复合地层加强型盾构对比选型技术与滚刀磨损特征研究

为应对复杂地质条件下经验方法无法定量评价掘进机设备选型适应性和经济性的难题,提出盾构/TBM对比选型方法,基于地层综合组段划分技术,依据开挖面岩层性质、地下水情况、施工环境等因素将复杂地层划分成若干独立组段,计算不同类型掘进设备在各个组段内的施工效率和施工成本并作对比,综合汇总后给出各类设备施工定量化效率、工期和经济指标,决策者可根据项目主控因素作出选型结论。此外,同时结合包含硬岩和不良地质段的隧道工程掘进机选型实例,分析加强型盾构对此类地层的适应性,给出首例加强型盾构的配置参数和针对性设计,并对加强型盾构在硬岩段掘进时的滚刀磨损进行回归分析。研究结果表明:(1)盾构/TBM对比选型技术综合考虑不同设备在各隧道组段内的适用性、施工效率、施工成本,选型决策更具科学性和实用性;(2)加强型盾构配置6 r/min刀盘转速和19英寸大直径滚刀,可大幅提升掘进效率,因此对硬岩地层和不良地质段兼具适应性;(3)加强型盾构滚刀累计磨损量与其安装半径呈指数型相关性,边缘滚刀磨损速率最大,施工中应及时检修,保障开挖直径充足。

复合成层地层盾构隧道施工引起土体变形计算研究

为解决盾构上部多层水平覆土且开挖面内上下水平分层的复合地层条件下盾构施工引起的土体变形问题,在统一土体解析解法的基础上对其中土质条件影响参数进行修正,使其可以进行复合地层条件下的土体变形计算,并对土体移动焦点范围进行了重新的划分。将修正后的统一土体解析解法与类随机介质理论相结合,得到可以解决盾构开挖面上存在多种土层情况的计算方法,并且可适用于任意开挖面形状的盾构施工。研究结果表明:经过多组工程案例验算,验证了方法的可行性;开挖面上某一土层厚度等量增加会使土体变形发生非线性变化;由于土体损失比变形传递路径对土体变形的影响更大,相同洞径比下的土体变形可能存在差异。

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。

微型钢管桩内接于灌注桩围护结构计算方法探讨

针对土岩结合二元地层深基坑工程中“吊脚桩”围护结构存在的问题,提出了灌注桩内接微型钢管桩围护结构。考虑微型钢管桩与桩间岩土的“纽结效应”和开挖后桩间岩石与带裂缝混凝土相似性,将该结构等效为上部灌注桩+下部带裂缝的钢筋混凝土无腹筋等效梁阶梯变截面桩(梁)模型,下部等效梁中微型钢管为纵向钢筋,桩间岩石为带裂缝混凝土。用侧向刚度折减来定量表征围护结构截面减少和岩体裂缝对围护结构刚度影响,提出基于侧向刚度折减的弹性支点法来计算围护结构内力,并考虑纵筋销栓作用计算等效梁抗剪承载力。工程实例计算表明,侧向刚度折减系数β由0.85减至0.12,上部灌注桩弯矩增大55.8%,下部等效梁弯矩减少48.7%,上部灌注桩剪力减少13.6%,下部等效梁剪力减少22.0%,桩顶水平位移增加39.5%。开挖至土岩结合面处该结构相对于“吊脚桩”围护结构,桩顶水平位移、竖向沉降没有明显突增,桩顶最终水平位移、竖向沉降仅为“吊脚桩”围护结构的43%、69%。桩顶水平位移监测值为5.5mm,仅为计算包络值的35%,说明刚度折减系数可适当提高。本研究可为土岩结合二元地层深基坑支护提供参考。

