基于改进N-K模型的地铁盾构掘进安全风险耦合研究

为预防和控制地铁盾构掘进施工过程中的关键安全风险,并精准判断哪些风险耦合情境是导致事故发生的显著情境,提出改进N-K模型研究地铁盾构掘进安全风险耦合;综合运用文献研究、事故案例、专家访谈等方法,辨识地铁盾构掘进的关键安全风险因素;基于N-K模型提出新的地铁盾构掘进安全风险耦合评估模型,并选用安全事故案例验证该模型的适用性。结果表明:辨识得到地铁盾构掘进关键安全风险因素清单,包括4类一级风险因素,21个二级风险因素;地铁盾构掘进施工安全风险随着耦合因素种类的增加而变大,4因素风险耦合值最高,3因素风险耦合值次之,双因素风险耦合值最低,作业人员安全意识薄弱和机械故障参与作用的耦合情境更容易发生安全事故。

给排水管线渗漏对地铁盾构施工影响的模拟分析

针对排水管线渗漏会导致地表沉降,从而影响地铁施工的问题。建立给排水管线渗漏模型,计算管线渗漏的二维渗流场,获取有限元离散化单元渗流方程。建立地铁盾构施工下土体力学模型,得到应力场控制方程,计算地铁盾构施工过程中土体荷载,仿真分析给排水管线渗漏时对地铁盾构施工的影响。仿真结果表明,在管线未渗漏条件下,地铁盾构施工会产生地表沉降;在地铁盾构施工过程中,地表沉降受到管线渗漏范围和地表位置等影响,距渗漏中心点越近,渗漏范围越大,地表沉降值越大;地铁盾构施工结束后,给排水管线发生渗漏时,地表的沉降值会呈现出先增加后趋于不变的趋势。

暗挖车站内盾构脱壳解体接收技术研究

盾构法施工速度快、安全性高,成为城市地铁施工的主要手段,但城区地面环境复杂,一般无法为盾构提供接收条件,因此多采取站内或洞内盾构解体接收。暗挖车站内空间封闭、施工受限,针对暗挖车站内盾构脱壳解体接收技术做了研究;提出当确定解体接收盾构时,应在车站施工阶段将下沉段和中板吊装孔洞规划在内,并提前在洞门上方车站中板结构处做注浆加固,防止出现注浆死角;下沉段长度宜设置为0.5~1倍盾体长度;且洞内解体方案优于站内解体;通过方案比选,提出将部分盾尾留置在洞内的拆机方案优于将盾尾全部脱出或全部留置方案。

异形板桥桩基托换力学行为及变形规律研究

随着地铁建设的迅速发展,不可避免的穿越既有城市立交桥,对其沉降及受力状态产生重大影响。依托石家庄地铁2号线下穿建和桥桩基托换工程,利用有限元软件,建立三维有限元模型,实现了桩基托换全过程模拟,通过数值计算得出了沉降变化规律,并与现场实际数据进行了对比分析。沉降结果表明,建和桥南桥托换部位沉降较大,应加强此区域位置的监控。通过分析桥面异形板及桩基应力历史,得出:桥面异形板在施工过程中应力变化主要集中在断桩施工阶段;原始桩基在托换施工全过程中,受力表现出先减小后增大的变化规律,新建桩基有效应力呈现出持续增长的现象;断桩施工将原始桩基受力有效转移至新建桩基,盾构施工对各结构应力状态影响较小。

大直径盾构隧道整体式预制弧形件构造

上海市机场联络线是国内首次在大直径盾构隧道中采用整体式预制弧形件的工程,而现阶段缺少对整体式预制弧形件选型及排版的研究。针对该问题,本文分析了标准环+左转弯环+右转弯环、左转弯环+右转弯环和通用楔形环三种管片形式下弧形件的构造设计,并给出排版计算方法。结果表明,在标准环+左转弯环+右转弯环和通用楔形环管片形式下,分别采用直线形+楔形弧形件和无楔形量的弧形件能较好满足工程需求,建议在类似工程中选用。

青岛地铁土压平衡盾构碎石土改良方法研究

盾构在碎石土地层掘进时经常面临着地层渗透性强、刀盘扭矩大、刀具磨损严重等诸多困难。为解决上述施工难题,以青岛地铁4号线典型的碎石土地层为研究对象,首先通过颗粒筛分、LCPC试验和渗透性试验评价了碎石土的基本特性,结合传统的砂土和黏性土改良方案设计了5组碎石土改良配比方案,对不同配比方案进行坍落度试验、渗透性试验和直剪试验,分析了不同改良指标碎石土的流塑性、渗透性及抗剪力学特性,根据实际工程中盾构刀盘扭矩的变化情况验证了泡沫与聚合物组合改良的最佳方案。研究表明:7%浓度泡沫与5%浓度聚合物配比的改良剂能够有效降低碎石土的渗透系数,同时起到降低刀盘扭矩的作用。

