Examining the effect of adverse geological conditions on jamming of a single shielded TBM in Uluabat tunnel using numerical modeling

Severe shield jamming events have been reported during excavation of Uluabat tunnel through adverse geological conditions, which resulted in several stoppages at advancing a single shielded tunnel boring machine(TBM). To study the jamming mechanism, three-dimensional(3D) simulation of the machine and surrounding ground was implemented using the finite difference code FLAC3D. Numerical analyses were performed for three sections along the tunnel with a higher risk for entrapment due to the combination of overburden and geological conditions. The computational results including longitudinal displacement contours and ground pressure profiles around the shield allow a better understanding of ground behavior within the excavation. Furthermore, they allow realistically assessing the impact of adverse geological conditions on shield jamming. The calculated thrust forces, which are required to move the machine forward, are in good agreement with field observations and measurements. It also proves that the numerical analysis can effectively be used for evaluating the effect of adverse geological environment on TBM entrapments and can be applied to prediction of loads on the shield and preestimating of the required thrust force during excavation through adverse ground conditions.

Study on Ground Deformation during Shield Tunnel Construction

Through the systematic analysis of the ground settlement generated by the process of shield tunneling,the relationships between ground deformation and construction parameters are studied in this paper.Based on the assumption of linear small deformation,a mathematical model of the relationship between ground deformation and construction parameters is set up.The principle and method of optimization for estimating ground deformation is studied.The actual measured data are compared with the results of theoretical analysis in a case.Considering different ground formations in different construction sites with different adverse effects on surface and underground structures,the ground surface deformations caused by shield tunneling is an aimed topic in this paper.The contributions and research implications are the revealed relationships between the ground deformation and the shield tunneling parameters during construction.

机器学习方法在盾构隧道工程中的应用研究现状与展望

随着盾构隧道工程信息化水平的提升,隧道掘进设备作业过程监测技术日益完善,记录的工程数据蕴含了掘进设备内部信息及其与外部地层的相互作用关系。机器学习因其数据分析能力强,无需先验的理论公式和专家知识,相较于传统的建模统计分析方法具有更大的应用空间。通过机器学习方法对收集的信息与数据进行深度挖掘并分析其内在联系,有助于提升盾构隧道工程建设的效率和安全保障水平。简述机器学习方法的基本原理,总结和分析机器学习方法在盾构工程中的应用研究状况,综述基于机器学习的盾构设备状态分析、盾构设备性能预测、围岩参数反演、地表变形预测和隧道病害诊断等5个方面的进展,并分析当前研究的不足。最后,分析盾构隧道工程向智能化方向发展需重点攻克的难题。

新建隧道近接上穿对既有盾构隧道纵向变形的影响

新建隧道近接上穿将诱发下卧盾构隧道隆起变形,预测既有盾构隧道位移发展对近接上穿施工控制和既有盾构隧道保护具有重要意义。基于两阶段法,提出新建隧道近接上穿引发既有盾构隧道纵向位移解析解;通过可考虑环间接头弱化的非连续盾构隧道模型模拟既有盾构隧道,采用Riftin地基考虑盾构隧道-土层相互作用,同时通过Mindlin经典解得到新建隧道开挖卸载应力,并作用于既有盾构隧道之上,建立新建隧道上穿作用下既有盾构隧道纵向变形解答;通过将杭州圆形顶管隧道上穿既有地铁1号线、上海地铁8号线隧道上穿既有地铁2号线两个工程案例实测值与本文方法和常用Euler-Bernoulli(EB)等效连续梁模型计算结果进行对比,验证本文方法的合理性。研究结果表明:本文方法和EB连续梁模型预测的隧道纵向位移均接近实测值;本文方法预测的隧道弯矩和接头张开量均大于EB连续梁模型;但EB等效连续梁模型预测的纵向位移曲线整体呈现为光滑连续,而本文方法预测的位移曲线是由一系列短直线连接而成,在接头处存在“尖点”。