滨海地区土岩复合地层城市轨道交通车站深大基坑施工稳定性分析

[目的]基坑开挖会引起周围地层和建(构)筑物产生变形,轻则影响施工进度,重则造成工程事故。为了保证城市轨道交通车站深大基坑的稳定性和安全性,需对基坑开挖过程中土层与围护结构的受力和变形特性进行研究。[方法]以青岛某地铁车站深大基坑为工程背景,结合土岩复合地层特性,采用数值模拟方法对深大基坑各施工工况下的变形及内力进行分析。结合现场数据,研究土岩复合地层下深大基坑开挖过程中地面沉降、围护桩位移及支撑轴力的变形规律。[结果及结论]数值模拟表明:未施工双轴高压旋喷桩时,端头井东墙、西墙及南墙均发生侧向位移,且侧向位移方向均朝向基坑内部,最大侧向位移为2.19 mm,发生在南墙中部;施工双轴高压旋喷桩时,基坑端头井一侧旋喷桩加固过程中,端头井侧墙变形量出现峰值,最大变形量为2.21 mm。未施工双轴高压旋喷桩时,地连墙内力变化峰值出现在其腰部,最大值为101 kN;施工双轴高压旋喷桩时,端头井旋喷桩加固地层侧的地连墙结构内力变化明显,其内力变化峰值出现在地连墙腰部,最大值为96 kN。由此可见,双轴高压旋喷桩对基坑各施工工况下的地连墙的内力有一定的减小作用,但对基坑变形影响不大。

穿越土岩交界面的隧洞围岩变形数值模拟分析

针对强降雨导致穿越土岩交界面处隧洞围岩变形问题,依托某灌区工程总干渠1号隧洞,采用流固耦合理论的数值模拟方法,对该部位隧洞变形问题进行了模拟,并分析了围岩不同弹性模量、不同黏聚力、不同摩擦角、不同土岩交界面产状等参数对围岩变形的影响。结果表明:强降雨是隧洞变形的主要原因;拱顶沉降对弹性模量变化更敏感,地表沉降对黏聚力变化更敏感;土岩交界面倾角的变化对降雨后的围岩和地表沉降影响很大,地表沉降从0°时的5.82 mm变化到60°的37.16 mm,拱顶沉降从0°时的15.77 mm变化到60°时的26.17 mm。研究成果可以为类似工程选线布置和施工控制措施实施提供借鉴。

岩土复合地层双孔隧道开挖对地表沉降的影响

为研究岩土复合地层中双孔平行隧道开挖对地表沉降的影响,提出一种基于复变函数理论和随机介质理论相结合的计算方法,讨论不同隧道开挖半径、隧道间距以及土层主要影响角对地表沉降的影响。结果表明,相较于不分层理论,考虑岩土分层的计算结果与有限元结果更加吻合;随着隧道开挖半径的增大,地表沉降随之增大;随着隧道间距的增大,地表最大沉降值随之减小,沉降曲线形态发生变化;随着土层主要影响角的增大,地表最大沉降值随之增大,地表沉降槽宽度变小。

上覆土石混合体地层隧道稳定性分析

为了探究隧道进出洞区域遭遇上覆土石混合体这一土岩复合地层下隧道的稳定性,以泸石高速青极坝隧道为工程背景,采用有限元差分计算不同土岩交界层与隧道距离对隧道的稳定性影响。主要结论如下:土石混合体由于稳定性较差,抗剪能力不足,隧道开挖后容易形成剪切滑移带导致隧道拱部发生塌方。隧道拱部以上的岩体层作为承载层,受力模式类似固端梁,随着厚度的降低,隧道拱部沉降以及安全强度折减系数逐渐降低,当距离小于2 m后,塑性区发生贯通,承载能力失效。当上部岩层厚度小于2 m时,需要采用双层超前小导管加固岩层使得岩层达到安全厚度,并采用三台阶与及时支护控制围岩变形。