暗挖扩大端内弃壳解体接收盾构关键技术研究

使用盾构法在城市中心修建地铁时,常面临地面空间不足,无法提供充足的工程场地进行常规盾构接收的问题,因此在预接收地点修建暗挖横通道+暗挖扩大端的辅助结构,进行盾构解体接收成为主流方案,但暗挖扩大端的修建尺寸并无清晰参考。以北京地铁19号线为例,分析了暗挖扩大端宽度和高度的设计问题,并针对弃壳接收和部分弃壳两种方案,对暗挖扩大端的最小设计尺寸做了规定,即高度应包含开挖垫层、盾构直径和吊装空间三部分,其中吊装空间至少应为1.5~2m;当采用弃壳接收时,暗挖扩大端宽度与刀盘直径和刀盘分块暂存方式有关。提出了一种新的适用于暗挖扩大端内狭小场地的刀盘拆解方案,能够显著减小占地面积,同时设计了一种适用于洞内拆解主驱动的专用滑移辅助工装,提高了拆解过程的安全性。

用于隧道位移监测的菱形布设新方法

提出了一种基于弱光栅传感器特性的监测方法,用于长期监测运营期盾构地铁隧道中存在的不均匀沉降和管片水平错动位移。将缆状弱光栅传感器经过预拉伸后,呈菱形固定在盾构隧道的壁面,通过监测弱光栅传感器的形变量,可以判别隧道结构变形的不同模式并计算出隧道变形量,满足工程所需的实时性和精度要求。依据相似比原则,设计制造了1∶5的隧道位移模型,模拟隧道管片的局部伸缩、沉降、水平位移,将光栅传感器固定在壁面上,开展了弱光栅监测灵敏度试验、不同菱形布设角度下弱光栅监测结果对比试验和竖直沉降与水平位移试验,对比监测结果与实际位移量。研究结果表明:(1)在相同沉降情况下,弱光栅菱形布设时的光栅应变量要大于直线型布设时光栅的应变量,菱形布设方法对沉降量的变化敏感度优于传统直线型布设;(2)10°~20°为弱光栅菱形布设较优的倾斜角度区间,监测结果误差较低;(3)以光缆布设倾角为15°的试验数据为基础,建立了弱光栅波长变化与管片位移的反演方程。

富水砂层叠落区间盾构扰动控制方案优选

依托哈尔滨地铁3号线富水砂层叠落区间盾构隧道工程,建立ABAQUS有限元模型,模拟隧道掘进过程,同时与监测数据进行对比验证,检验该有限元模型的可靠性。模拟超前注浆和台车支护等控制措施,分析不同加固措施的作用机理与加固效果,对每种加固措施进行进一步优化,确定最佳支护方案,将各项最优支护方法结合在一起形成联合加固工法,并建立相应的评价方法,量化评定加固效果,最终提出最优加固方案。

差异沉降引起隧道内道床脱空的发展规律研究

研究目的:为研究盾构隧道差异沉降对道床脱空的影响,本文建立包含管片、钢筋笼、螺栓的错缝拼装三维盾构隧道计算模型,并采用足尺试验对建模方法进行正确性验证。基于此,分析盾构隧道差异沉降作用下,不同道床长度与不同道床伸缩缝位置对道床脱空的影响。研究结论:(1)在相同的隧道差异沉降率下,道床伸缩缝不与隧道环缝重合有利于道床与隧道的共同受力;(2)不同道床长度不影响道床脱空的损伤程度与“纺锤形”的脱空分布形态,但会影响道床底面的脱空范围,道床长度越大,中心块道床损伤范围越大;(3)道床伸缩缝与隧道环缝未重合条件下,道床底部损伤程度加深,沿隧道环缝位置产生贯通道床底面的损伤或脱空,道床伸缩缝越靠近管片中线,道床-隧道整体性越好,道床底部损伤程度越小,损伤范围越大,因此通过优化道床伸缩缝位置、控制道床长度,可以减少盾构隧道差异沉降产生的道床脱空病害;(4)本文研究可为盾构隧道内道床脱空病害整治提供参考。

