证了数值仿真分析和经验公式的准确性。

激光淬火化表面织构对盾构滚刀特种钢摩擦磨损性能影响的研究

为改善盾构滚刀特种钢表面的耐磨性,对普通织构表面进行激光淬火。采用金相显微镜观察显微组织并通过维氏硬度计测量显微硬度。采用高速高温摩擦磨损试验机分别对无处理表面、普通织构表面、激光淬火化织构表面进行摩擦磨损试验,采用激光共聚焦显微镜观察并分析磨痕及磨损形貌。结果表明:激光淬火后平均硬度约提高7.95%,普通织构表面和激光淬火化织构表面的摩擦系数和磨损量均有所降低;与普通织构表面相比,激光淬火化织构表面的磨损量进一步降低。无处理表面的磨损机制以磨粒磨损和黏着磨损为主,普通织构表面与激光淬火化织构表面的磨损机制以磨粒磨损为主;激光淬火化织构表面的应用,显著提高了盾构滚刀特种钢表面硬度,有助于改善该钢的耐磨性。

盾构近接施工对摩擦桩基承载性能的影响机制及控制技术研究

针对盾构近接施工对邻近摩擦桩基建筑物的扰动问题,基于盾构隧道开挖前后地层应力场的变化,建立了隧道-地层-桩基相互作用下既有摩擦桩基承载力解析计算模型,揭示了盾构近接施工对摩擦桩基承载性能的影响机制;以一地铁盾构隧道侧穿摩擦桩基老旧建筑物施工为工程背景,分析了盾构近接施工扰动下摩擦桩群的变形特征,论证了地层加固对控制邻近桩基变形的有效性。研究结果表明:隧道开挖后地层水平应力和剪应力的变化是影响摩擦桩基承载性能的根本原因,桩基承载力损失与隧道施工时的地层损失率呈正比;地层加固可有效控制隧道施工引起的地层损失,从而降低地层和既有桩基的变形,有效控制盾构近接施工时摩擦桩基建筑物的安全。

基于摩擦理论的滚刀磨损预测模型研究

盾构机在施工过程中常因刀具磨损过大导致刀具失效及刀箱变形等问题,经常需要进仓检查刀具磨损量,耗费时间长且掘进效率低.为得到磨损量预测公式,文中以CSM剪切模型为基础,建立盘形滚刀磨损量与磨损耗能的数值关系,提出滚刀磨损量的理论计算模型,并利用线性拟合寻找相关参数数值关系,对模型进行了简化处理.研究结果可为工程实践中刀具磨损量的预测提供理论依据.

中厚度船用钢焊接技术发展现状

从电弧焊技术、埋弧焊技术、气体保护焊技术、搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)技术和激光焊技术等方面,对比中厚度船用钢各种焊接技术的特点和应用基础。研究发现,基于船用钢材料本身的裂纹敏感性和焊接厚度的增加,中厚度船用钢焊接技术应向激光-电弧复合焊发展,以解决现有焊接技术的焊接难点。

国内铝合金焊缝PAUT技术应用现状

随着铝合金材料的普及使用,作为先进数字化检测手段的相控阵超声波检测(Phased Array Ultrasonic Testing,PAUT)技术应用备受关注。近年来,在先进超声波技术发展和应用需求结合下,陆续开展的相关试验研究为铝合金搅拌摩擦焊焊缝PAUT技术提供指导和规范引领,并形成相关行业应用标准。铝合金气体保护焊PAUT技术的应用需求逐渐显现,但相关研究和标准尚在起步阶段。梳理国内铝合金焊缝PAUT技术应用现状,可为推动铝合金焊缝PAUT技术研究、扩展应用场景提供技术基础。

复合地基等效变形模量与盾构下穿扰动变形规律研究

在准确高效分析盾构下穿旋喷加固复合地基的不利影响和扰动变形规律时,复合地基等效变形模量是数值模拟计算的关键参数。基于桩土应力传递原理,研究了桩土相对位移的计算模型及其沿桩长的分布形态;推导了桩侧负摩阻力的产生条件及中性面计算公式,给出了复合地基单桩加固单元等效变形模量解析公式;采用不同尺寸的平板载荷试验研究了顶部加载条件下群桩效应对复合地基综合模量的影响。研究结果表明:顶部加载条件下复合地基等效变形模量随承压板尺寸的增加而减小,并最终接近自重条件下复合地基单桩加固单元等效变形模量解析解的80%。将等效变形模量应用到福州地铁5号线盾构下穿复合地基工程,分析了盾构下穿复合地基的扰动变形规律,地表沉降模拟计算结果与现场实测值较为吻合。证明该研究中提出的等效变形模量取值方法合理且可行。

