盾构法隧道开挖面稳定性下的多目标优化研究

盾构法隧道开挖过程中开挖面稳定性保持非常重要,开挖面稳定性下提升工程进度、保障工程质量等目标具有重要的工程意义。目前,针对开挖面稳定性下的多目标优化控制的研究不足。选择掘进效率作为工程进度的指标,选择掘进过程引起的最大地表沉降作为工程质量指标。采用分层序列法和NSGA-II多目标优化算法,将盾构开挖面稳定作为第一层优化目标,工程进度与工程质量作为第二层优化目标,研究盾构开挖面稳定下多目标优化。在一段连续穿越堤坝、空地、敏感建筑三个场景的施工隧道中应用本研究方法,结果表明,优化后的盾构推力维持在上下限区间内,提高了施工效率和减少了地表沉降。本文方法能够根据实际工况自适应的调整和优化控制策略,提高了在实际工程中的适应性和灵活性。为类似盾构隧道工程提供了参考和指导。

基于上限定理的砂卵石地层盾构隧道开挖面稳定性分析

目前对砂卵石地层开挖面稳定理论模型的研究相对较少,施工过程中盾构机支护力的施加多凭借施工经验进行。为研究砂卵石地层开挖面失稳问题,运用极限分析法上限定理,结合椭球体放矿理论,建立盾构隧道开挖面极限分析模型的计算方法,研究开挖面前方土体变形未发展至地表与发展至地的表两种工况,得到了极限支护力的上限解析解。并选取五种典型的理论分析方法验证了计算结果的正确性。结果表明:所提出的对数螺线椭球体机制得到的开挖面极限支护力受地层内摩擦角、隧道直径以及土体重度的影响较大,埋深和黏聚力的影响较小,地表超载的影响最小;其中开挖面极限支护力均随着土体重度和隧道直径的增大而线性增大,随着摩擦角增大呈现非线性减小趋势;通过与旋转破坏机制、3D对数螺线机制、FLAC^(3D)数值模拟得到的开挖面前方塌落区域的对比,所提出的开挖面前方塌落机制与数值模拟能接近地层的失效形状。

海底软弱地层浅埋大直径盾构对接开挖面失稳灾变机制研究

为探明对接距离对海底大直径盾构开挖面失稳机制及规律的影响,依托甬舟铁路金塘海底盾构隧道工程,建立考虑渗流的盾构隧道对接有限元模型,研究对接距离L对开挖面失稳机制以及极限支护压力的影响,并基于极限平衡法建立考虑渗流的盾构近距离对接开挖面极限支护压力理论模型。随着对接距离的增大,开挖面失稳形状和极限支护压力的变化可分为3个阶段。1)快速增长阶段(0<L/D≤0.4)(D为隧道直径):该阶段与单个隧道工况区别最明显,失稳区域由楔形体与仓筒组成;此时受对接隧道的阻碍作用最大,且开挖面附近水头场变化剧烈,渗流力占据主要部分。2)缓慢增长阶段(0.4<L/D≤0.7):失稳区域由对数螺旋体与仓筒组成,此时对接隧道的阻碍作用减小,因此极限支护压力在该阶段受对接距离的影响减小,增长缓慢。3)趋于平缓阶段(0.7<L/D≤1.5):失稳区域由对数螺旋体与倒棱台组成,此阶段对接隧道的阻碍作用可忽略不计,极限支护压力、失稳区域形状与非对接情况相近,可视为单个隧道工况。建立的理论模型得出的结果与数值模拟的结果接近,两者误差在10%以内,验证了该模型的可行性。

盾构不满舱气压辅助模式下开挖面稳定性分析与对比掘进试验

盾构“气压辅助”掘进模式相较于传统的“土压平衡”掘进模式,其开挖面平衡机理更为复杂,地表变形和掘进参数特点与常规满舱土压平衡掘进模式存在明显差异。为对盾构气压辅助掘进模式下的开挖面稳定性进行定量化评估,并确定合理的气压设定值,利用极限平衡法考虑滑裂面空间曲面特点,提出适用于气压辅助掘进模式的开挖面整体稳定性评价方法。在Krabbe公式的基础上,考虑地层的成层性和地下水影响,对气体损失量计算公式进行改进。此外,结合相同地层条件下盾构不同掘进模式的对比掘进试验,对开挖面的整体稳定性、气压损失、地表沉降和掘进参数进行对比分析。研究结果表明:根据提出的整体稳定性评价方法和气体损失量计算方法对本工程试验段进行分析,地层满足气压辅助掘进的整体稳定性,选配的空压机具备该地层气压稳定的功率,气压设定值满足工程安全性要求;气压辅助掘进模式相较于满舱土压平衡模式总推力和刀盘扭矩分别下降35%和44%,而推进速度提升173%,能量消耗减小66%;气压辅助掘进模式引起的地层损失率较高,地表沉降相对较大。

