基于CatBoost-MOEAD的大直径泥水盾构施工多目标预测优化

为有效优化盾构施工参数,实现在大直径泥水盾构掘进过程中安全、高效和节能的目标,提出分类助推(CatBoost)和基于分解的多目标进化算法(MOEAD)相结合的混合智能算法;综合考虑盾构施工参数与地质条件,以主要的盾构施工参数为研究对象,选择地表沉降、贯入度和掘进比能为预测和控制目标;优化调控选择的盾构施工参数,并以武汉市轨道交通某号线为例,验证该混合算法的有效性。结果表明:采用CatBoost算法建立的预测模型在大直径泥水盾构上表现出来的预测性能良好,对3个控制目标的拟合精度(R 2)均达到0.9以上;预测模型的重要性排序表明:大直径泥水盾构的总推进力和推进速度对地表沉降、贯入度和掘进比能有显著影响;所提出的CatBoost-MOEAD混合智能算法对3个控制目标的优化效果明显,地表沉降、贯入度和掘进比能分别达到12.35%、7.47%和10.70%的优化幅度,并给出相应盾构施工参数的控制范围。

基于深度学习的超大直径盾构姿态预测研究

传统的盾构姿态纠偏措施多是在盾构机实际轴线已经偏离设计轴线之后采取的被动控制措施,具有一定的滞后性,而盾构姿态纠偏不及时会给施工过程和完成后的隧道本身带来严重的危害。为了准确预测盾构姿态偏差,为提前纠偏提供决策支持,本文依托江阴—靖江长江隧道超大直径盾构施工项目,提出一种基于CNN-EMD-LSTM的深度学习模型,该模型既能捕捉时间序列的维度特征和时变特征,又能提高盾构姿态数据分解重构方法的预测精度;通过消融实验对CNN-EMD-LSTM模型中每个部分的重要性进行探讨,并对CNN-EMD-LSTM模型在不同窗口长度、不同滑动步长下的预测效果进行对比。研究结果表明:CNN-EMD-LSTM模型对超大直径盾构姿态的预测效果较好;可以通过调节不同推进区间的压力进行盾构姿态纠偏;CNN-EMD-LSTM模型中各个部分按重要性从大到小排序依次为EMD、CNN、LSTM;窗口长度过大或过小都会增大模型预测误差,而滑动步长越小模型的预测效果越好。

