盾构机始发井深基坑力学和变形特性离心模型试验研究

为探究盾构机始发井深基坑开挖过程中周边土体的应力、变形和土压力分布规律,通过对工程原型进行概化,在典型土层条件下,采用停机-开挖-支护的模拟方式开展了方形基坑和圆形基坑两种方案共2组离心模型试验,从地连墙的弯矩和其后土体的水平位移、基坑外侧土压力分布以及地表沉降等角度,对比分析了两种盾构机始发井深基坑开挖过程的工程特性。结果表明:地面沉降随基坑开挖深度增大逐渐增加,形成沉降槽状;地连墙土压力变化呈非线性,随着基坑开挖不断深入的,离地表较近处的土压力逐渐变大,而深处的土压力则逐渐减小;在第5步开挖时2组模型地下连续墙水平位移均达到最大值,圆形基坑是方形基坑的1.4倍,同时地连墙的弯矩也达到最大值,圆形基坑比方形基坑小320 kN·m。研究成果可为深埋隧道深基坑的优化设计和开挖提供指导。

盾构法隧道施工地表变形阶段控制目标规划及其在盾构自主驾驶中的应用

为降低阶段地表变形目标设定中对施工人员经验依赖程度,提高盾构施工的安全性和效率,提出一种科学、有效的地表变形阶段目标规划方法。首先,对不同地质条件下各阶段地表变形量与盾构掘进效率和周边环境的关系进行分析;然后,采用机器学习方法建立盾构掘进效率评估模型和最终地表变形预测模型;最后,基于预测结果综合考虑推进效率、环境扰动和施工成本,得到工程综合效益评价,并应用粒子群优化算法计算得到各阶段地表变形控制值,以实现最优综合效益。该模型已被内置在“智驭号”盾构自主掘进控制系统中,并应用于南京地铁5号线隧道工程。工程应用结果表明,该模型通过对地表变形阶段控制目标的优化,有效提升了自主驾驶盾构施工的安全性和高效性。

大直径盾构隧道中隔墙智能安装机研制与应用技术

为解决传统盾构隧道中隔墙预制拼装中存在的拼装精度低、施工效率低、人工作业风险高、多工序协同干扰大等问题,通过智能化装备设计与研究,结合双跨式门架结构设计思路,研制一台可实现中隔墙一键智能化拼装的门架式中隔墙安装机。该装备能有效解决中隔墙拼装各工序的高效协同作业、拼装作业与盾构掘进施工的交通物流干扰等问题,具有自动运算分析与决策执行、视觉相机识别中心孔定位、基于双六轴机械臂与主动视觉姿态控制、多传感信息融合定位、重载伺服位移反馈控制等智能拼装技术,并在上海轨道交通市域线机场联络线JCXSG-11标工程首次应用,取得了良好的应用效果。应用结果表明:1)安装机应用符合规范及设计要求,系统控制精度与同步精度达到0.5 mm,中隔墙拼装精度达到±2 mm,实现了高精度拼装;2)安装机通过智能化控制技术,实现了一键式操作,每循环工作耗时38 min,施工效率较传统现浇提高10倍以上;3)门架式中隔墙智能安装机工作性能稳定可靠,装配式预制构件成品拼装质量可控,能改善施工环境,实现快速与绿色施工。

软岩大变形隧道马蹄形掘进机研发设想与展望

基于国内外大量高地应力软岩隧道工程案例和理论研究,分析掘进机在软岩地层施工的难点,对掘进机进行有针对性的研发设计,提出基于“应力释放”设计理念的“软马”掘进机和“半马”掘进机,以及基于“及时支护”理念的“外马”掘进机。结合掘进机开挖、支护、衬砌同步施工的特点,探索马蹄形掘进机关键技术及施工方案,吸收国内外软岩大变形地质隧道的施工经验,将先导螺旋开挖装置、拱架外置、盾体变径等技术应用于马蹄形掘进机的设计,预期可解决软岩大变形隧道施工中的问题。最后对全域软岩地质施工装备进行研发展望,概述基于“多地质适应性”理念的多功能、多模式马蹄形隧道掘进机等,以期对软岩大变形地质条件下掘进机工法建造隧道提供新的解决方案和思路。