饱和土地区不同直径盾构穿越既有隧道的理论研究

随着城市地铁隧道空间断面的多元化发展,既有隧道不可避免地面临不同直径盾构穿越的巨大风险。基于半无限饱和土初值解,考虑盾构机直径与类型,提出开挖面附加推力、盾壳摩擦力、盾尾注浆压力等施工参数的修正计算方法,推导出饱和软土地区不同直径盾构穿越引起既有隧道竖向变形的计算公式。研究结果表明:相较于已有文献中计算方法,本文计算方法在预测饱和土大直径盾构穿越引起的既有隧道变形时更有优势。盾构斜穿既有隧道时纵向沉降槽会发生偏移,变形在盾构离开隧道轴线4.5倍盾构机长度后趋于稳定。不同类型盾构机开挖面稳定原理的差异性是影响计算结果的关键因素,考虑泥浆重度分布的开挖面附加推力比考虑挤土效应的开挖面附加推力对盾构直径变化更为敏感。

不同岩体条件下双护盾TBM施工性能分析

针对复杂地质条件下城市地铁隧道双护盾TBM的掘进性能评价,依托青岛地铁6号线创石区间左、右线TBM施工段,对全线施工数据进行收集与分析,研究不同围岩类别下双护盾TBM掘进参数与施工性能参数的变化规律。不同围岩类别下TBM利用率分析表明,双护盾TBM对岩体质量较差的围岩段具有良好适应性。分析了不同围岩类别下各掘进参数与工程破岩比能SE间关系,贯入度与SE的相关性最好,更适合作为评价TBM掘进过程中能量消耗的指标,且在不同围岩类别下,贯入度与工程破岩比能SE呈较好的负幂指数关系,在Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ类围岩类别下,当贯入度分别>2,5,8,10mm/r时,其对应的工程破岩比能SE在较低水平。

基于既有盾构隧道区间暗挖施工的城市轨道交通车站结构力学行为研究

[目的]深圳轨道交通14号线肿瘤医院站采用大直径(8.5 m)盾构隧道扩挖的“先隧后站”方案,在暗挖车站主体结构与附属出入口连接时,需对隧道衬砌实施局部大尺寸开口施工。为保证隧道开口施工过程中的结构安全性,需对基于既有盾构隧道区间暗挖的城市轨道交通车站结构力学行为进行研究。[方法]采用考虑衬砌结构环、纵缝影响的多环壳-刚性梁-接触衬砌计算模型,对车站暗挖过程进行分工况模拟,设置全开口衬砌环控制工况为开口工况,半开口衬砌环控制工况为拆撑工况;探究封顶块位置、内部支撑形式及隧道纵向开口尺寸等关键设计参数对车站结构的影响。[结果及结论]根据环梁受力特征,建议上、下部环梁在设计时选用钢材或内置钢构件。根据管片受力特性,确定开口区域内通缝拼装管片的排版形式;肿瘤医院站隧道开口区段通缝拼装管片封顶块建议设计在隧道顶部。开口衬砌环管片在施工全程中的弯矩分布与内部支撑有效约束点密切相关,而内部支撑形成有效约束的前提是拥有完整的轴向传力路径。隧道局部开口时开口衬砌环结构的整体性依赖于环缝侧部约束。

盾构下穿河道地层沉降分析与支护力优化确定方法——以济南地铁4号线下穿刘公河为例

随着我国地铁的大力建设,施工中难免会面临下穿建筑物、桩基、管线、河流等情况的出现,因此对盾构施工的参数要求越来越高,施工难度逐渐增加。以济南轨道交通4号线邢村站至唐冶南站区间盾构施工为工程背景,利用ABAQUS有限元软件构建三维数值计算模型,对下穿河道高差过程中的不同开挖面支护力设定以及沉降位移变化进行研究。研究结果表明:全覆土理论下计算所得开挖面支护力对地表及河道的沉降控制效果最好;在不同支护力下,地层水平位移最大值均出现在隧道开挖面附近;隧道中心线上方的地层分层沉降量随着埋深的增加而增大。研究结论在盾构下穿高差地层的工程实际中具有指导意义。

Analytical solutions of ground settlement induced by yaw in a space curved shield tunnel

This paper aims to provide the analytical solutions of the ground settlement for a space curved shield tunnel in the case of yaw construction.Settlement inducements include ground loss and construction loads,and two corresponding analytical models have been proposed in this study.Three-dimensional image theory has been adopted to calculate the ground settlement due to ground loss.Yawrelated parameters are introduced into the calculation model to deduce the relevant laws of the ground settlement.Based on modified Mindlin solutions,analytical models are established to calculate the ground settlement induced by construction loads,such as the frontal additional thrust,axial friction of shield shell,and the grouting pressure.The method of calculating the position of the shield machine in the ground is refined,and the influence area of construction loads from the shield machine is optimized.Subsequently,the obtained solutions are validated by a numerical model and field data.Besides,a comparison reveals that the proposed model is the composition of three classical analytical models,thus it excels them in solving the problem mentioned.Finally,parametric analyses of yaw are conducted to examine yaw angle and pitch angle on ground settlement.The proposed model can effectively predict ground settlement caused by the spatial linear shield tunneling process.