中国盾构隧道工程关键技术的新进展综述

从研究背景与思路、机制/原理、材料/装备、技术论证、试验研究、工程应用等方面介绍中国大直径盾构掘进主轴承事故分析及国产主轴承的自主研发、盾构隧道工程安全高效掘进渣土适配性改良技术及配套材料、盾尾安全保障核心材料研发、盾构隧道新型管片连接技术、城市隧道三模掘进机关键技术等5个方面关键技术的最新进展情况。认为:1)自主研制的超大型盾构机用直径8.01 m主轴承大型套圈纯净度、大型滚子纯净度、大型套圈疲劳性能、大型滚子硬度均匀性、套圈材料淬透性和淬硬层深度、保持架焊缝疲劳寿命和拉断力均优于进口水平;构建了真实对数曲线大型滚子设计方法,突破了高精度大型滚子加工技术,处于国际先进水平,高精度加工和装配保证了零件尺寸精度及形位公差均满足设计要求;通过产品验收、装机应用论证和工程应用,表明应用该大直径主轴承不会产生接触疲劳强度不足和微动引起的疲劳磨损,可用于超大直径盾构隧道工程建设。2)针对黏性、富水砂性和硬岩等复杂地层,以改善岩土环境为核心,研发出了高配向密度的聚合型泡沫剂、高分子抗黏剂、喷涌防止剂和耐磨抑尘剂等环保型系列渣土改良剂,形成了盾构泥饼、喷涌和磨损原位改良主动防控技术,建立了通用地层适配性盾构渣土动态改良技术体系,保障了盾构安全高效掘进。3)针对盾构掘进过程中的盾尾密封失效难题,研发了“黏-稠-流”有机统一的新型盾尾密封油脂,温度敏感性低(黏温系数0.4)、抗水压能力强(最高抗水压3.5 MPa),整体性能提高1.3倍,为盾尾安全提供了有力保障;针对盾构同步注浆浆液泌水、离析和地层沉降难题,研发出了同步注浆充填剂,优化了惰性充填浆液配比,30 min零泌水,实现了壁后惰性充填,保障了管片壁后注浆质量和地层沉降精细化控制。4)新型管片连接技术采用环缝插入+纵缝滑入的连接形式,可以高标准地控制隧道接缝张开量和错台量,管片制作及拼装精度高,可降低接缝防水难度,提升成型隧道的质量,无需设置手孔,无需人工紧固作业,自动化程度高,施工效率高,可节约施工成本及改善洞内拼装作业环境。5)研制出的土压+泥水+TBM三模掘进机能够满足复杂多变、软硬不均复合地层等几乎所有地层的掘进施工,且可在不停机、不拆装设备的前提下实现掘进模式的快速转换,在TBM掘进模式下螺旋输送机+泥浆管道可协同排渣,解决了富水硬岩地层掘进排渣难的问题,机械化和智能化程度高,安全可靠,施工效率高,可改善工人作业环境,节省工期和成本。中国盾构隧道建设取得的巨大成就,推动了中国乃至世界盾构隧道技术的发展和进步,但仍时有安全事故发生,需从装备、材料、技术、管理等方面进一步研究和突破。在今后较长的时间内,中国盾构隧道(尤其是大直径盾构隧道)仍将处于高速建设发展期,面临的建设条件将越来越复杂,技术难度和挑战也将越来越大。要实现盾构隧道建设的快速、安全、健康,需处理好盾构隧道技术领域的关键问题,实现盾构隧道关键核心技术的突破。上述关键技术仍需不断完善并加强推广和应用,以促进中国盾构隧道建设向高适应性、高智能、高可靠性、高效益、高质量、高安全性和低能耗方向发展,形成适合于中国“土壤”的盾构隧道新技术。

超大直径盾构下穿高铁路基的沉降数值分析

为探究超大直径盾构隧道下穿城际铁路路基沉降规律,以中国武汉两湖隧道工程为例,基于Plaxis有限元软件,建立了铁路路基-土体-隧道的三维精细化数值模型,探讨盾构掘进过程中地层损失率、开挖面支护压力、盾尾注浆压力对隧道上方城际铁路路基沉降的影响.结果显示,盾构下穿复合地层的过程中,高铁路基道砟层表面在盾构掘进方向上会发生不同程度的沉降;当盾构掘进引起的地层损失率从1.0%增加到1.6%时,铁路路基的最大沉降从18.86 mm增加到22.71 mm,增大了20.4%;当开挖面支护力处于隧道拱顶侧向静止土压力的0.7~1.4倍时,不同工况下盾构掘进引起的铁路路基变形差异较小(小于0.67 mm);注浆压力对铁路路基的沉降影响明显,随着注浆压力增大,铁路路基的沉降明显减小.当隧道拱顶注浆压力增大到拱顶侧向静止土压力的3倍(648 kPa)或以上时,沿铁路路基的最大差异沉降未超过规范要求(≤5 mm/10 m).研究结果可为超大直径盾构下穿高铁路基时掘进参数的设置提供参考.

基于克里金插值法的常压刀盘刀梁区域泥饼发育程度算法及应用研究

为解决刀盘结泥饼影响盾构施工进度的问题,以某泥水盾构刀盘为研究对象,展开对刀盘刀梁部位泥饼发育程度的研究,提出一种基于克里金插值法的常压刀盘刀梁区域泥饼发育程度算法,并进行应用案例研究。利用全刀盘布置温度传感器获取刀盘温度数据,选取线性插值扩展刀梁区域温度数据,运用克里金插值法进行全刀盘区域的温度仿真计算,结合空间和时间2个维度分析刀盘在正常掘进、外侧结泥饼及内侧结泥饼3种工况下的判断条件,提出分离相邻测温点正/负差值,以刀盘整体正/负差值之和呈现同方向变化作为泥饼发育初始环评判指标;结合所建温度场,引入从泥饼发育初始环到当前环的温度变化率总和作为泥饼发育程度评判指标。针对某大直径常压刀盘泥水盾构案例进行分析判定,对比采用反距离权重插值法、克里金插值法和扩展样本克里金插值法构建的3种温度场用于泥饼发育程度计算,结果表明扩展样本后的克里金插值法的适用性最强,并与工程实际情况进行对比,准确率达70.87%。