团九二期输水隧洞近距离下穿北京西郊线技术方案研究

随着市政基础设施建设和城市轨道交通的快速发展,新建隧洞与既有轨道交通线之间的交叉穿越愈发常见。新建工程穿越或并行既有轨道交叉施工,设计施工稍有不慎,不仅影响新建工程安全,还会引起既有轨道交通结构变形进而威胁运行安全。以团九二期输水隧洞施工一标盾构近距离穿越北京有轨电车西郊线为例,该段盾构施工区间土质疏松,地层结构复杂;输水隧洞与西郊线的位置关系由并行靠近到斜向下穿,盾构施工对西郊线的结构变形、运行安全都存在较大的影响。若变形超限,则可能引发车辆倾覆、线路停运等重大安全事故。因此,有必要通过采取一套有效的技术措施和监控手段,使盾构施工能够安全通过该区间段。采用地面复合锚杆隔离桩、盾构机同步注浆、克泥效减阻、洞内二次深孔注浆、地面实时监控量测等多种措施相结合的技术方案,并利用ANSYS有限元分析软件进行施工模拟分析计算,对设计方案和施工措施开展综合分析研究。模拟分析结果表明,采用选定的保护方案,盾构施工期间西郊线轨道的最大竖向位移为2.902 mm,最大横向位移为1.254 mm。通过施工过程中的实际监控量测结果可知,盾构施工期间西郊线轨道的实际最大竖向位移为1.5 mm,最大横向位移为0.2 mm,满足变形控制标准。该设计方案易于实施,投资较省,变形控制效果好,对类似工程具有参考意义。

基于有限元的盾构机刀盘强度分析

利用有限元分析的方法分别对改造前、改造后的盾构机刀盘进行强度分析,根据分析结果,改造前刀盘最大等效应力为147.97 MPa,最大变形为1.76 mm;改造后刀盘最大等效应力为150.79 MPa,最大变形为1.85 mm;改造前后刀盘最大等效应力均出现在刀盘牛腿与刀盘面板结构焊接处;刀盘改造后最大等效应力增加了2.82 MPa,增加率为1.9%,最大变形增加了0.09 mm,增加率为5.1%;改造后盾构机刀盘强度及刚度均满足施工需求。

小直径超长距离天然气管道隧道建设若干关键技术要点

以崇明岛—长兴岛—浦东新区5号沟LNG站管道工程为背景,分析了小直径超长距离天然气管道隧道难点及建设意义,介绍了天然气管道隧道中盾构机选型及针对性配置、管片快速接头、隧道安全高效施工、通风及焊接烟尘处理、管道防腐及应力分析、管道变形监测及预警、隧道充排水等若干关键技术要点。

基于Workbench的盾构机刀盘强度分析

根据盾构机刀盘受力特点,利用有限元分析软件对不同工况下改造前与改造后的刀盘等效应力及等效变形进行仿真分析,根据仿真结果,在不同工况下,改造前与改造后刀盘最大等效应力均出现在刀盘支撑与刀盘面板焊接位置,在额定转矩下刀盘改造后等效应力增加了40 MPa,增加率为16%,等效变形增加了1.33 mm,增加率为27.1%;在脱困转矩下等效应力增加了35 MPa,增加率为13%,等效变形增加了1.36 mm,增加率为26.1%;根据仿真结果,刀盘扩径改造后强度及刚度均满足使用要求。

昆明上公山隧道复杂地质条件下TBM卡机及护盾变形问题分析和对策

在褶皱、断层和软弱围岩共同作用时,岩石掘进机施工将面临很大困难。直径3 m多的昆明上公山引水隧道展布于普渡河背斜东翼,岩石掘进机在4 km+340 m～439 m近100 m长洞段砂泥质板岩中施工遇缓倾逆断层,发生数次卡机事故。开挖旁侧支洞时岩石掘进机后护盾出现严重挤压变形,现场对护盾进行了局部修护。结合复杂地质条件下软弱围岩矿物成分、力学强度及其构造控制作用,分析了旁挖导致护盾由近似两向转为单轴受压状态,提出了围岩蠕变发生条件和护盾变形破坏机理。采用人工扩挖旁洞、钢拱架支撑和超前导洞等工程处理措施收到一定成效。为尽可能避开前面地质条件复杂段,从该段开始隧道线路进行了调直。已有数个工程教训促使对岩石掘进机的适用条件进行认真反思。

