盾尾注浆材料硬化特性对隧道和地层力学响应影响的有限元模拟研究

为了探究注浆材料硬化和注浆压力的消散过程对软土地层和隧道衬砌受力变形的影响,以青岛某地铁隧道为背景,考虑盾构机与土体相互作用、衬砌-注浆层-土体相互作用,以及注浆材料硬化和注浆压力消散过程,基于ABAQUS有限元平台建立了盾构施工精细化的有限元数值仿真模型,并利用实测地层沉降和隧道衬砌的收敛变形验证了数值模型的合理性。同时,对注浆材料初凝时间分别为0、2、6、12 h的数值模型进行了计算,获得了地层和隧道衬砌受力变形随注浆材料硬化过程的发展规律,以及注浆材料硬化特性对地层和隧道衬砌受力变形的影响规律。模拟结果表明:盾尾注浆8 h以内,地层的沉降和水平位移以及隧道衬砌的围岩压力和内力增加显著,注浆时间超过8 h后增加变得缓慢;注浆材料的初凝时间越长,地表沉降、地层水平位移和竖向位移则越大;衬砌拱顶和拱腰的径向收敛越大,拱底径向收敛则越小;衬砌的轴力和弯矩在注浆8 h以内增加显著。

软硬不均地层盾构隧道荷载模式研究

系统考虑隧道埋深、滑移面形式、侧压力系数与地层的关联,提出一种适用于软硬不均地层的盾构隧道荷载模式。对于浅埋隧道,基于椭球体理论推导极限状态下滑移面为椭圆的侧压力系数及竖向松动土压力表达式,并构建力学平衡方程推导侧压力计算式;对于深埋隧道,考虑软硬不均地层突变性并对太沙基理论滑移面宽度进行合理修正,推导对应的围岩压力计算式;再结合软硬不均地层分界线位于隧道水平中线上方、下方2类典型工况,推导出隧底反力表达式;最后结合工程实例对所提荷载模式进行验证。结果表明:与修正惯用法荷载体系相比,所提方法得到的软土-硬土隧道顶部、下半拱竖向土压力与实测值的误差分别缩小74%和172%;相较于软土-硬土隧道,该方法应用于土层-岩层隧道时,计算得到的下半拱竖向土压力、隧底侧向土压力与实测值的误差更小,即所提荷载计算模式更符合隧道实际受荷状态,且当隧道埋深与开挖直径之比较大以及下部地层越坚硬时,其适用性越强。

上软下硬地层隧道盾构施工地表沉降影响因素及规律研究

为研究盾构隧道穿越上软下硬地层时,开挖面内不同土岩厚度比对地表沉降的影响,以贵阳轨道交通3号线某区间隧道为工程背景,保持隧道埋深和双线隧道间距不变,建立7种工况下的三维有限元模型,通过与实测数据对比分析得到沉降规律,并利用双线隧道的44组地表沉降数据,拟合出适用于当地复合地层的Peck分段公式。研究结果表明:从整体看,数值模拟的沉降曲线均为W形,地表最大沉降位于先行隧道上方;穿越红黏土层时地表更易受到扰动而产生不均匀沉降,随着土岩厚度比的减小,模拟曲线对称性增强,左右隧道的沉降差缩小,整体沉降值基本表现为减小趋势;总结土岩厚度比与修正系数的关系,图表显示Peck分段公式能较好地预测贵阳上软下硬地层的沉降规律。

上软下硬地层地铁盾构施工地表沉降模拟分析

为了研究上软下硬地层地铁盾构掘进引起的地表沉降规律,以某地铁工程大岭山东站—松山湖站区间盾构掘进项目为依托,通过实测和数值模拟,对比分析上软下硬地层盾构掘进及硬层比对地表沉降规律的影响。结果表明:单双线盾构掘进地表横向沉降规律分别呈V形和W形变化;盾构掘进时对前后地表变形影响的范围约为40 m,其中前方5 m至后方15 m范围内的地表沉降变化率最大;地表沉降随地质硬层比的增加逐渐减小,硬层比为16.7%~83.3%时,地表沉降变化较大,可将硬层比83.3%、16.7%作为上软下硬复合地层研究的上下限。