复合地层隧洞中隔离桩对围岩位移的控制效果分析

设置隔离桩作为一种控制城市隧洞开挖引起围岩变形的有效手段,在“上软下硬”复合地层中的作用效果还罕有研究。依托滇中引水工程龙泉隧洞,采用FLAC^(3D)软件,分析隔离桩桩位、桩径、桩长及桩顶埋深等参数对隧洞衬砌及地表建筑物变形控制效果的影响。结果表明:设置隔离桩能够阻隔地层应力的传递,合理的设计参数是充分发挥隔离桩阻隔作用的关键;同等条件下,隔离桩对地层位移的限制作用在水平方向优于竖直方向;隔离桩距离隧洞越近、桩径越大,控制变形效果越好;隔离桩只有穿过地层滑移面并嵌入下层土体时,才能够较好控制由隧洞开挖引起的隧洞衬砌以及地表建筑物位移,建议嵌入下层土体深度为隔离桩长度的1/4;适当设置桩顶埋深能够降低隔离桩对于土体的牵引作用,建议桩顶埋深深度为隔离桩长度的1/5。研究成果可为隔离桩在城市浅埋复合地层隧洞工程中的应用提供参考。

超长大直径劲性复合桩在武汉二元结构地层的应用

以劲性复合桩在武汉二元结构地层地场某项目的首次应用为背景,分析了试桩结果,对比研究了预制管桩及钻孔灌注桩的技术经济性。结果表明,劲性复合桩的承载力较常规预制管桩有大幅提高,能够满足对于单桩高承载力的要求,相较于钻孔灌注桩能大幅度节省造价,具有较高的经济效益。劲性复合桩对于武汉地区二元结构地层具有良好的适用性,拓宽了常规直径管桩在武汉地区二元结构地层的应用场景,具备较高推广应用价值。

土岩深基坑开挖对临近管线变形影响分析

为探究土岩复合地层桩锚支护深基坑开挖对临近管线变形的影响,文中依托山东大学齐鲁医院二期项目的深基坑工程,通过Midas有限元模拟和现场监测相结合的方法,揭示了管线与基坑之间不同距离、管线周围不同土体对管线变形的影响。结果表明管线竖向变形呈凹槽形,在基坑端部-10~20m范围内不均匀变形最大;管线的位移与管线埋距负相关,在0.85H范围内影响较大;管周土体弹性模量的变化对其横向位移影响较大并且土体弹性模量越大,管线变形越小。研究成果可为类似工程提供参考。

复合关键层综放开采瓦斯运移与抽采耦合规律研究

针对复合关键层工作面开采后覆岩裂隙演化及瓦斯运移涌出耦合规律,以王家岭煤矿12313综放工作面为工程背景,通过研究工作面推进后覆岩活动、裂隙演化情况,得到工作面覆岩裂隙分布特征,建立数值模型,分析卸压瓦斯运移规律。最终将研究结果应用于12313综放工作面现场瓦斯治理及效果检验。结果表明:12313综放工作面复合关键层初次破断步距为49.84m,走向模型的垮落带和裂隙带组成的“两带”高度为121.1m,切眼侧和工作面一侧的裂隙区宽度分别为45.6m和44.6m,切眼和工作面的垮落角分别为62°和60°,倾向模型的垮落带和裂隙带组成的“两带”高度为115m,运输巷一侧和回风巷一侧的裂隙区宽度分别为37m和40m,运输巷和回风巷的垮落角分别为62°和63°;12313综放工作面施加“高位定向钻孔+回风巷埋管”抽采措施后,回采过程中上隅角最大瓦斯浓度能够保持在安全范围内,当埋管口深度为17.3m时,上隅角瓦斯浓度达到0.478%,有效解决了上隅角瓦斯超限及积聚问题,可为类似条件下采煤工作面瓦斯治理提供参考。