土压平衡盾构穿越含砂土层地表变形规律与控制技术

以西安地铁二号线某区间工程土压平衡盾构施工为背景,基于监测数据的统计结果,结合现场渣土改良试验,研究了土压平衡盾构穿越黄土地层及全断面砂层时地表变形的主要影响因素及其控制技术,并根据计算结果给出了土压平衡盾构穿越含砂土层过程中的土舱压力、出土量、注浆压力和注浆量等变形主要影响因素的经验值.结果表明,土压平衡盾构穿越含砂土层过程中,表现出了较强的不适应性,但经膨润土泥浆对渣土进行改良后,盾构开行顺利,施工进度较快.当土舱压力、出土量、注浆压力和注浆量分别控制在140～260kPa、54～56m3、210～300kPa和每环4m3时,土压平衡盾构表现出了较好的适应性.相关结论可为类似工程解决土压平衡盾构对穿越土层的不适应问题提供参考.

基于并行计算的盾构机刀盘三维切削仿真

针对盾构机工作时刀盘切削土体的数值仿真,建立了细致分析模型,并利用任意拉格朗日欧拉(ALE)和流固耦合(FSI)理论及方法来解决传统有限元方法进行切削仿真时易引发的网格大变形问题;在国产曙光4000A超级计算机上利用LS-DYNA MPP 970完成了并行计算,采用了传统递归坐标对分、以及根据仿真模型特点提出的基于耦合均衡坐标对分等两种区域分解策略。结果表明,ALE-FSI方法能有效处理刀盘切割土体仿真时的网格大变形,仿真数据与试验数据对比也比较一致;通过促进负载均衡,在计算时CBCB法比RCB法体现出了更好的加速比和并行效率。

引大济湟工程TBM挤压大变形卡机计算分析与综合防控

针对青海省引大通河济湟水河(引大济湟)工程频繁遭遇挤压大变形和卡机灾害难题,基于挤压大变形本构模型和全断面隧道掘进机(TBM)卡机事故预测分析理论,提出了挤压大变形和卡机计算方法,进行了引大济湟工程TBM掘进围岩挤压大变形与卡机计算,结果表明:(1)TBM穿越F5断层区段时,当扩挖间隙为10 cm时,开挖卸荷后护盾所受摩阻力将达到推进系统提供的最大推力,易发生卡机事故;(2)挤压变形、围岩-护盾接触面积和护盾所受摩阻力随停机时间不断增大,停机1 d内增大的速率越来越大,停机后7 d起,围岩流变速率和护盾所受摩阻力增加速率均减缓,直到停机后13 d时,围岩-护盾相互作用达到平衡,护盾所受摩阻力趋于稳定。同时为了防止和控制卡机事故,对该工程后续施工提出了最佳扩挖间隙和许可停机时间等卡机综合防控的3个对策:即扩挖间隙至少要增大到15 cm,此时停机初始时刻不发生卡机,许可停机时间为2 d;扩挖间隙增大到18 cm时,许可停机时间为4 d;扩挖间隙增大到20 cm时,就选取的围岩条件下,停机7 d内TBM基本不发生卡机,7 d后也很容易克服卡机。提出的卡机防控措施对引大济湟工程TBM安全高效掘进具有一定的指导意义,并得到工程实际控制对策的验证。

挤压地层双护盾TBM围岩变形及应力场特征研究

为研究挤压地层双护盾隧道掘进机(TBM)作用下围岩变形及应力场特征,采用FLAC^(3D)建立了完整模型,并详细阐述了隧道掘进机(TBM)施工过程中的模拟方法,重点分析了隧洞纵横断面内围岩位移场、应力场、塑性区特征。模拟结果表明,两腰下部范围内的围岩与TBM护盾发生接触并产生挤压,拱顶并未接触;受刀盘与护盾连接处的尺寸高差和前后护盾的锥度影响导致仰拱围岩内出现3次加卸载,仰拱内部环向应力和径向应力均大于拱顶和两腰,而且其主应力方向与径向线斜交,受扰动剧烈,但仰拱下方70°范围内的围岩基本处于弹性状态;横向断面内围岩塑性区自上而下逐渐减小,且距掌子面越远塑性区范围越大,但后盾塑性区范围变化不大。