软弱富水地层超大直径盾构下穿长江堤防变形分析

软弱富水地层上长江堤防变形受浅埋超大直径盾构隧道施工扰动影响大。以盾构开挖直径为15.07 m的某双线隧道工程为背景,基于现场监测资料,研究盾构过堤时无为长江堤防沉降的时空演化规律,并对掘进参数与堤防加固措施的合理性进行分析。研究结果表明,压密注浆加固处理可有效减小堤防地表沉降幅度。右线隧道过堤时,中轴线上方堤防沉降变形总体随着盾尾离开天数的增加而增大,最大沉降位于堤前段,为20.37 mm,远离中轴线部位普遍产生轻微隆起。左线隧道下穿堤防后,堤防竖直变形整体呈“左线堤前段与堤后段隆起、堤坝段沉降,右线整体沉降,幅度从堤前段往堤后段沉减小”的分布规律。盾构下穿长江堤防时,切口压力、推力、扭矩等掘进参数的调整受堤坝超载效应影响。

地下水位变化对砂土地层地铁隧道沉降影响试验研究

为考察地铁运营后列车载荷和地下水对隧道造成的影响,对某砂性土地层城市中某一地铁盾构隧道区段运营6年间的沉降变形进行实测观察;根据实测所得沉降规律,设计并开展缩尺模型试验,研究车致振动条件下因地下水位变化产生的隧道沉降规律。结果表明:随着时间推移,隧道各测点所得数据呈现一定的周期性上升与下降变化趋势,前2年隧道总体上浮,之后略有沉降,第3年后虽有波动但基本未发生进一步沉降,第6年后隧道最大沉降不超过3 mm;砂性土地层中,地下水位变化会造成重塑土层内部应力变化,且振动荷载会导致土体颗粒结构重新调整至密实,易导致隧道发生沉降,因此不能忽视地铁周围施工降水给隧道带来的不利影响;土体振密及因地下水产生的浮力共同作用,导致隧道的上浮及沉降。相比于软土地层,砂性土地层中盾构隧道的沉降速率明显更低且沉降基本稳定时间更短,2种地层下的沉降规律、影响因素完全不同,各地层下的沉降分析理论亦无法相互适用。

侧部注浆对已建盾构隧道受荷变形影响试验研究

采用侧部注浆法整治盾构隧道横椭圆变形超限过程中,盾构隧道周围附加土压力及隧道变形特性暂不明晰。通过几何相似比为1∶10的缩尺寸模型试验开展了侧部注浆对已建盾构隧道的影响试验研究,试验结果分析表明:在注浆挤压作用下,将导致隧道周围的土压力在注浆点处局部增大,两边有一定程度的减小,产生了明显的水平被动土拱现象;在注浆附加荷载影响下,模型盾构隧道在注浆点附近发生了竖椭圆变形,而在离注浆点较远处则发生了横椭圆变形,且隧道发生了反弯现象;注浆过程中发生了“渗透→挤密→劈裂”扩散模式与“挤密→劈裂→渗透”扩散模式,并阐明了两种浆液扩散模式的扩散机制;隧道外壁附加荷载主要由浆液通过渗透扩散与劈裂扩散的浆液压力所形成,同时浆液挤压土体变形对隧道周围的浆液也将形成一定的挤压荷载。

有变形缝工况下地铁左右线盾构并行下穿对既有明挖公路隧道变形及应力的影响

[目的]为确保有变形缝工况下地铁盾构隧道并行下穿既有明挖公路隧道工程的顺利实施,须对该工况下既有明挖公路隧道的变形情况及应力特征进行分析。[方法]建立了济南济泺路下穿黄河隧道工程中市域轨道交通S2线左右线盾构隧道并行下穿既有明挖公路隧道的精细化模型,分析了既有明挖公路隧道车道结构底板的z向(竖向)沉降、x向(水平向)位移及车道结构底板的应力变化情况。选取有无变形缝2种工况,对2个施工步完成后测线的x向位移和z向沉降变化情况进行对比。进一步选取工程中的2号变形缝,分析施工过程中2号变形缝两侧的结构沉降差和变形缝的应力状态发展历程。[结果及结论]与无变形缝工况相比,有变形缝工况降低了既有明挖公路隧道结构的整体性,改变了其变形及受力特征;变形缝始终受到拉应力及剪应力的影响;有变形缝工况下,变形缝两侧沉降随地铁盾构掘进呈现出明显的变化,地铁盾构掘进至该变形缝正下方时,沉降达到最大值。

