未确知测度理论在盾构下穿既有隧道安全风险评价中的应用

盾构下穿既有隧道工程施工通常存在较大风险,为了对风险等级做出准确有效的评价,提出了基于未确知测度理论的盾构下穿既有隧道安全风险评价模型。首先,通过对相关规范和现有文献的研究,并结合盾构下穿隧道施工的特点,构建了盾构下穿既有隧道安全风险评价指标体系,包括盾构掘进参数、新建隧道条件、既有隧道条件、地质条件和施工管理条件5个一级指标,以及掘进速度、掘进推力、注浆压力等19个二级指标;其次,将综合安全风险划分为5个等级,并明确了各指标的等级划分标准;然后基于熵权-未确知测度理论构建盾构下穿既有隧道安全风险评价模型,采用熵权法确定指标权重,根据未确知测度理论构建各指标的单指标未确知测度函数,将各指标数据值代入单指标未确知测度函数中得到单指标测度评价矩阵,结合指标权重和单指标测度评价矩阵计算得到多指标测度评价向量,依照置信度准则确定安全风险等级;最后,将提出的模型应用于实际盾构下穿既有隧道工程中,对其进行安全风险等级评价。结果表明,模型评价结果与实际风险等级一致,并通过与模糊层析分析法对比验证了所提模型应用于工程实践的有效性,研究结果可为实际施工安全管理提供决策支持。

超高性能混凝土加固盾构隧道结构试验与数值研究

在应用超高性能混凝土(UHPC)加固既有盾构隧道的基础上,提出优化的钢板-UHPC组合加固方法。将钢板作为隧道内衬并在钢板与管片之间填充UHPC,采用植筋、化学锚栓以及栓钉等作为界面连接件,形成共同受力的整体。开展极限承载力足尺试验并建立非线性数值模型,探究组合加固结构的破坏机理以及影响受力性能的关键因素。结果表明,组合加固结构破坏模式具有较好的延性特征;组合加固结构刚度主要受管片及加固体刚度控制,承载力水平主要受管片强度控制,极限承载力相比UHPC加固结构提升28%;极限状态下,顶部和腰部等位置的钢板发生屈服、主筋受拉屈服。数值参数分析结果表明,组合加固结构性能指标受加固层厚度和界面黏结性能影响较大,可适当增大钢板厚度并保证界面连接件的数量。

黄土盾构下穿不同地下非连续管线的模型试验

针对城市盾构隧道施工下穿既有输气管线引起管线沉降与受力问题,以河南省某在建高速公路为工程背景,进行室内模型试验和有限元数值模拟.考虑不同非连续管线接头间距、接头刚度和管隧间距的影响,探讨管隧正交工况下,隧道开挖对非连续管线沉降、弯矩及管土接触应力的影响.研究结果表明:黄土盾构正交下穿管线存在沉降集中区,在该区范围内,管线接头与管段相对刚度比的大小对管线平均沉降增长速率影响较大,相对刚度比由1.30减小至0.21,非连续管线平均沉降增长速率增大1.5倍;相对刚度比相对大小对非连续管线沉降和弯矩起到决定性作用;通过定义非连续管线综合刚度比,揭示不同综合刚度比下非连续管线最大沉降变化规律和管线最大正负弯矩相对变化规律,其中综合刚度比与管线最大沉降服从3次多项式拟合函数,管线的最大正弯矩值随着最大负弯矩值的改变服从4次多项式拟合函数;管线的管土接触应力变化均呈现“双峰型”变化,管土接触峰值应力随着接头间距的增大而增大;数值模拟表明,管线最大沉降随着管隧间距增大而呈现折线型减小,该转折点出现在管隧间距与隧道开挖直径比为1处.