轴承套圈用钢42CrMo的热变形行为

通过热模拟实验与组织观察,研究了盾构机轴承套圈用钢42CrMo在热变形中的动态再结晶行为以及锻造镦粗过程道次压下量对组织精细化与均匀化的影响。结合动态再结晶规律,对锻造镦粗过程中的不同压下规程下的组织进行预测,得到在实验条件下:当单道次变形量为1 mm和2 mm时,变形过程中未发生动态再结晶而发生静态再结晶时,晶粒细化不明显,道次压下量越大,变形组织越细小;当单道次变形量为4 mm和8 mm时发生动态再结晶后,变形组织明显细小,但由于处于部分再结晶区,组织存在混晶现象。实验结果有效地验证了预测的准确性。因此,为了使镦粗过程发生动态再结晶以获得均匀细小的组织,在单道次变形量为40%条件下,应提高镦粗锻造温度到1100℃以上;在镦粗锻造温度为1050℃条件下,应加大单道次变形量到52.7%以上。

渣土保压泵送技术在富水复合地层土压盾构施工防喷涌控变形中的应用

为了攻克富水复合地层土压盾构防喷涌、控变形等难题,依托广州地铁14号线1标工程,研制并投入使用了渣土保压泵送装置,实践了富水复合地层土压平衡盾构机渣土保压泵送技术及与之配套的渣土改良技术。结果证明,该技术能有效解决土压平衡盾构机在富水软弱地层的喷涌问题,减小地表沉降,大大提高了压力控制精度和盾构施工的安全性,为相似地层土压盾构施工提供了技术参考。

南水北调中线工程关键机械设备的探讨

从提高工效,缩短施工周期,节省投资的角度出发,对南水北调中线工程施工中的关键大型机械设备进行了探讨。

人工智能科学在软土地下工程施工变形预测与控制中的应用实践——理论基础、方法实施、精细化智能管理(示例)

首先,介绍了基于人工神经网络的智能预测方法(多步滚动预测)和基于智能模糊逻辑法则的施工变形控制方法对策;其次,介绍了基坑施工和盾构掘进施工变形智能预测与控制案例。经过应用实践,认为智能方法的优点是:对于结构变形位移和周边地表沉降/隆起,智能方法所得的预测值(3~5 d)与其相应实测值的精度偏差一般为5%~10%;不只是可以了解到当天已发生的信息,还可预见3~5 d将要发生的变形位移和沉降/隆起等的预测定量值;在施工变形达到超限阈值前,采用智能模糊逻辑控制法则作处理,通过调整相应的施工技术参数,即可使后续变形始终处于允许的限值之内,而无需附加额外的巨大花费,节约造价,节省工期,还可实现远程、无线、视频监控。在探讨地铁施工变形智能预测与控制的基础上,开发了盾构掘进施工中工程周边地表沉降/隆起变形的多媒体三维动态可视化仿真程序软件,研制了盾构掘进施工计算机智能管理系统。目前,上海隧道工程有限公司已在上海市沿江通道盾构施工中进行试验性应用,取得了良好的技术效益。最后,对人工智能科学发展的前景及存在的一些问题进行了探讨。

基于TRIZ理论的盾构机密封环件加工工艺改进

介绍了TRIZ理论体系和解题流程,以TRIZ矛盾解决原理为指导,针对盾构机密封环件淬火变形问题,运用曲面化发明原理,进行了加工工艺的改进。通过生产验证,取得了良好的效果。结果表明,TRIZ理论为解决盾构机环件加工领域难题,提供了一套有效工具。

基于粒子群算法优化的模糊支持向量机的盾构隧道地质变形预测研究

盾构速调地质变形预测对于提高盾构隧道施工可靠性,提高盾构隧道施工的现代化水平具有非常关键的作用,因此,可将基于粒子群算法优化的模糊支持向量机应用于盾构隧道地质变形的预测中。本文首先分析了盾构隧道地质变形计算的理论模型;然后研究了模糊支持向量机的基本理论;接着讨论了粒子群算法,并且设计了相应的算法流程;最后进行盾构隧道地质变形预测的仿真分析。仿真结果表明,基于粒子群算法优化的模糊支持向量机能够提高盾构隧道地质变形的预测精度。

自动化监测技术在地铁盾构下穿高架桥中的应用

为了解决盾构施工对沿线高架桥沉降、倾斜监测问题,以深圳地铁九号线鹿丹村站~人民南站区间左线盾构下穿春风路高架桥6、7、8轴桩基施工为例,对沿线高架桥实施了自动化监测。论文首先介绍了工程穿越高架桥情况,并根据对施工风险的分析和评价以及现场实际情况,制定了整套详细的自动化监测实施方案。当盾构左线穿越后,对变形数据进行分析,变形值均在控制值允许范围内,同时总结了针对盾构下穿高架桥的自动化监测技术。