小转弯曲线隧道TBM选型与掘进姿态调控方法

小转弯隧道施工时全断面隧道掘进机(full-section tunnel boring machine,TBM)的选型设计和掘进姿态控制具有特殊性,目前还缺乏通用的理论依据和指导方法。针对此问题,首先,对传统类型TBM小转弯选型进行研究,结合已有项目数据和几何模拟,确定传统类型TBM能适应的最小转弯半径。然后,对双盾敞开式TBM的推进系统和导向系统进行针对性设计,通过分析双盾敞开式TBM推进系统结构和实际施工,提出转弯时双盾敞开式TBM推进油缸内外侧行程差值的理论计算方法和施工过程中的姿态调控方法。最后,得出如下结论:1)当隧道转弯半径小于200 m时,敞开式TBM适应难度较大,需要采用双盾敞开式TBM;2)结合抚宁抽水蓄能电站项目实际施工情况,提出的双盾敞开式TBM的理论计算方法和姿态调控方法确保了转弯段隧道的轴线偏差在要求范围内。

超高性能混凝土加固盾构隧道结构试验与数值研究

在应用超高性能混凝土(UHPC)加固既有盾构隧道的基础上,提出优化的钢板-UHPC组合加固方法。将钢板作为隧道内衬并在钢板与管片之间填充UHPC,采用植筋、化学锚栓以及栓钉等作为界面连接件,形成共同受力的整体。开展极限承载力足尺试验并建立非线性数值模型,探究组合加固结构的破坏机理以及影响受力性能的关键因素。结果表明,组合加固结构破坏模式具有较好的延性特征;组合加固结构刚度主要受管片及加固体刚度控制,承载力水平主要受管片强度控制,极限承载力相比UHPC加固结构提升28%;极限状态下,顶部和腰部等位置的钢板发生屈服、主筋受拉屈服。数值参数分析结果表明,组合加固结构性能指标受加固层厚度和界面黏结性能影响较大,可适当增大钢板厚度并保证界面连接件的数量。

富水环境下盾构隧道最小覆盖层厚度设计与计算方法综述

覆盖层厚度设计是建设水下盾构隧道的关键环节之一。覆盖层厚度过小,围岩在施工扰动下易发生失稳,引起塌方、突水等灾害;覆盖层厚度过大,则会对工程预算与工期提出更高的要求。通过文献调研,结合已有实际水下盾构隧道工程案例,对现有合理覆盖层厚度设计和计算方法进行研究与总结。得出:1)水下盾构隧道设计方法主要分为理论分析法和数值模拟法;2)根据隧道结构稳定分析侧重点不同,理论分析法可分为考虑抗浮稳定性设计方法和考虑掌子面稳定性设计方法;3)现阶段水下盾构隧道合理覆盖层厚度的设计方法多基于数值模拟和理论分析,对实际工程工况进行一定程度的简化,且未能全面考虑复杂建(构)筑物环境、施工工艺以及隧道自身结构特性的影响,覆盖层厚度的研究深度和设计方法的适用性仍需进一步提高;4)目前,富水环境下盾构隧道最小覆盖层厚度的研究内容已较为丰富,但与实际工程的结合较为困难。未来的研究应进一步考虑施工的经济性、施工流程、复杂环境条件、结构寿命及智慧建造平台等方面。

基于云模型的某近间距盾构隧道施工风险评估案例研究

相较于一般的盾构施工,近间距盾构施工中后行隧道施工不仅难度大、风险高,还会造成既有隧道的结构变形和位移,降低既有隧道的安全性,因此需要对近间距盾构施工进行风险识别和评估,为制定控制措施提供支持。依托某市轨道交通七号线三阳路过江超大直径隧道近间距盾构施工实例,根据其工程特点归纳出典型风险指标,并基于熵权法计算指标权重,采用云模型评估方法对各个风险进行评估。实际施工中结合评估等级采取针对性措施,保证了工程施工安全,同时也验证了此方法的有效性和可行性,可为类似工程风险评估提供参考。