盾构掘进引起的邻近桩基水平附加荷载分析

基于Mindlin基本解及弹性力学基本理论,考虑刀盘挤土效应产生的附加推力、土体地层软化特性且不均匀分布的盾壳摩阻力及土体损失等因素推导得到盾构掘进过程中邻近桩基的水平附加荷载解析解答。算例分析结果表明:在x方向上,盾构刀盘到达前,邻近桩基承受附加压力荷载;刀盘通过桩基平面后,附加荷载转为拉力;在盾尾通过后,桩身附加拉力荷载达到最大。在y方向上,土体损失是引起桩身的附加荷载的主要因素,特别是在盾尾通过桩基平面后,对应于隧道拱顶及拱底附近位置桩身分别承受较大的附加压力及附加拉力荷载,这将会导致桩基产生较大的挠曲变形、弯矩及剪力,为最不利施工工况。

土压平衡盾构施工的顶进推力模型试验研究

在盾构的掘削过程中,千斤顶顶进推力是一个重要的施工参数,它不仅决定着施工速度,而且还影响着刀盘的切削扭矩、转动速度等其他参量。但是,目前对千斤顶顶进推力的变化规律,尤其是土体与盾壳之间摩擦阻力的研究还不够深入。以上海地区粉砂地层为参照原型,借助于模型试验方法,通过对盾构机工作参数和地层特性参数进行不同的组合试验,研究了土压平衡盾构推进过程中顶进推力变化的规律,以及土体与盾壳之间摩擦作用的机理及其影响因素。在此基础上推导了盾构千斤顶顶进推力的计算公式。

土压平衡盾构刀盘扭矩计算方法与多因素量化分析

刀盘扭矩是设计刀盘驱动的关键参数,是设计经济型盾构、决定盾构是否高效率掘进必不可少的参数之一。以土压平衡盾构为背景,在充分理解刀盘与土体相互作用的基础上,分析影响刀盘扭矩的7个因素,并基于现场测试和理论分析分别推导出各因素的计算模型。同时,以土耳其伊兹密尔地铁和伦敦机场隧道为例,通过与实际测得的刀盘扭矩对比分析,验证理论模型的准确性,所构建的计算模型可适用于黏性土和非黏性土地层中。对各影响因素进行量化分析,分析表明刀盘各面与地层的摩擦阻力扭矩约占总扭矩的80%,其中刀盘与土体的摩擦角、刀盘直径、土体的黏着力以及土仓内的土压支撑强度都是影响刀盘扭矩大小的重要参数。

地铁隧道盾构法施工对不同类型桩基的影响

通过数值仿真试验,分析了盾构法隧道施工对邻近摩擦型与端承型单桩与双桩内力的影响,并对双桩与对应位置单桩内力试验结果进行了对比分析。由对比分析结果可知,对于摩擦型双桩,由于开挖引起桩间土侧摩阻力增加,因此开挖后前桩轴力增幅与对应位置单桩相比减小,对于端承型双桩,前桩轴力增幅与对应位置单桩相比基本不变;对于后桩,由于前桩遮挡作用,开挖对后桩轴力影响大为减弱,且端承型桩减小幅度比摩擦型桩小。开挖引起水平洞轴线以下后桩桩身弯矩发生大幅度减小,端承型减小幅度小于摩擦型;对于摩擦型与端承型双桩,由于承台联结作用,洞顶水平线以上后桩桩身弯矩趋于与前桩相同。

盾壳摩擦对周围土体工作性状影响的研究

文章以天津地铁二号线东南角站至建国道站区间左线盾构掘进项目为依托,采用ABAQUS对盾构掘进过程产生的地表沉降进行了计算,并结合工程实测结果对其进行验证,并进一步分析了在一定掌子面推力下的盾构掘进过程中,不同盾壳摩擦作用对周围土体变形与受力的影响。研究结果表明:盾壳摩擦作用对土体沿掘进方向的水平位移和附加应力影响较大,且影响最敏感区域位于盾构机头和盾尾附近;当距离隧道超过一倍隧道直径时,盾壳摩擦产生的土体附加应力衰减至可被忽略的程度。

盾壳摩擦对邻近单桩工作性状影响的研究

盾壳摩擦作用下土体受到挤压和剪切,可引起临近桩身所受弯矩和变形显著增加.本文建立了考虑盾壳摩擦作用的三维有限元模型,研究了盾构掘进过程中不同盾壳摩擦作用对邻近单桩工作性状的影响,并以天津地铁东南角站至建国道站区间盾构工程为依托,结合盾构掘进参数及地表沉降的监测结果进行验证.研究结果表明,考虑盾壳摩擦作用的盾构掘进会引起土体沿掘进方向的水平位移显著增大;盾壳摩擦的增大会造成邻近单桩桩顶沉降、沿掘进方向的桩身水平侧移和桩身弯矩增大,而对桩侧摩阻力、垂直于掘进方向的桩身水平侧移和弯矩影响微弱;盾壳摩擦对桩顶沉降的影响具有滞后性,当盾构机脱离桩身后,对其变形更需要严格控制.