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。

高压富水硬岩地层双护盾TBM前置式超前注浆堵水技术研究

晋中引黄输水隧洞双护盾TBM施工穿越高压富水裂隙,掌子面高压大流量突涌水严重,采用常规后置式超前注浆技术对掌子面突涌水进行超前处置效果不佳,主要原因是受外插角影响,采用常规后置式超前注浆存在注浆目标区域受限、钻探效率低、超前注浆控制难度大等问题,难以形成有效的止水帷幕结构。对隧洞水文地质条件、突涌水情况及超前注浆技术进行系统研究分析,提出双护盾TBM前置式超前注浆堵水工艺,通过优化注浆设备,在掌子面处实施超前注浆堵水。开展现场注浆试验,对坚硬岩面钻孔施工、注浆材料、注浆参数控制及注浆段长优化等技术进行研究,并根据现场试验信息,不断优化注浆设备及工艺。通过对晋中引黄输水隧洞实施前置式超前注浆堵水技术,洞内平均出水量降至3 702m~3/d,降幅达75.9%,同时在一定程度上提高了TBM施工效率。实践证明该技术方法有效。

软硬地层接触面倾角对盾构隧道纵向力学性能的影响

针对现有盾构隧道纵向力学性能研究中较少考虑纵向穿越软硬变化地层,且接触面倾角影响规律尚不清晰的问题,基于实际工程建立盾构隧道-地层三维纵向精细化模型,并提出一种同时考虑管片错缝拼装、纵环向螺栓、地层与隧道接触面真实力学性能的精细化模拟方法;采用改进的Timoshenko梁理论验证模型可靠性,并分析穿越软硬变化地层盾构隧道的纵向力学性能,探讨地层接触面倾角的影响规律。结果表明:盾构隧道沉降量在软硬地层接触面急剧变化并在软硬地层两端趋于稳定,隧道两侧沉降差异在倾角为30°和150°时更为显著;管片张开和错台量集中分布于软硬地层接触面附近,分布范围随倾角增大逐渐向软土层侧移动,最大管片张开和错台量在倾角120°时最大,分别为0.183和1.270 mm;倾角对盾构隧道纵向内力影响较大,大于90°后影响逐渐显著;纵向上,管片纵向螺栓和地层-隧道接触面的变形更为显著。研究结果可为进一步发展盾构隧道纵向分析方法和保障此类盾构隧道的安全运营提供参考。

硬岩地层中盾构机下部爆破脱困技术应用

广州地铁22号线某区间掘进过程中刀具损坏且检查不及时,导致开挖直径过小,盾壳被岩体包裹无法继续向前掘进,额外增加推力依然无法脱困。常规脱困方案是从开挖范围上半部爆破松动地层,因工程顶部硬岩稳定地层较薄,爆破上部容易导致上部地层塌方,故选择向下半部爆破,相对上半部爆破施工及技术难度更大。以对土仓侧壁切割开口的方式提供爆破临空面,分层采用水压爆破步进,直至爆破完下半圈岩体。解决了全断面中风化花岗岩盾构卡壳问题,盾体成功脱困恢复掘进。

上软下硬地层盾构隧道施工控制技术

为解决上软下硬地层中盾构施工遇到的问题,采用理论分析的方法,并结合具体工程实例,通过分析土仓压力、推力、刀盘转速和掘进速度等掘进参数,验证施工措施的合理性。结果表明在上软下硬地层中,盾构施工采取“满土仓、小推力、低转速和慢掘进”的施工控制方法,能够满足地表沉降规范要求。文中研究结果可为相似地层中盾构隧道施工提供借鉴和参考。

上软下硬复合地层盾构隧道开挖面稳定性分析

针对上软下硬复合地层条件下盾构隧道开挖面的稳定性问题,依托深惠城际2标实际工况,分析不同软硬比及土体参数对开挖面极限支护压力的影响。利用颗粒流数值模拟分析土体的失稳模式,借助极限分析法建立符合开挖面失稳轮廓的理论计算模型,将理论计算结果与既往文献及实际工程进行比较分析。结果表明:当隧道开挖面主动失稳时,变形主要集中在软土层,硬岩层的变形较少;随着开挖面软硬比的增大,隧道开挖面的极限支护压力也增大;开挖面的极限支护压力与隧道埋深比无关,与土体内摩擦角成反比。

地面爆炸下软硬不均地层超大直径盾构隧道动力响应分析

近年来港口危化品堆场爆炸灾害频出,盾构隧道面临着潜在的地面爆炸荷载威胁。采用多物质任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)流固耦合建模方法,考虑到螺栓、钢筋、混凝土管片等多种结构复杂的非线性行为,建立了地面爆炸荷载下超大直径盾构隧道精细化模型,通过对炸药当量、埋深、爆源偏心距进行参数分析,研究了地面爆炸荷载对所处上软下硬地层隧道结构的动力响应和损伤过程,并对管片接缝处的变形模式及螺栓的塑性发展进行了分析。结果表明:在地面爆炸荷载下盾构隧道损伤由顶部向两肩发展,纵向接缝形成错动,环向接缝开合交替;区别于整体结构,超大直径盾构隧道在地面爆炸荷载冲击下应着重加强隧道两肩和接缝处的防护。

