基于极限分析理论的复合地层中双模盾构开挖面稳定性研究

针对目前双模式盾构在复合地层土-岩交界面进行掘进模式转换过程中掘进面稳定性研究中存在的问题,采用空间离散技术构建双模式盾构在穿越土-岩交界面过程中开挖面前方岩土体的二维破坏机制,利用该破坏机制和极限分析上限定理推导得到极限状态下土舱压力的目标函数,通过优化计算得到盾构机在穿越土-岩交界面过程中维持开挖面稳定所需的土舱压力上限解,并讨论不同参数对土舱压力及开挖面前方岩土体破坏模式的影响。在此基础上,基于可靠度理论建立土舱压力的可靠度模型,并给出复合地层中容许可靠度下维持开挖面稳定性最小土舱压力的建议值。结果表明:盾构机在穿越土-岩交界面过程中维持开挖面稳定所需的土舱压力随着盾构机与土-岩交界面距离的减小而减小;开挖面前方岩土体的破坏范围随着界面倾角的增大而增大。

回填土区浅埋盾构隧道开挖地层响应分析

为分析回填土地层中浅埋盾构隧道的土舱压力设置对地层变形的影响问题,根据重庆轨道交通五号线北延伸段工程区间隧道施工过程建立盾构施工数值模型,设置监测断面,对不同开挖阶段和不同土舱压力下的地层变形情况和沉降曲线进行了提取和分析。研究结果表明:在依托工程条件下,盾构隧道掘进施工过程中引起的地表沉降槽幅宽在3倍洞径左右,土舱压力取值为0.125MPa左右时对地层变形的影响最小。

盾构机土仓压力控制模型及其参数辨识

基于改性后渣土的非线性本构关系,建立了盾构机土仓压力控制模型。根据现场观测的土仓压力、螺旋输送机转速和盾构机推进速度数据,提出了基于遗传算法的土仓压力控制模型参数辨识方法。工程实践应用结果表明,所建立的土仓压力控制模型及其参数辨识方法是十分有效的,土仓压力控制模型预测的土仓压力与观测值吻合较好。

基于数据驱动的盾构机密封舱土压预测

盾构机是一种暗挖地下隧道工程的专用机械。为了保证盾构机安全、高效掘进,必须控制密封舱土压平衡。盾构机掘进过程中密封舱土压受多系统、多场耦合和地质条件突变等诸多因素影响,极易导致密封舱土压失衡而引起地表塌陷等安全事故。针对难以建立有效的机理模型进行密封舱土压预测并实施控制的问题,提出了基于多粒子群协同优化的并行支持向量机(PCPSO-PSVM)密封舱土压的数据驱动建模方法。采用分而治之的原则将数据样本分成4个子集、3个层次进行并行学习,再采用交叉反馈的方式更新初始样本重新训练直至结束,得到支持向量;利用协同粒子群并行计算优化支持向量机的参数,将粒子群并行分组寻优,在各自独立的进程内进行独立搜索,最后各群体汇集到主进程,计算得到模型的全局最优参数C和σ,得到密封舱土压预测模型。基于盾构施工现场的实测数据进行了仿真实验,对密封舱内4个土压力监测点进行建模预测,结果表明该方法具有较高的计算效率和预测精度,能够满足实时在线计算预测的要求。因此,完全可以通过这些压力监测点做出整个开挖面的土压力预测,以对密封舱土压失衡做出提前预警和决策。该方法实现了基于数据的快速密封舱土压建模预测,能够为开挖面的稳定控制提供及时、准确的判断依据,指导工程实践。

盾构机土仓压力平衡系统智能建模及其实验

为解决盾构机土仓压力平衡系统时滞、非线性、时变和不确定特性建模问题,建立了基于神经网络和系统输入-输出观测数据的智能建模方法,解决了土仓压力平衡系统的解析数学建模所遇到的困难。计算结果表明,基于Gauss-Newton优化的神经网络训练方法,具有较快的收敛速度。盾构机实验台实验结果表明,与解析数学建模方法相比,所提出的新的智能建模方法拟合和预测精度提高了一个数量级,验证了智能建模方法的有效性和精确性。

超大直径土压平衡盾构近距离下穿人行通道施工控制技术

该文采用数值模拟方法分析超大直径土压平衡盾构下穿人行通道施工时的土舱压力设定;提出主要通过控制注浆压力来控制穿越阶段的同步注浆施工;建议将穿越段分为不同的控制阶段,各区长度的确定则要综合考虑盾构穿越层土压力的大小、盾构机推进的影响范围、盾构机土舱压力的调整能力等。推进过程中结合其他措施将某隧道近距离下穿人行通道的不均匀变形控制在2mm左右。