复合地层下穿高铁超大矩形盾构隧道开挖面的极限支护力

为了保证超大矩形盾构隧道开挖面的稳定性,依托某超大矩形盾构隧道工程,采用理论分析、数值模拟和现场监测方法对复合地层下穿高铁超大矩形盾构隧道开挖面的极限支护力进行了研究,提出了复合地层下穿高铁超大矩形盾构隧道开挖面临界破坏模式,并基于极限平衡理论推导了极限支护力计算方法。数值模拟和现场监测结果表明:提出的极限支护力计算方法与数值模拟和现场监测的误差分别在10.40%~18.30%和11.19%~16.85%区间,说明极限支护力公式安全可靠,可应用至实际工程中。研究结果可为类似工程开挖面稳定性控制提供参考。

复合地层稳态渗流水头损失计算模型试验研究

研究预测复合地层渗流过程中水头损失变化规律与简化计算,针对不同类型的复合地层进行稳态渗流条件下的水头损失简化计算模型试验。结果表明,复合地层渗流过程水头损失明显受到地层交替分布影响;粗粒土复合地层按照渗透系数较大的土层向渗透系数较小的土层方向连续渗流,水头损失大小采用达西定律简化计算;渗透系数小的粉质黏土层若是位于复合地层的上层或是中层,可能出现渗流的不连续,甚至是水头的消失,水头损失大小由渗透系数最小的地层控制简化计算;位于大厚度粉质黏土层下的饱水地层,水头损失从粉质黏土层临界面以下土层进行重新简化计算。

复合地层盾构掘进刀盘扭矩波动分析与贯入度预测方法

目的:在复合地层中,盾构掘进时往往会产生较大的刀盘扭矩和扭矩波动,为降低扭矩波动和提高掘进效率,需研究贯入度的预测方法。方法:建立了刀盘滚刀与切刀开挖扭矩模型,并通过考虑复合地层与刀盘的摩擦,建立了复合地层盾构掘进总扭矩模型。在分析复合地层盾构开挖扭矩波动特征的基础上,建立了刀盘扭矩、复合地层组成、贯入度与岩石强度的简化关系,并提出了一种新的预测指标——I MTP(复合扭矩贯入指数)。该指标将扭矩与贯入度结合,可用于评价复合地层开挖面的可切削性。同时提出了一种基于机械性能的贯入度预测方法,其可用于预测不同地质条件和机械性能限制下的贯入度。结果及结论:复合地层盾构掘进总扭矩模型的预测能力可靠性已在南京至句容城际轨道交通工程麒麟镇站—东郊小镇站区间得到了验证。该方法可在复合地层中隧道盾构机械能受限的情况下,将盾构掘进参数与地质条件参数进行匹配,能为隧道掘进施工的安全和效率提供指导与保障。

土岩复合地层中盾构施工引起的地表位移预测

盾构穿越上软下硬土岩复合地层时极易引起地表沉降。为探究其规律,分析了盾构开挖面在复合地层中的收敛模式,考虑了层状地层对地表位移的影响,对传统的随机介质理论进行了简化,推导了复合地层中盾构施工引起的地表位移计算公式,依托杭州环城北路—天目山路盾构隧道工程进行了地表沉降的计算和可靠性验证,搜集并分析了26组地表沉降实测数据,反分析计算得到了对应的土体损失率,并进一步分析了土体损失率的分布及取值规律。结果表明:简化方法与传统随机介质理论计算结果相近,计算曲线与实测数据相吻合;复合地层中的土体损失率分布在0.09%~2.2%,与黏性土中类似;同一工程(区段)中土体损失率随硬岩比的增大而减小,且大致呈线性相关。

复合地层越江大直径地铁隧道盾构地层适应性风险及选型分析

盾构法施工具有速度快、扰动小、劳动强度低等优点,被广泛运用于隧道工程建设中。对不同的工程而言,其地层环境一般都不同,盾构机选型的地层适应性是决定施工是否顺利的关键因素。这在复合地层和高水压环境下施工时更为明显。依托武汉地铁某大直径越江隧道,通过对穿越地层和水文条件特征的分析,识别出本区间显著存在的开挖面失稳、刀盘磨损以及密封失效等适应性风险,在此基础上针对刀盘系统、推进驱动系统和密封系统进行了选型结果分析。分析结果表明,当前盾构选型在此区间内地层适应性良好、作业效率高、有利于施工控制。