饱和土盾构曲线掘进引起地表变形理论研究

由于城市复杂多变的地质条件和地上或地下建筑物等因素制约,地铁建设中沿曲线段的盾构隧道普遍存在。本文基于半无限饱和土初值解,考虑不均衡开挖面附加推力的挤土效应、不均衡盾壳摩擦力及盾尾浆液蔓延软化效应、盾尾注浆压力环向填充效应与曲线盾构超挖的土体损失影响,推导饱和黏性土盾构曲线掘进引起地表变形的理论计算公式,分析地表变形规律和各参数影响。计算得出的地表变形预测情况符合现场实测规律,表明理论公式具有一定的指导性。与常规盾构沿直线施工不同,盾构曲线掘进更容易引起显著的地层局部损失和地表非对称性隆沉。随着曲线盾构开挖面左右区附加推力和盾壳内外侧摩擦力差异的增大,地表变形逐渐增大,且变形最值向曲线内侧偏移。轴线偏移量和最值与转弯半径成反比,而刀盘直径仅对轴线偏移有影响。

城市地下道路与轨道交通共建研究

为进一步研究城市地下道路与轨道交通的共建方案,从路网(线网)形态、功能定位和技术标准等角度进行对比分析,并结合上海、济南、武汉、青岛等地的多个共建工程案例,研究归纳当前城市地下道路与轨道交通共廊道布置的需求和趋势,提出了各种共建形式在技术标准上的可行性及适用性,总结了共建工程的优势和尚存的主要问题。

下穿九圩港河的盾构隧道开挖面稳定性研究

依托南通地铁盾构下穿九圩港河项目,建立非均质、各向同性地层中盾构隧道开挖面稳定性的三维楔形体理论。考虑地下水的作用,推导粉砂层盾构隧道开挖面土体处于主动破坏状态(沉陷)时的最小支护应力计算公式,以及处于被动破坏状态(隆起)时的最大支护应力计算公式,编制相应计算程序,计算下穿九圩港河隧道区间200环处和323环处的盾构支护应力。与经验公式相比,三维楔形体理论的计算结果与实际掘进土仓的压力值更吻合。此外,讨论不同隧道埋深与直径比(H/D)时,地层的黏聚力和内摩擦角对支护应力的影响,结果表明:随着地层黏聚力、内摩擦角的增大,最小支护应力减小;H/D值对最小支护应力的影响较大,随着H/D值的增大,最小支护应力显著增大。研究成果可为隧道工程设计提供可靠的理论依据。

浅埋盾构隧道开挖面被动失稳楔形体计算模型改进

以浅埋盾构隧道开挖面被动失稳模式为研究对象,对楔形体计算模型进行改进,提出了一种新的开挖面等效法,将楔形体计算模型里的倒棱台筒仓改进为倒圆台筒仓,推导了开挖面被动失稳极限支护压力计算公式。主要结论有:楔形体倾角(α)与土体内摩擦角(φ)有关,α最优值为40°-φ/2。通过与既有开挖面被动失稳的极限支护压力解析解及数值解对比,发现改进后的楔形体模型计算结果更接近数值解,说明本文推导的计算公式是可靠的。

长距离盾构隧道掘进的主要问题及发展趋势

对盾构隧道工程区间施工距离变化的现状进行梳理,基于4个典型的长距离盾构隧道工程实例,对盾构隧道长距离掘进中出现的刀盘刀具磨损、盾尾密封系统失效、管路磨损、复杂地层盾构开舱、地下对接等问题以及其主要技术原理、技术流程、适用范围及优缺点进行归纳总结,并对我国智能化快速施工技术发展进行了展望。

砂卵石层盾构开挖面失稳分析及双参数掘进控制

为探究砂卵石层盾构施工的开挖面失稳过程和支护力设定方法,针对成都地铁盾构掘进施工超挖失稳实例,开展了三维工程离散元(EDEM)分析,对不同支护力分布形式的极限支护力和开挖面稳定性进行分析。进而结合盾构施工超挖失稳区段的掘进参数,考虑盾构机整体机械性能配置,提出了开挖面稳定性双参数控制建议值。结果表明,开挖面失稳位置与支护力分布形式有关,开挖面处于极限状态时,盾构上方0.75 D(D为隧道直径)范围内产生土拱效应,当支护力逐渐减小至0.1 P_(0)(P_(0)为初始静止状态支护力)时,失稳区发展到地面;盾构掘进时应保持土仓适当欠压,并降低刀盘转速,为可能遇到的大粒径漂石和土仓压力控制预留足够的富余扭矩。