盾构通过后隧道风井暗挖施工技术研究

北京地铁17号线区间隧道采用盾构先行通过后横向暗挖风道的施工工艺,上层风道跨越盾构隧道开挖至端墙,下层风道开挖临近至盾构隧道。在上层风道二衬结构保护下,采用倒挂井壁法开挖盾构隧道两侧土体,施工竖井二衬,保留盾构隧道范围内的下层风道侧墙及底板不施工,以保证后期施工安全。通过风道中板预留吊装孔,对管片逐环拆除,然后施工盾构隧道范围内的下层风道侧墙及底板。风道横向暗挖之前,为防止盾构隧道变形,减小地表沉降,需先对风道范围之外的管片采取径向注浆、纵向拉紧、设置环向支撑等加固措施。因需要进行多次受力转换,采用荷载-结构法对二衬结构进行各阶段内力分析。采用地层-结构法对开挖风道、竖井、拆除管片进行各阶段变形及应力分析,结果表明,地表沉降满足要求。监测结果反映地表沉降达到99.1mm,主要原因为竖井开挖到底后,因遇到承压水,未及时封底,导致支护结构无法闭合成环形成整体受力体系,竖井底部土体无法对底板提供支撑,导致地表沉降超标。

双线盾构施工地面沉降槽形状判别数值研究

[目的]双线盾构施工地面沉降槽形状会随隧道净距、埋深发生变化,因此需对沉降槽随净距、埋深的演化机理进行深入研究。[方法]以成都地铁17号线小南街站—人民公园站区间双线盾构工程为依托,采用数值模拟方法分析了不同净距-埋深组合工况下双线盾构施工的地面沉降槽形状变化过程,基于双线地面沉降公式拟合出各工况中各项取值,并提出沉降槽形状判据S。[结果及结论]Peck公式和刘波公式能较好地表达地面沉降的模拟监测结果:当S∈[0.319,0.536)时,沉降槽呈“V”形;当S∈[0.536,0.783)时,沉降槽呈“U”形;当S∈[0.783,1.120)时,沉降槽呈“浅W”形;当S∈[1.120,3.873)时,沉降槽呈非对称“W”形;当S≥3.873时,沉降槽呈“双V”形或“双W”形。当隧道埋深为1D(D为隧道直径),且两隧道之间的净距为2D至3D时,两隧道中线附近的地面会出现隆起现象,并且随着净距的增加,隆起的范围也会相应增大。在两隧道中心正上方的地面上,由于盾尾注浆压力的作用,部分沉降被抵消,导致该区域的沉降槽呈现出独特的“双W”形形态。

基于CFD⁃DEM的泥水盾构落石箱优化设计

目前泥水盾构所使用的落石箱存在清渣频次高、筛分效率低的问题。以洛阳地铁2号线使用的落石箱为例,采用CFD⁃DEM流固耦合仿真技术,明晰了卵石在落石箱管道中的运动规律,阐释了目前落石箱问题产生的原因,并对结构进行了优化。同时研究了格栅的倾斜角度与距落石口的距离对落石箱筛分效率的影响,结果表明:格栅倾斜角大于10°后,随着倾斜角度的增大,筛分效率逐渐降低。随着格栅与落石口距离增大,筛分效率逐渐提高,但当距离为80mm时,出现大粒径渣石堵塞格栅的现象。建议格栅倾角设置在0~10°,格栅与落石口距离在50~70mm。

地铁盾构区间隧道近接下穿既有隧道影响研究

地铁盾构区间隧道施工下穿既有城市隧道时,周围土体产生扰动,引起周围土体的变形,会使既有城市隧道产生附加应力和变形,威胁结构安全。为研究盾构隧道下穿过程中对既有隧道的影响,探索下穿施工过程中隧道的变形规律,该文采用三维有限差分法对地铁盾构区间隧道近接下穿隧道进行模拟,分析盾构隧道开挖、掘进过程中既有隧道的沉降变形规律。计算结果表明,既有城市隧道在盾构隧道附近主要产生纵向上的差异沉降,随着盾构掘进,沉降逐渐增大。通过该文研究,以期为类似工程设计和施工提供指导和建议。

南京江北新区地铁盾构开挖引发地面沉降三维数值模拟预测

为研究地铁盾构施工引起的地面沉降问题,首先以Biot固结理论为基础,将土体本构关系拓展为黏弹塑性,考虑土体渗透性的动态变化,建立了地铁盾构引发地面沉降的三维全耦合数值模型;然后以南京地铁11号线江北新区马骡圩站至石塘公园站盾构施工区间为例,模拟预测了该盾构区间的沉降量,并完成了模型的校准;最后利用该模型模拟预测了地铁盾构开挖所引起的地面沉降规律,并模拟了盾构拱顶上方土体和盾构底部下方土体的参数变化。结果表明:实测地面沉降量与计算值吻合较好,模型可靠;以模型第二区间段为例,东线轴线处沉降量在52.41~54.52 mm范围内,西线沉降量在53.28~55.60 mm范围内;东线盾构隧道沉降以隧道轴线为中心对称分布,西线隧道开挖后,最终引起累积地面沉降量在轴线之间较大;随着开挖的进行,上方土体孔隙度、渗透系数及泊松比变小,变形模量增大,下方土体变化则相反。