超大直径泥水盾构水中接收关键技术研究——以汕头海湾隧道为例

为解决超大直径泥水盾构在临海富水淤泥、砂层接收洞门的涌水、涌砂、涌泥地层存在的技术难题,以汕头海湾隧道工程超大直径泥水盾构在富水地层采用的接收关键技术为例,分析超大直径与小直径盾构水中接收的区别。基于超大直径盾构接收流程,阐述了超大直径泥水盾构在接收工作中端头加固、接收井封堵墙施工、接收基座施工、单层玻璃纤维筋洞门破除、贯通测量、接收掘进与注浆、洞门封堵等方面的解决方法,从盾构姿态控制、掘进参数控制、注浆控制、管片复紧、洞门临时封堵几个方面对超大直径盾构接收关键技术进行分析;通过采用设置砂浆接收基座为盾构接收提供足够的反力,保证盾构机出洞安全;借助同步注浆和二次注浆封闭补强质量,加强管片复紧,确保盾构隧道结构强度稳定;在最后5环使用多孔特殊环管片,提高注浆效果。然后,通过排水清砂并从上及下逐次施作钢筋骨架加喷射混凝土封堵洞门、降低无封堵洞门暴露时间、确保洞门施工安全等措施,保障水中接收的安全性。

废弃岩渣壁后注浆体固结时变性及对地层沉降影响研究——以南京和燕路过江通道盾构隧道工程为例

为研究废弃岩渣替换商品砂配制的壁后注浆体(岩渣-硬性浆)固结后性质的时变规律及其对地层沉降的影响,采用自制的固结装置进行固结试验,测定浆体弹性模量等性质的时变规律,并采用FLAC3D数值模拟,研究岩渣-硬性浆对地层沉降的影响规律。结果表明:1)岩渣-硬性浆固结完成后,浆体性质发展迅速,起始弹性模量为1~1.4 MPa,3 d后已达到120~160 MPa,相较于刚固结完成时其内摩擦角增长21.8%,黏聚力增长4~5倍;2)相比于普通硬性浆,使用岩渣-硬性浆进行壁后注浆能够有效降低地层沉降,最终沉降值降幅为20%左右,但浆体的固结性质差异基本不会改变地层沉降横向影响范围;3)对比沉降模拟结果与现场实测数据发现,采用固结试验所得的岩渣-硬性浆时变性参数进行地层沉降模拟,可较为准确地反映岩渣-硬性浆填充引起的地层沉降规律,进一步验证了岩渣-硬性浆对地层沉降的控制效果。

浅埋极软地层超大直径盾构隧道施工期上浮控制措施及实测数据分析

管片上浮控制是极软地层超大直径盾构隧道施工控制的关键难题。为了研究极软地层超大直径盾构隧道施工期管片上浮特征及其影响因素,本文依托珠海隧道工程,制定4种抗浮措施,比较分析了不同措施的抗浮效果,优选了抗浮措施。本文基于实测数据,研究管片上浮过程变化特征,揭示了施工期管片上浮变化规律;利用散点图进一步分析了管片错台量、掘进总推力、隧道埋深等因素与管片上浮量的相关性。