含闪长岩地层盾构开挖面失稳判定及施工监测分析

开挖面稳定与否直接关系到隧道围岩的稳定性以及地层扰动变形的影响程度,是盾构施工技术的关键。对于在闪长岩地层中掘进的盾构而言,由于岩体自身风化程度不一,使得开挖面稳定性判断与控制变得更为困难。依托山东济南轨道交通R2号线长途汽车站—生产路区间隧道工程,针对闪长岩风化不均导致的地层性状差异,借助数值分析和现场实测,研究了不同岩性赋存条件下开挖面支护压力的主要影响参数以及开挖面判定失稳的影响范围,并得出如下3点结论:①对于单一地层,内摩擦角对极限支护压力影响最为显著,其次为弹性模量和黏聚力,而泊松比和重度的影响最小;②对于复合地层,当自稳性越差的地层在竖向占隧道开挖面的比例越大,极限支护压力受到的影响就越明显;③当极限支护压力只与开挖面范围内的土层参数相关,无论开挖面以外的土层参数怎么变化,极限支护压力受到的影响均很小。上述成果对于风化不均闪长岩地层或类似地层盾构隧道设计与施工具有较好的指导作用或是参考价值。

圆砾地层近距离多线叠交盾构隧道施工顺序分析

城市轨道交通网络化发展,不可避免地形成多线叠交施工,影响既有隧道运营。昆明地铁4,5号线在圆砾地层中的盾构施工,与上部既有地铁2号线形成国内罕见的3层6线隧道近距离叠交工况,以此为背景采用三维有限元方法对新建隧道群正交下穿的盾构施工过程进行了动态化模拟,对比分析了圆砾地层中新建隧道群在不同开挖顺序下地表沉降变化规律、新建隧道群对既有隧道的变形和应力、应变影响。结果表明,新建隧道群在不同施工顺序下对地表沉降、既有隧道沉降、弯矩及应力、应变均有显著影响;新建隧道群对地表沉降和既有隧道沉降变化具有一般规律性;不同施工顺序下对周边土体及既有隧道的影响峰值基本位于同一位置;对比3种施工顺序,下部隧道先施工对地表和既有隧道的影响较小。

上软下硬地层盾构隧道开挖面稳定性数值模拟研究

利用Abaqus有限元软件,对上软下硬地层的盾构开挖过程进行模拟,通过计算分析不同工况下的支护应力比和开挖面最大水平位移之间的关系,得出上软下硬地层隧道施工的安全盾构推力范围。结果表明:开挖面最大水平位移随支护应力比的减小而增大,数值模拟得出的最小支护力变化规律同实测值相一致,且盾构推力的安全参数范围为4.9~6.8。

朝上盾构开挖面被动失稳极限支护力研究

朝上掘进盾构法施工时开挖面压力控制不当会导致开挖面前方土体发生失稳破坏。对已有模型试验的结果进行分析,建立了朝上掘进盾构隧道开挖面上方土体破坏区的力学模型,基于极限平衡法推导出被动破坏模式下的开挖面极限支护力计算公式,研究了倒圆台体模型高度以及侧面与水平面的夹角对极限支护力的影响。研究结果表明,朝上掘进盾构开挖面上方土体的被动破坏模式呈现三维倒圆台体形态,极限支护力的大小随开挖面上覆土层的厚度增大而增加;当倒圆台体模型侧面与水平面的夹角在一定范围内变化时,极限支护力的大小随夹角的增大而减小,在实际工程中,如遇开挖面上层覆土厚度过小以及倒圆台模型侧面与水平面夹角过大的情况,土体极限支护力变小,易发生失稳。因此,为保证开挖面的稳定性,需要重点关注开挖面上层覆土厚度过小以及倒圆台模型侧面与水平面夹角过大带来的影响。

盾构掘进施工对地表沉降规律的影响

城市地铁盾构施工将会对下穿地层的岩土体产生扰动,不可避免地诱发地表沉降变形。文章以深圳市某线路区间地铁盾构施工为研究背景,通过ABAQUS数值分析软件建立三维数值分析模型,研究不同的盾构顶进压力和注浆压力对隧道地表沉降的变形规律。研究结果表明:在掘进压力不变的条件下,盾构施工在纵向的沉降值随着距离的增加逐渐减小,并趋于稳定;掘进压力和注浆压力的增加对于隧道沉降值控制效果较为显著;过大的掘进压力和注浆压力将会导致地表发生隆起变形。研究结论可为类似工程提供参考。