复合地层中不同刃形滚刀与岩石接触行为研究

目的滚刀截面形状即刃形对滚刀综合性能影响显著,研究不同刃形的滚刀在复合地层中的载荷变化特点,把握各型滚刀应用于复合地层时的优势与劣势,对于减少滚刀失效、降低刀盘偏载具有重要指导意义。方法通过滚刀破岩试验获取和对比3种刃形的滚刀(平顶、圆顶和螺旋槽滚刀)在软硬复合地层中的切削力、破岩体积等关键指标,同时建立滚刀破岩有限元数值模型,探究滚刀刃形影响其切削岩石性能的机理和规律。结果在复合地层中工作时,平顶滚刀所需的法向力均值最高,其余滚刀则相近。这是由于圆顶和螺旋槽滚刀破岩时仅有部分表面参与接触,接触面积均小于平顶滚刀,应力集中效应明显,从而降低破岩法向力。螺旋槽滚刀在切削不同强度岩石时的法向力差距最小;圆顶滚刀的法向力标准差的值最小。3种滚刀均形成了粉末状和片状岩石碎片,平顶和圆顶滚刀形成的岩石碎片总体积相近而螺旋槽滚刀略低。结论复合地层软硬岩强度相差较大时,可选用螺旋槽滚刀以减轻刀盘偏载;硬岩部分强度较高时,推荐选用圆顶滚刀,以减小切削力和载荷冲击。

复合地层桥梁桩基双荷载箱自平衡法静载试验研究

对于分布有深厚软土层且下部为砂层的江汉平原复合地层,高速公路桥梁桩基一般为超长的大直径摩擦型桩,单桩荷载达8000~11000kN,桥梁占比高对工程项目造价影响重大,因此如何降低桥梁造价对控制工程总造价尤为重要。采用双荷载箱自平衡法静载试验,通过计算荷载箱位置、优化荷载箱安装细节、确定分级加载值及测定桩侧、桩端阻力,获取桩侧主要土层及桩端持力层的有关参数和桩基竖向变形参数,测定单桩极限承载力,一方面核验该区域复合地层桩基承载力容许值,另一方面优化荷载箱位置的布设、荷载箱安装细节及检测方法。

超载作用下土岩复合地层盾构隧道变形及破坏特征模型试验研究

地面突发堆载诱发运营期内地铁隧道病害的案例屡见不鲜,广州地区地铁隧道建设中常遇洞身上部为软土、砂层,下部为硬岩的土岩复合地层。目前对于局部超载作用下,土岩复合地层中盾构隧道变形与破坏特征并不明确,现行加固标准对于该种特殊地层的适用性也亟待验证。通过1︰5的土箱模型试验,探究不同硬岩比的土岩复合地层中隧道在正上方局部超载作用下的变形规律和破坏模式。试验结果表明:地层硬岩比对局部超载下盾构隧道的位移发展及其分布影响显著,结构的临界失稳荷载等级随着硬岩比增大而提高,结构破坏椭圆度随之减小,硬岩比的增大加强了结构外部围岩的约束作用,显著地控制了隧道椭变,但约束的加强也使结构呈现脆性性状,位移发展速率出现明显突变点;硬岩限制了其范围内管片的内力发展,且土岩交界面上部邻域管片产生应力集中现象,结构首先在此区域发生破坏,且常以贯穿式裂缝形式发展,随着硬岩比增大,结构呈崩角、劈裂等脆性破坏形式;隧道拱顶附加土压力会随结构失稳进入下降阶段,且随着硬岩比增大,软土压缩对地表超载的分散效应减弱,进而导致隧道拱顶附加土压力对地表超载更加敏感;将试验数据与现行加固标准对比分析,发现现行加固标准不适用于高硬岩比土岩复合地层中盾构隧道。研究成果可为加固标准结合地层因素优化提供理论支撑。