城市地下空间盾构隧道穿越工程研究综述

对盾构隧道穿越既有地铁线、各类建筑物桩基、地下管线等穿越工程研究动态进行归纳总结,讨论有待解决的主要问题及未来重点研究方向。首先,深入探讨盾构隧道穿越工程在复杂城市地下环境中面临的地质条件多样性、地下结构物复杂性及施工过程中可能引起的地层变形和结构损伤等问题。其次,阐述关于盾构隧道穿越复杂地下环境的研究成果,总结不同研究方法和监测手段在解决盾构隧道施工引起地下结构变形和安全问题中的应用情况,并讨论其优缺点。最后,归纳盾构隧道穿越工程引起结构变形问题的控制难点,从盾构隧道掘进参数和注浆控制、既有建筑物加固措施、监控量测等方面提出控制结构变形的可行方案。

隧道盾构管片非接触式全周形貌测量方法研究

针对隧道盾构管片几何质量检测的需求,提出了非接触式全周形貌测量方法。首先,遥控移动载体移动至测点,投影仪投射散斑图像,工业相机捕获并计算得到的点云数据;然后,采集多个测点;最后,将各局部点云数据进行拼接,获得被测物体的全周形貌。该快速半自动的检测方法可获得隧道盾构管片全周尺寸,精度达到0.2%。

TBM盾构管片台柱型定位销设计制备技术研究及工程应用

全断面硬岩隧道掘进(TBM)施工过程中同一断面内的相邻两个衬砌管片之间需要进行连接,若拼接施工存在问题或定位销出现变形,会引起盾构管片的上浮和错台。文章分析了传统定位销存在的缺点及施工方面的不便,设计了一种新型的定位销,对管片模具及预埋方式进行了修改,并对定位销的承载性能进行了研究。研究结果表明,将原来的纺锤形结构改为台柱结构,设置有多圈凸纹,可以有效增大定位销与定位销孔之间的摩擦力,方便施工和便捷安装。控制注塑材料的抗拉强度不低于80 MPa,制备而成的台柱定位销剪切强度达到了420.0 MPa以上,具有很高的力学性能。所制备的定位销在某引水隧洞工程中进行了工程应用,降低了TBM管片的制作难度及定位销的安装难度,取得了良好的工程效果。

某盾构隧道下穿引起建筑基础沉降数值分析

本文以某城市地铁盾构隧道工程为背景,采用三维数值模拟方法结合现场实测数据对盾构施工后上部建筑基础沉降规律进行研究分析。根据盾构隧道轴线与建筑基础相对位置对不同隧道下穿方式引起的上部基础平均沉降量与差异沉降量进行统计与计算分析,实测和计算结果均表明:盾构隧道在侧下穿上部建筑时,其基础平均沉降与正下穿工况下较为接近,但是其基础差异沉降和倾斜程度较大。本案例中侧下穿时基础每延米沉降差约为正下穿时的3倍左右,实测沉降数据分布与计算结果较为一致,研究方法和结论可作为相似隧道工程中沉降控制的参考依据。

基于多层感知机技术的地铁盾构施工参数预测

在地铁工程建设中,盾构法施工技术已经得到了广泛的应用,盾构掘进参数的合理预测对提高施工安全性及降低操作难度具有较大实际意义.以中国杭州机场快线地铁隧道某标段为工程背景,以隧道直径范围内土层摩擦角、黏聚力、压缩模量、重度以及隧道顶部埋深、盾构机预设刀盘转速、推进速度作为输入,以盾构施工时的注浆量、注浆压力、出土量、总推力和刀盘扭矩为输出,建立基于多层感知机的盾构掘进参数预测模型.通过对比不同超参数组合情况下的模型在数据集上的预测表现,挑选出适合于该工程盾构施工参数的预测模型.使用实测数据对模型预测效果进行验证,预测值与实测数据总体变化规律一致,平均误差在20%以内.建立的多层感知机模型预测结果较为合理,具有较好的预测精度,可用于复合地层条件下同类型盾构掘进参数的预测.

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.