水下隧道复合地层超大直径泥水盾构刀盘刀具设计及应用实例

刀盘作为盾构关键系统之一,其对复合地层施工的超大直径盾构安全和效率影响很大。针对复合地层刀盘设计的问题,首先,对比常压刀盘和常规刀盘结构差异与适用的条件,总结刀盘刀具设计的一般性流程;其次,以某水下隧道盾构刀盘设计为例,进行刀盘选型与刀具布置、结构校核计算,并提出优化提升措施;最后,完成基岩突起地层盾构刀盘刀具配置并在工程中应用。研究与应用结果表明:(1)基岩段无辅助工法直接掘进通过时刀盘工作状态较好,说明实验与仿真结合的刀盘设计流程比较合理,刀盘选型及刀盘刀具设计方案可行;(2)刀盘结构在保证强度、刚度、振动性能指标的基础上,结合不良地质因素需重视磨损、泥饼等潜在问题,在刀盘设计阶段提出解决措施很有必要;(3)常压换刀装置配置磨损监测、温度传感器等单元,必要位置可增设载荷监测装置,提高刀具状态判识水平,有助于合理施工。

超大直径盾构下穿施工引起既有地铁隧道变形分析及控制要点

[目的]随着城市地下空间利用率不断提高,新建隧道穿越施工对既有隧道的扰动不可避免。上海市北横通道超大直径盾构近距离下穿上海轨道交通11号线工程项目情况较为复杂,需针对性分析对既有隧道变形的影响。[方法]基于上海轨道交通11号线上下行线隧道的实时监测数据,分析了北横通道超大直径盾构下穿隧道影响区域时,11号线上下行线隧道垂直位移情况;提出了下穿施工期间控制既有地铁隧道变形的技术要点。[结果及结论]盾构下穿施工对既有地铁隧道垂直位移影响主要发生在正投影区域,且垂直位移曲线呈现“火山口状”;在正常下穿施工阶段上方既有地铁隧道表现为上抬,而在管片拼装阶段则表现为下沉。应基于“少扰动、小扰动”的原则采取控制既有地铁隧道变形的技术措施。

大直径盾构小半径曲线掘进施工工艺技术研究

以广州琶洲支线项目盾构500m小半径曲线施工为例,对大直径泥水盾构小半径曲线隧道施工中的大盾构针对性改造、掘进轴线控制、管片姿态控制、地表沉降控制等技术难题进行研究,通过同步双液注浆、保持合适的掘进姿态,并使用深层位移监测手段对盾构掘进影响进行研究,归纳整理出相应的解决措施,保证了盾构施工质量。

超大直径盾构近距离穿越运营中轨道交通施工技术研究

以上海北横通道盾构穿越运营中的轨道交通案例为背景,提出超大直径盾构近距离穿越运营中轨道交通施工技术,并采用轨交10号线隧道结构沉降监测数据验证穿越施工技术的可行性。轨道交通隧道结构竖向位移原位监测数据表明,超大直径盾构近距离穿越运营中轨道交通的施工技术满足被穿越既有地铁隧道的变形控制要求,该穿越施工技术可为沿海软土地区相似工况条件下盾构近距离穿越运营中轨道交通线路提供施工借鉴。

中心城区复杂地层条件超大直径泥水盾构下穿运营地铁隧道关键施工技术

以上海北横通道下穿上海地铁10号线为例,介绍超大直径泥水平衡盾构机穿越运营地铁的施工技术措施,着重对穿越过程中所采取的一些关键技术进行分析,认为盾构推进时采取适当降低切口压力、填充适量的克泥效、增大同步注浆填充量、穿越后微扰动注浆等措施,对在建隧道本身及穿越段运营地铁运行稳定、安全有较好的效果。

大直径泥水盾构常压刀盘滚刀刀筒适应性分析

为解决大直径盾构常压刀盘后置式滚刀刀筒在实际应用中存在刀具振动、非正常损坏频率高的问题,研究设计了一种新型的前置式滚刀刀筒。为检验前置式滚刀刀筒的可靠性,研究将前置与后置刀筒性能进行对比,将理论分析和实践应用相结合对刀筒结构的适应性进行分析。结果表明,新型刀筒结构设计较为合理。

超大直径泥水平衡盾构管片施工质量控制

以南京建宁西路长江隧道超大直径泥水平衡盾构施工为例,从管片钢筋加工及安装、管片混凝土质量控制、管片养护、管片模具精度控制、管片预制质量控制指标对盾构管片在生产质量控制要点进行分析,同时从管片运输及吊装、管片安装控制要点、壁后注浆控制对拼装过程中质量控制的要点进行总结。