大直径海底盾构隧道施工过程中衬砌管片受力分析

[目的]为判定海底大直径盾构隧道结构工程的安全性和可靠性,需对其衬砌管片的受力进行分析。[方法]以大连地铁5号线大连站站—梭鱼湾南站区间海底盾构隧道衬砌管片为研究对象,利用MIDAS GTS有限元分析软件对该盾构隧道结构和周围岩体进行建模,得出施工一段时间后衬砌管片的受力情况,并与现场监测数据、理论计算数据进行对比分析。[结果及结论]衬砌管片所受土压力随施工推进基本稳定;同一监测断面不同测试点土压力存在一定差异,拱顶和拱底位置处受力较大,因此在隧道施工期以及未来运营期,拱顶和拱底均为着重关注部位,可通过一定物理手段对其加强处理;现场监测数据和数值模拟数据显示,衬砌管片内力结果较为接近,在一定简化条件下,数值模型能够较为真实地反映衬砌管片的实际受力情况。

富水砂卵石层盾构施工影响因素及敏感性分析

砂卵石地层具有渗透性强、孔隙率大、自稳性差和受扰反应大等特点,若盾构施工参数控制不当则会发生掌子面失稳、坍塌和涌水等安全事故。确定富水砂卵石层盾构掘进引起地表沉降和管片隧道变形的影响因素,对于安全施工具有重要的指导意义。本文以洛阳地铁区间盾构穿越洛河富水砂卵石地层为工程背景,基于流固耦合理论,运用ABAQUS软件构建盾构掘进的三维有限元模型,数值模拟和现场实测的地表沉降数据基本吻合,验证了模型的准确性。采用单因素分析法研究了盾构掘进压力、同步注浆压力和等代层厚度等3个参数对地表沉降与管片变形的影响规律,研究结果表明:增大盾构掘进压力和同步注浆压力,减小等代层厚度,均能减小地表和隧道的拱顶沉降;而增大盾构掘进压力,减小同步注浆压力和等代层厚度,可减小隧道拱腰的水平变形。采用正交试验方法确定了3个影响因素对地表沉降和管片拱顶沉降两个指标的敏感性,从大到小排序均为:同步注浆压力、盾构掘进压力和等代层厚度。

盾构隧道底部注浆抬升模拟试验研究

针对盾构隧道底部注浆时浆液扩散及隧道周围土压力影响不明的问题,开展了注浆单元体试验及盾构隧道底部注浆抬升模拟试验。注浆单元体试验分析表明:注浆过程浆液呈现劈裂扩散后最终发生了跑浆现象,而在发生跑浆后注浆附加土压力基本不再增加,甚至有所减小。在隧道注浆抬升模型试验注浆过程中,浆液发生了挤密扩散和劈裂扩散等;浆液劈裂扩散的方向具有一定的随机性,随着劈裂扩散浆液在土层中固结,其流动性逐渐降低,最终停止扩散;浆液由挤密扩散转为劈裂扩散后,挤密扩散所形成浆泡的周围土压力显著减小;完成注浆后,因浆液固结收缩,注浆导致的附加土压力将再次减小;模型盾构隧道在底部注浆导致的附加土压力作用下发生了横椭圆变形与纵向挠曲变形,模型盾构隧道与其周围土体形成相互作用的附加荷载。因此在实际施工中,除遵循少量多次的注浆原则外,应提高浆液稠度而避免发生跑浆。

隧道盾构管片非接触式全周形貌测量方法研究

针对隧道盾构管片几何质量检测的需求,提出了非接触式全周形貌测量方法。首先,遥控移动载体移动至测点,投影仪投射散斑图像,工业相机捕获并计算得到的点云数据;然后,采集多个测点;最后,将各局部点云数据进行拼接,获得被测物体的全周形貌。该快速半自动的检测方法可获得隧道盾构管片全周尺寸,精度达到0.2%。