上软下硬地层盾构开挖面稳定性计算模型

针对上软下硬地层失稳特点,在假定开挖面附近因土体失稳而由软硬地层分界线先向上诱发形成部分楔形体、再呈倒圆台状向地面发展的基础上,提出开挖面稳定性计算模型。先基于极限平衡法提出部分楔形体计算模型;再依据修正后的楔形体计算模型,分别计算上覆土压力和开挖面前方部分楔形体的受力;最后依托青岛地铁6号线某区间工程开展数值模拟,验证理论模型。结果表明:不同支护应力比条件下的土体变形范围有所差异,土体变形主要发生在开挖面前方和上方并呈泡状延伸;数值模拟得到的开挖面失稳形态基本符合理论计算模型的假定形状;理论计算得到该例盾构开挖面极限支护应力比为0.21,与数值模拟的误差率为5%;当开挖面支护力小于极限支护力时,上软下硬地层开挖面水平变形会突然迅速增大;开挖面附近的岩土体变形主要发生在上部软弱部分,最大水平位移出现在上部软土中心附近,开挖面上土体最大水平位移与开挖面上方地表最大竖向位移间的相关性较高,两者变形规律类似。

上软下硬复合地层盾构渣土改良试验研究

土压平衡盾构穿越上软下硬复合地层时存在刀盘“结泥饼”、排渣不畅和刀具磨损等难题。针对以上问题,以粉质黏土-全风化花岗岩复合地层为研究对象,基于渣土改良剂的地层适应性和性能测试开展不同地层渣土改良室内试验。研究泡沫剂和膨润土泥浆等渣土改良剂及其改良方法对上软下硬地层的改良效果,以获得土压平衡盾构在复合地层中的渣土改良方案及改良剂合理添加比。结果表明:(1)采用浓度为3%的泡沫剂溶液和配合比1∶8的膨润土泥浆进行联合改良可获得良好效果;(2)粉质黏土地层采用泡沫剂进行改良,渣土坍落度随泡沫添加比增加而增大,抗剪强度、黏聚力、内摩擦角和渗透系数随之减小,改良剂合理添加比为19.7%~22.8%;(3)全风化花岗岩地层采用泡沫剂和膨润土泥浆进行联合改良,可有效改善渣土流塑性和抗渗性,当采用全泡沫改良时,合理添加比为22.2%~28.7%,当采用泡沫与膨润土泥浆联合改良时,合理添加比为24.3%~31.5%。现场应用及施工效果反馈表明,采用以上改良方案可有效改善渣土流塑性,盾构推力、刀盘扭矩以及刀具磨损均有显著改善。

快凝低强度浆液填仓法盾构带压开仓换刀施工技术研究

在软硬不均和溶洞区地层中,土压平衡盾构机掘进极易造成刀盘磨损严重和地表沉陷等不良后果。针对衡盾泥开仓法工期长、费用高的缺点,研发一种适合上软下硬及岩溶地层的快凝低强度浆液填仓开仓换刀技术。该技术从优化惰性浆液填仓提升气密性、改进浆液拌制工艺、实施土仓内渣气置换及加强土仓气密性检测4个技术方面,明确惰性浆液填仓法的施工原理,总结在高岩溶发育区采用惰性浆液填仓法进行盾构带压开仓换刀的施工流程,并对关键技术开展研究。现场实践表明,惰性浆液填仓法高质高效实现土仓保压,降低施工安全风险,经济和社会效益显著,成功助力盾构机穿越高岩溶发育区。

硬度试验在盾构管片螺栓质量检测中的应用研究

本文通过阐述硬度试验的作用,结合硬度试验与抗拉强度试验的对比分析,介绍了硬度试验在地铁建设领域中盾构隧道管片螺栓质量检测方面的应用研究。在建设工程实际应用中,硬度试验可以很好地保障盾构管片螺栓质量检测的真实性和有效性。