盾构隧道施工开挖面支撑力的有限元分析

盾构隧道掘进过程中,开挖面的支护压力是一个极为关键的控制参数。本文结合广州的软弱地层及地下水丰富的情况,采用孔隙水和土骨架的完全耦合理论,分析提出了砂土地层中盾构隧道支护压力的适当范围。

土压平衡式顶管掘进机泥土仓压力控制系统的设计与分析

土压平衡式顶管掘进机机头泥土仓土压力控制是顶管工程中最关键的技术之一。本文提出了半盾构油缸伸缩以控制泥土仓压力大小 ,从纠偏油缸处间接测取泥土仓土压力信号的控制方案 ,通过参数设定、数学建模、仿真分析、实际运行 。

软弱地层盾构施工土仓带压始发技术

为改进提高软弱地层盾构始发技术,本文经工程实践提出了软弱地层土仓带压始发技术。其基本原理为:充分利用土压平衡原理,在盾构机始发时,就向土仓加注填充物,安全便捷的提前建立了主动土压力盾构机带压始发掘进,使得对断面中粗砂层进行了超前主动力压力支护,有效的防止了上覆软弱砂层水土喷涌、塌方等现象。由于土仓主动土压力作用,提高了始发安全系数,减少了始发端头的加固长度,降低了始发成本。

吉隆坡地铁A标段盾构土舱压力的计算与分析

文章以吉隆坡新捷运工程地下北段A标工程为例,基于Horn的三维楔形体破坏理论,采用极限平衡分析法,推导出了在土压及全水头压力作用下满舱土、半舱土、无土三种状态下土舱压力的计算方法,并采用整体分析与局部分析相结合的方法进行了验证。从计算结果可以看出,影响土舱压力的因素主要有水位高度、覆土厚度、粘聚力、覆土及掌子面处的内摩擦角,并对这五个因素进行了敏感性分析。通过运用该方法计算的土舱压力进行掘进并对现场监控量测数据进行分析,地表沉降均满足相关设计要求。

复合盾构土舱可视化实时监测系统研究

为了在复合盾构掘进过程中实时监测土舱的情况,获得刀盘的旋转状态、刀具的磨损状况、开挖地层的图像信息和渣土的流动特性,建立一套土舱可视化实时监测系统,该系统通过上位机监控系统实时监测前端设备的工作状态,并将摄像机采集的信号实时传输到视频采集系统。介绍该系统方案,重点探讨其结构设计、硬件设计、软件设计,并通过室内和现场试验进行验证该系统的有效性。结果表明,该系统可实现土舱的实时视频监控、录像、回放以及系统温度、湿度和压力的监测。

大埋深富水裂隙岩层土压平衡盾构填舱注浆施工技术

为解决穿越大埋深富水节理裂隙发育岩层的土压平衡盾构隧道施工过程中发生的开挖面涌水和地表沉降过大的问题,依托广佛环线沙堤隧道工程,对土压平衡盾构填舱注浆施工技术进行研究,并利用有限差分软件FLAC3D对填舱注浆技术进行数值模拟分析。研究结果表明:1)土压平衡盾构穿越深埋富水裂隙岩层时,隧道洞周围岩变形较小,而地表沉降及建筑物变形对地下水流失较为敏感; 2)将气压平衡和土舱填舱注浆处理技术相结合,辅以微扰动等施工控制方法的填舱注浆成套施工技术能够有效解决施工过程中的喷涌现象及地表建(构)筑物沉降过大的问题; 3)采用填舱注浆技术进行堵水时,应保证开挖面内填舱注浆范围和注浆参数选取的合理性,并应考虑注浆厚度对施工进度的影响。

土压平衡盾构土舱可视化系统的设计与改进

为提前防治和处理土压平衡盾构施工中刀盘结泥饼情况,减少人工带压进舱清理泥饼产生的一系列施工风险,减少盾构停机带来的经济损失,结合摄像技术、PLC可编程控制技术、机械结构设计和液压原理,自主设计了一款土舱可视化系统,通过工厂和现场试验,发现土舱内的水土压力、泥沙及黑暗环境等不利因素导致该系统无法使用,通过针对性设计与改进,提升了该系统的防水土压力、防泥沙覆盖及散热等性能,能更好地适应土舱内的恶劣环境。

大断面盾构隧道施工碴土改良数值模拟及土舱压力对地表变形的影响机理研究

本文依托成都地铁17号线黄石站—市五医院站盾构区间工程实例,对隧道施工过程中碴土改良后地表沉降进行监测,同时应用FLAC3D三维数值软件模拟了砂卵石地层碴土改良施工过程,给出了地表纵、横向变形规律,继而研究了不同土舱压力下的地表变形曲线。结果表明:实测数据与数值模拟结果基本吻合;地表变形随土舱压力升高呈线性增加,根据拟合直线可推测出地表在不同土舱压力条件下的变形值;对于碴土改良后的砂卵石地层盾构隧道施工的土舱压力在0.19~0.22 MPa范围内能保证地表沉降满足控制指标的要求,从而为卵漂石地层盾构施工提供参考依据。