上软下硬地层盾构下穿既有隧道扰动变形研究

针对上软下硬倾斜地层中,盾构下穿既有地铁时的管片变形控制问题,以武汉轨道交通7号线下穿既有2号线工程为背景,采用三维数值模拟方法和离散元软件3DEC建立地铁2号线管片模型,同时使用FLAC3D软件进行三维数值分析,探讨新建隧道与既有隧道间距、地层倾斜和注浆填充对既有地铁及周边地层的影响。分析结果表明:既有隧道沉降值受地层条件和隧道间距影响显著,尤其在新建盾构隧道与既有隧道距离较近时;既有地铁管片加固和新建隧道注浆填充对控制上软下硬地层条件下新建隧道近接下穿既有隧道的沉降变形具有显著效果。在新建盾构隧道施工前需对既有地铁管片的前期变形量进行准确分析,确保既有隧道安全,且加固和注浆填充措施对于类似工程的变形控制至关重要。

地铁盾构隧道壁后空洞高精度成像方法

盾构隧道在建设和运营中常面对壁后空洞等隐蔽缺陷问题。这些隐蔽缺陷会导致隧道局部承载力降低,在荷载长期作用下增加隧道灾变风险。探地雷达是盾构隧道隐蔽缺陷探测的主要方法之一,然而直接对雷达数据进行解译受环境影响较大,不能满足日益提高的检测需求。为提高隧道检测的精度,采用时域有限差分法对不同尺寸与形状的隧道壁后空气/含水空洞进行数值模拟,研究不同类型空洞的电磁响应特征,并结合逆时偏移方法对空洞目标进行了高精度成像。之后,在搭建的隧道隐蔽缺陷试验平台中埋设了不同大小的空气/含水空洞并进行了雷达探测,利用足尺模型试验对所提出的成像方法进行验证。结果表明:相较于传统的绕射叠加偏移与Kirch-hoff偏移方法,本文提出的逆时偏移成像算法可在抑制成像目标边缘反射伪影的同时,准确估算空洞位置及尺寸。研究结果可为盾构隧道壁后空洞雷达数据解释提供参考。

富水砂层盾构下穿高速铁路控制技术研究

以西安轨道交通地铁10号线东风路站—学府路站区间下穿大西、郑西客专高速铁路土压平衡盾构施工为背景,基于盾构试验段数据研究土压平衡盾构在富水砂层中下穿掘进参数及控制措施。根据现场盾构下穿既有高速铁路路段的隧道埋深与地质条件,通过200m盾构试验段,确定盾构下穿施工具体掘进施工参数。其中控制掘进速度为35~40mm/min、出土量54~60m^(3)、二次注浆压力0.4~0.5MPa、下穿注浆量7.8~8.5m^(3)/环和土仓压力1.0~1.2bar,下穿过程中同步注浆、二次注浆要及时跟进。

盾构穿越地铁车站外延障碍物清除工艺分析

以某城市新建盾构隧道下穿既有桥-站合建运营地铁车站工程为例,通过对比分析类似工程清障工艺,基于3D结构荷载模型与地层结构模型计算分析,提出CD法开挖半圆形矿山法隧道(喷锚衬砌)清障工艺,结合现场监测数据,验证了该工艺的合理性与可行性。结果表明:该工艺可安全高效地满足清除桥-站合建运营地铁车站基础外延障碍物的需求,并为后续盾构下穿提供可靠的预支护措施。

BP神经网络的隧道沉降预测虚拟仿真实验教学

随着人工智能技术的快速发展,传统土木工程课程迫切需要转型,其中虚拟仿真实验教学是提高高校智能建造教学质量的重要环节。借助Matlab仿真软件,搭建多层逆向传播(BP)神经网络预测模型,开展地铁盾构施工过程中地表沉降预测,分析不同输入量及隐含层数量等因素对预测性能的影响。仿真结果表明:对单隐含层神经网络而言,建议输入量为1,隐含层数量在1~6之间;对于双隐含层神经网络,建议输入量为5,第1、2层隐含层数量在1~3之间;所建单/多层BP神经网络能很好地预测沉降变化趋势,为智能建造课程的虚拟仿真实验教学提供借鉴。