我国城市地下空间盾构法隧道工程技术新进展

基于盾构施工特点,对盾构法施工技术的发展过程和创新进展进行调查研究,总结盾构法施工技术在地铁、市政公路、城市铁路、城市水工隧洞、城市综合管廊等工程中的最新应用,阐述城市盾构法隧道在地质条件多样化、越江跨海常态化、结构断面多元化、地面条件复杂化、隧道结构耐久性等方面面临的技术挑战。介绍超大直径盾构装备、大直径泥水盾构常压换刀、多模盾构、类矩形盾构隧道建造、联络通道机械法施工、软硬极端悬殊地层掘进、富水砂卵石地层土压平衡盾构、地下高地震烈度盾构隧道减隔震抗震和超长距离综合施工等技术创新成果;总结不良地质识别、设备状态实时感知、同步推拼连续掘进、盾构自动驾驶技术、盾构智能化管控平台等盾构智能掘进技术进展;指出城市地下空间建设盾构法隧道工程的发展趋势,地铁隧道、城市道路、综合管廊、城市给排水等设施需要不断更新,并网络化,盾构法隧道技术需要不断发展,盾构法隧道智能化施工需日趋精益。未来盾构装备将朝着“多模式、无刀化、外星化”等多元化,多源信息感知、管片智能拼装、地质探测预报、自主感知掘进决策等智能化以及特大直径、超长距离、超大埋深、超高水压等方向发展。

上软下硬地层近距离下穿既有盾构区间注浆加固关键技术

依托广州某新建大直径盾构隧道下穿既有盾构区间项目,研究了在富水花岗岩地层中复杂周边环境条件下的地层加固技术以及下穿过程中的关键施工措施。结合施工条件,对新建盾构区间采取水平定向钻注浆、先行洞预留注浆孔注浆、盾构机超前注浆结合的主动注浆方式;对既有线进行预注浆加固的被动注浆方式。施工过程中,采用控制掘进参数、渣土改良、同步克泥效等控制手段,保证了盾构下穿过程的顺利进行。

盾构穿越土岩复合地层引起的土体位移研究

为研究土岩复合地层中盾构掘进引起的土体位移规律,基于Mindlin解和随机介质理论推导了隧道施工引起的土体位移计算公式,依托实际工程对地表及深层土体沉降规律进行了计算和可靠性验证。结果表明计算曲线与实测数据相吻合。随硬岩比增大,隧道施工引起的横纵向地表沉降值、横向沉降槽宽度均有所减小;硬岩层会减弱刀盘附加推力(p1)、盾壳侧摩阻力(p2)和土体损失对上部土体变形的影响,但附加注浆压力(p3)的影响将会增大。研究可为盾构穿越土岩复合地层引起的土体竖向位移预测提供参考。

穿越多种典型地层的跨海超大直径泥水盾构选型及针对性设计——以青岛胶州湾第二海底隧道为例

为缓解海底隧道盾构段施工中存在的关键问题,以青岛胶州湾第二海底隧道TJ-06标段为实际工程背景,针对“深蓝号”超大直径泥水平衡式盾构长距离、高水压穿越上软下硬土岩复合地层、全断面凝灰岩、断层破碎带、全断面花岗岩时的刀盘刀具磨损、刀具破岩能力不足、泥水舱滞排、刀盘泥饼堵塞和盾尾密封失效与主驱动密封失效等关键问题与难点进行针对性设计与研究,采取减小刀间距、优化刀具布置与形式、采用大直径短螺旋后接颚式破碎机排渣模式、加强并优化刀盘与泥水舱的冲刷等设计方案,实现了降低能耗、减少刀具损坏、缓解泥水舱滞排、提高施工效率,并极大地确保了施工安全的实施效果。

大连极硬岩地层复合盾构刀具磨损的分析与预测

刀具磨损是盾构在极硬岩地层中施工遇到的难题之一,因此对刀具磨损的分析与预测对盾构施工意义重大。通过对大连地铁一号线101标段港湾广场站~中山广场站区间隧道盾构刀具进行磨损监测,利用偏最小二乘回归法,对在不同盾构掘进情况下刀具磨损的多组数据进行分析。根据自变量载荷因子情况,分别选取刀具磨损量为因变量,盾构机的贯入度p、推进速度v、刀盘转速n、盾构推力F、盾构扭矩T、土仓压力Ps、刀具半径L等掘进参数为自变量,选用部分自变量和全部自变量组合用于建模,并建立了偏最小二乘回归模型。筛选样本数据和全部样本数据,分别对建立的刀具磨损模型进行验证,并通过已有数据对刀具磨损进行分析与预测。研究结论表明在极硬岩地层中采用偏最小二乘法可以比较合理地选择自变量,同时建立的数学模型也能较好地对不同盾构掘进情况下的刀具磨损进行计算。