上软下硬地层盾构施工技术研究

依托深圳地铁2号线东延线土建2222标侨香站—香蜜站盾构区间,分析了在上软下硬地层中盾构法施工存在进度缓慢、刀具磨损严重、喷涌等难点和风险。为提高上软下硬地层盾构施工的掘进效率,文章给出了具体的盾构掘进参数;针对上软下硬地层盾构施工易发生结泥饼和喷涌等问题,从其发生机理出发,研究了相应碴土改良技术;针对上软下硬地层周边环境复杂、开舱作业风险高的问题,研究了带压开舱换刀技术。

南宁地铁5号线“泥水+土压”双模式盾构掘进模式快速转换关键技术

以南宁地铁5号线五新区间为工程背景,对并联式双模盾构掘进模式快速转换技术进行介绍。并联式双模盾构"土压+泥水"平衡掘进模式均可以独立运行。掘进过程中采用双模式盾构2套出渣系统相配合的方式改变舱内渣土性状,以满足螺旋输送机和泥浆管道出渣要求,进而启动相应模式下渣土改良方式完成掘进模式转换。通过以上措施双模式盾构完成计划内模式转换2次、试验性掘进模式转换12次,共计14次,未出现明显螺旋输送机喷涌或泥浆管道堵塞的情况,地表沉降控制良好。

盾构接收掘进中有限土体划分及土仓压力设定研究

盾构无障碍接收过程中,土仓压力对地表沉降和围护结构变形的影响均较为明显,对于这一阶段土仓压力的设定,目前的理论研究较少。针对这一问题,以库伦土压力理论和有限土压力理论为基础,建立开挖面前方有限土体的计算模型,根据土体滑裂面倾角分析,确定从半无限土体到有限土体的分界位置;通过对有限土体极限平衡状态的分析,得到接收阶段土仓压力设定的理论公式,并与数值模拟和工程监测数据相比较。结果表明:根据有限土体滑裂面位置判断有限土体分界位置的方法是可靠的;在接收掘进阶段,土仓压力设定可利用实时的有限土体模型计算,计算结果与实际工程状态相符,且对于地表沉降和围护结构变形的控制均较为良好。

盾构掘削土体颗粒运动规律及传力特性DEM研究

土压平衡盾构掘进时土舱压力的设定往往缺乏足够的理论支撑,其内部掘削土体颗粒的运动规律也无法直观展现。基于离散单元法(DEM)对土舱内砂卵石颗粒集合进行三维精细化仿真,通过支持向量机反演标定细观接触参数,获得了土舱内部颗粒流速度场分布情况和运移沉积规律,纵向上从土舱前端到隔板流动效果越来越差,横断面上靠近辐条外边缘及支撑柱附近区域的流动性较好,结合局部滞流特征提出了土舱内部结构优化措施。进一步阐述土颗粒内部接触力链变化更迭特征,分析了土舱隔板压力分布情况,其总体上呈现隔板压力左右对称,从上而下逐渐增大的特征。同时揭示了在砂卵石地层中开口率为66%的辐条式刀盘盾构机土舱隔板压力与刀盘前支护压力的映射关系,DEM计算所得压力传递系数为0.7711,土舱隔板压力的合理设定值为47.08 kPa~70.69 k Pa,研究成果可为砂卵石地层盾构土舱压力的设定提供理论基础。

盾构隧道施工正面土压力的有限元分析

在盾构隧道掘进过程中,开挖面的正面土压力是一个极为关键的控制参数。本文结合广州软弱地层及地下水丰富的情况,采用孔隙水和土骨架的完全耦合理论,对盾构隧道在粘土层中施工的正面土压力进行了有限元分析,提出了粘土地层中盾构隧道支护压力的适当范围。

盾构无障碍始发土舱压力计算模型研究

常规的盾构始发需预先凿除钢筋混凝土围护结构,土舱压力无法及时建立,即便对洞口处土体进行了止水加固处理,仍无法彻底改变洞口处土体坍塌、涌水、涌砂等问题。文章基于洞口处采用玻璃纤维筋混凝土围护结构,建立了盾构无障碍始发土舱压力计算模型,提出了盾构无障碍始发土舱压力计算公式。通过在北京地铁16号线工程中的实际应用表明,所建立的计算模型能够反映土舱压力的建立过程,可实现土舱压力的快速建立;此外始发掘进前外加泥土等材料的加入量对于建立土舱压力极为关键。