考虑盾壳与土体摩擦力的盾构下穿既有地铁隧道施工控制研究

摩擦力是盾构下穿对既有结构施工力学行为影响的重要因素。为明确盾构下穿过程中土舱压力、注浆压力、摩擦力对既有隧道变形的影响规律,给出合理的施工技术参数,考虑盾构自重及土压力分布特征,推导了摩擦力计算公式,分析了摩擦力分布特征,将此计算结果通过Fish语言写入FLAC 3D有限差分软件,结合实体工程,对盾构下穿既有地铁隧道施工技术参数进行了系统研究,并通过实测数据验证了研究成果的可靠性。研究结果表明:1)盾壳与土体之间的摩擦力沿盾壳四周不均匀分布,量值随土体内摩擦角、重度及隧道埋深的增大而增加;2)盾构下穿过程中,既有结构竖向位移表现为先隆起、后沉降,其中土舱压力、摩擦力是造成既有结构隆起的主要原因,隆起量随土舱压力、摩擦力的增大而增大;3)盾尾脱离后既有结构沉降主要受注浆压力、摩擦力的影响,沉降量则随注浆压力的增大、摩擦力的减小而减小;4)与不考虑摩擦力的数值计算模型相比,考虑摩擦力的模型计算结果与工程实测数据吻合更好,且既有2号线运营地铁隧道结构变形满足规范所要求的控制标准,验证了研究成果的合理性与适应性。

单桩对临近盾构机侧向穿越时的响应

盾构机掘进靠近已有临近桩基时,引起的地层移动会导致桩的承载力降低和产生附加变形。因此,针对隧道侧向穿越桩基时,桩体的承载力及变形的影响问题进行了深入分析,研究中考虑了土仓压力和与桩的距离等因素对桩基的影响,得出了单桩弯矩和桩顶沉降的变化规律;结果表明,盾构掘进中桩基的竖向承载力和沉降下降明显,在工程实践中需引起重视,需考虑采取适当控制措施以保证桩基的安全性;土仓压力大小能有效控制桩的承载力下降,对桩的下沉有一定的控制作用。论文成果对盾构机穿越桩基的安全评估提供了借鉴意义。

双圆盾构掘进施工扰动土体附加应力分析

应用弹性力学Mindlin解建立了双圆盾构掘进引起土体附加应力积分表达式。运用复化Gauss-Legendre数值积分公式,定量分析了双圆盾构正面推力、盾构与土体侧摩阻力对土体扰动的程度及范围。分析表明,双圆盾构掘进对土体扰动具有区域性特征,盾构机上部表现为背土挤土,侧面则表现为挤压剪切效应,并且侧摩阻力对土体的扰动程度更大。所得结论对于双圆盾构穿越临近地下管线或建筑物桩基的施工提供理论依据。

类矩形土压平衡盾构施工引起的地表变形

针对类矩形盾构施工的扰动控制问题,基于弹性力学Mindlin解,考虑刀盘正面附加推力、壳体与土体之间摩阻力、同步注浆压力以及土体损失4种因素的共同作用,采用数值积分法和叠加原理对地表变形进行计算分析.结果表明:4种因素共同作用下类矩形盾构掘进地表相当范围内表现为沉降,最大收敛沉降约为33mm,开挖面前方的沉降影响主要集中在前方10m范围;同步注浆压力产生的地表隆起可以部分抵消土体损失引发的沉降,因而合理的同步注浆有利于沉降控制;4类因素中,正面附加推力和盾壳摩阻力产生的地表变形很小.理论结果与实测数据基本吻合,可为后期类矩形盾构隧道施工的扰动控制提供理论参考.

盾构管片接缝传力垫层的接触特性试验研究

为了研究盾构管片接缝的接触特性,采用带有橡胶垫层的混凝土试件来模拟盾构管片和橡胶垫层,通过加卸载条件下的直剪试验和单轴压缩试验,探究盾构管片接缝和接头处的切向和法向接触特性。由试验结果可知:1)接触面剪切应力随剪切位移的变化过程可以分为弹性变形、弹塑性变形和应变软化3个阶段,剪切峰值应力的残余百分比为55%~65%;2)橡胶垫层在混凝土之间起到了良好的缓冲作用,对管片的失稳破坏过程有一定的延缓作用;3)根据试验结果得出管片混凝土强度等级为C50、传力垫层厚度为2 mm时接触面的切向和法向接触刚度,为盾构管片接缝传力垫层接触摩擦特性的分析计算提供参考。