超大直径盾构长距离海底对接关键技术研究

文章基于甬舟铁路金塘海底隧道工程,分析研究金塘海底隧道中2台超长距离盾构机精准对接测量方式,评估其测量水平及高程误差估算,并结合工程段地质条件,研究对接点位置的选择策略、对接加固方式(掌子面、管片和盾体的加固)以及整个施工工艺流程,以确保对接点施工安全。研究结果表明,通过理论计算,2台盾构机海底对接精度满足规范要求,且使用超前钻孔进行洞内联测,可有效控制贯通时的对接测量误差,并可进一步提高对接精度,确保盾构顺利对接。此外,针对对接段位置选择、掌子面地层分析与评价和对接工艺等的研究工作,可有效确保对接安全。

软土层大直径盾构施工地表沉降控制措施研究

针对软土地层大直径泥水盾构施工中的地表沉降控制问题,以杭州市某过江隧道两台大直径泥水盾构在淤泥质粉质粘土地层的施工为背景,通过理论分析计算和现场实践验证,对影响地表沉降的开挖仓压力设定、同步注浆配合比、盾构姿态控制和盾体同步填充进行研究,总结出软土地层大直径泥水盾构施工中开挖仓压力设为静止土压力与主动土压力的平均值降低0.2bar,同步注浆浆液的最优配合比设计,中盾注浆参数的设定和监控量测的及时反馈等地表沉降的技术措施和控制要点,研究成果可为软土地层泥水盾构隧道施工中地表沉降预防控制提供有益的参考与借鉴。

超大直径泥水盾构复杂红层渣浆的高效处理利用技术升级研究

以广州市海珠湾隧道工程为例,针对超大直径泥水盾构工程中的复杂红层泥质粉砂岩渣浆处理和利用问题展开了技术升级研究,并针对工程中存在的处理工艺重复、分离与利用工艺割裂、智能化程度低等问题,提出了优化升级策略。针对处理工艺重复的问题,提出了渣浆集中一体化调理策略。通过整合现有工艺中功能相同或相近的设备或模块,构建了高效集成的渣浆处理工艺与设备系统。针对分离与利用工艺割裂的问题,提出了采用地聚物基絮凝-固化剂耦合调理策略。复杂红层渣浆中的砂质成分和泥质成分在地聚物基絮凝-固化作用下,可分别形成性能良好的壁后注浆砂浆和流态填料。针对智能化程度低的问题,提出了基于点云、图像、近红外光谱的融合算法,从而提高渣浆处理工艺的智能化程度。该研究服务于超大直径泥水盾构渣浆的处理与利用,可为相关工程提供参考。

土岩复合地层大直径泥水盾构穿越沉降敏感带扰动控制技术分析

地铁建设由于线路形式的特殊性,不可避免要穿越房屋、桥梁、管线、复杂地层及其他重要建筑物,因此复合地层条件下盾构施工过程中扰动控制技术分析尤其重要。针对大直径泥水盾构穿越敏感带时开挖面稳定性进行了数值模拟分析,研究了开挖面失稳流固耦合规律,并对不同支护压力下的开挖面变形进行了深入探讨。结果表明:完全流固耦合模拟开挖面失稳过程中,开挖面附近孔压下降梯度明显,远场孔压波动较小,基本保持为初始状态静水压力;并且随埋深的增大,开挖面的极限支护压力比逐渐减小,而开挖面稳定性逐渐增加。研究成果可为类似地层盾构施工提供参考。

超大直径盾构隧道结构健康监测设计与实践

通过调研国内工程案例,以北京东六环改造工程超大直径盾构隧道为例,针对复杂地下空间环境、高压富水、高致密砂层的特殊环境及超大直径、深覆土等工程特点,针对性地提出了盾构隧道健康监测内容、监测断面、监测点布设及方法、监测系统平台与管理要求,最终构建了完整的结构健康监测系统,实现了对东六环盾构隧道结构健康状态的实时评价与预警。设计实践经验可为类似工程提供参考。