考虑衬砌截面协调变形约束的既有隧道受盾构下穿施工影响的Fourier能量变分解

目前关于新建盾构开挖诱发既有地铁隧道变形的理论研究,大多将既有隧道简化为不含接头的Euler-Bernoulli梁,而忽视了衬砌截面的剪切变形与管片接头的局部刚度削弱。此外,既有地基模型理论较少考虑衬砌管片与接触土体的协调变形约束。首先,采用Loganathan-Polous公式计算盾构开挖诱发的土体自由位移场,并将既有隧道视为考虑剪切变形的Timoshenko梁,基于沿轴线变化的抗弯与剪切刚度函数来描述管片接头的局部削弱作用;然后,结合能量变分原理与连续弹性体Mindlin解,建立考虑衬砌截面协同变形约束的隧道位移控制方程,将盾构开挖诱发的附加荷载施加于既有隧道,并使用Fourier级数方法求解既有隧道纵向变形;最后,将Fourier能量变分解与3组工程实测数据进行对比验证,取得了较好的一致性。此外,考虑隧道抗弯刚度、剪切刚度、接头刚度削弱作用、土体参数与隧道空间位置等因素的共同影响,使用抗弯系数、剪切系数及接头系数进行敏感性分析。结果表明,考虑截面变形协调约束的理论解更为符合实际,不考虑变形协调约束所得隧道位移结果偏大;衬砌接头局部刚度的削弱作用将造成隧道弯矩沿轴线在接头处发生明显锯齿状突变;抗弯系数与剪切系数的增长均导致隧道结构所受弯矩降低;剪切系数由低到高的增长将导致隧道变形模式发生“弯曲控制-弯剪混合-剪切控制”三阶段变化;隧道变形模式进入“剪切控制”阶段的过程中,抗弯刚度的变化对隧道内力影响逐渐降低;接头系数的增长将造成隧道所受弯矩降低,但隧道抗弯刚度较大时其影响逐渐减弱。

盾构下穿高速铁路隧道沉降变形控制标准研究

针对新建盾构下穿高速铁路隧道变形控制难的问题,以石家庄地铁4、5号线以及北京地铁8号线等3个典型的穿越高铁工程为依托,研究下穿高铁隧道沉降变形控制标准.首先,利用有限元软件Midas GTS NX构建精细化的无砟轨道-隧道三维有限元模型,计算盾构下穿整体现浇隧道、盾构法隧道及U型槽段引起的不同沉降工况下的结构内力值,得出满足裂缝宽度限值的结构允许变形值,并且计算了满足规范限值要求的CRTSⅡ型和CRTSⅢ型轨道结构的允许变形值.然后,利用Abaqus软件构建车轨耦合动力模型,计算不同列车速度和沉降工况下车辆的安全性和舒适性指标,得出轨道高低不平顺允许值.最后,汇总各结构的允许变形值,给出结构沉降变形控制标准.研究结果表明:从结构裂缝宽度限值、轨道10 m弦长高低偏差限值和动力学最敏感指标限值方面计算的既有结构允许变形值能够作为盾构下穿高铁隧道沉降变形的控制标准,可作为现行规范的支撑与补充.研究成果可为类似风险大、要求较严的高速铁路穿越工程项目提供隧道及轨道变形控制值参考.

双线大直径输水隧道建设对既有桥梁及桩基的影响分析

为准确分析双线大直径输水隧道下穿对既有桥梁结构的影响,构建桥梁-地层-桩基-盾构隧道高精度数值仿真模型,对桥梁桩基结构及盾构过程进行精细化模拟,结合基于智能算法的土层参数反演模型,获取更接近真实情况的土层参数,以提高数值模拟精度。结果表明:输水隧道盾构开挖引起的地表最大沉降量为15.01 mm,基于反演的地表变形计算结果与实际监测值的误差减少约70%;盾构隧道双线开挖会引起地表二次沉降变形,两条盾构隧道中间区域的地表二次沉降量最大,约占总沉降量的60%,最大二次沉降量为5.06 mm;隧道两侧的桩基受到影响较大,最大位移为10.03 mm,位于桩基顶部,而隧道开挖对桩基内应力分布影响较小,可以认为无影响。