地铁盾构施工过程中底部管片的上浮机制研究

为研究地铁盾构隧道施工过程中底部管片的上浮现象,文章按照管片拼装、千斤顶顶推、同步注浆及注浆浆液凝结4个盾构施工阶段对底部管片的上浮进行分阶段理论分析。通过理论分析可得,底部管片的上浮现象属于局部上浮,对底部管片在同步注浆阶段进行力学分析,主要考虑动态上浮力、环间阻力、粘滞阻力和重力之间的相互协同作用,利用分离变量的方法推导出底部管片的上浮量计算公式,并依托深圳地铁13号线某区间的工程实测数据对管片的上浮量进行计算,验证底部管片上浮量计算公式的科学性。研究表明:底部管片的上浮阶段按其发展状况分为上浮量突增阶段、上浮量缓慢增加阶段和上浮量逐渐稳定阶段。通过控制变量的方法对注浆压力、注浆材料水胶比分别对上浮量的影响进行分析,依据分析结果提出科学有效的上浮控制措施,研究成果可为盾构隧道管片抗浮设计及安全施工提供一定的技术依据。

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。

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。

盾构隧道内堆载对基坑开挖引起的隧道上浮量的控制效果研究

基坑开挖会引起下卧盾构隧道产生上浮,隧道内堆载可以有效控制上浮量。本文采用两阶段方法,推导隧道内堆载措施下基坑开挖引起的盾构隧道上浮量计算公式。首先,基于影像源法计算基坑开挖坑底隆起引起的隧道附加应力,采用能够考虑土质条件的方法计算得到隧道内堆载引起的隧道附加应力,叠加得到总的附加应力;其次,采用转动与错台协同模型计算得到隧道受力与变形;使用Midas有限元软件对具体工况进行三维建模,并将隧道纵向隆起量数值模拟结果与公式计算结果进行对比。研究结果表明:本文方法计算结果与有限元模拟结果较吻合,验证了本文方法的合理性;假设基坑开挖长度为L,最佳堆载范围为距离堆载中心±L/3范围内,超出最佳范围时堆载控制效果减弱;土体内摩擦角对隧道变形影响较大,土体内摩擦角越小,堆载对隧道变形的控制效果越好。

渗流条件下曲线盾构隧道开挖面稳定性分析

为研究渗流条件下曲线盾构隧道开挖面稳定性,在筒仓理论和极限平衡法的基础上,对传统楔形体模型进行改进,建立了斜梯台-楔形棱柱体模型,推导出受渗流作用影响的浅埋曲线盾构隧道开挖面极限支护力的解析式,通过数值模拟及工程实例对模型结果进行了验证,并进行了参数影响分析。研究发现:在渗流条件作用下,渗流力构成了浅埋盾构隧道开挖面极限支护力的重要部分,本工程地质情况下,渗流力最高可占极限支护力的46%,且渗流力受地下水位的影响较大。本研究模型理论计算结果与数值模拟结果较为接近且误差在5%以内,证明本研究所提出的三维计算模型的合理性,实际施工中为保障工程安全,盾构隧道实际支护力大于极限支护力理论值,本研究公式解可为实际工程施工提供支护力参考值。曲线隧道极限支护力与土体内摩擦角、黏聚力及线路半径均呈负相关趋势,当隧道线路半径小于300 m时,隧道极限支护力波动幅度较大,而当线路半径大于600 m时,开挖面极限支护力逐渐接近直线隧道。在急曲线盾构隧道及不良地质情况下施工时需注意及时调整盾构参数来维持隧道开挖面稳定。

基于博弈论与可拓云的盾构掘进安全稳定性评价

为了研究对盾构掘进安全稳定性评价过程中各评价指标间的模糊性、随机性和各个指标的权重问题,选取地面沉降、建筑物沉降、河堤沉降、管线沉降以及管片沉降等监测数据作为评价指标,采用博弈论、层次分析法和熵值赋权法进行了组合赋权,通过可拓云模型计算评价指标的期望、熵和超熵,运用Matlab计算并绘制了各评价指标的云滴图。最后,将博弈论赋权结果与可拓云模型计算结果相结合,构建了盾构掘进安全可拓云综合评价模型,对实际工程案例中19组监测数据进行了安全稳定性评价,并与模糊综合评价结果进行了对比。结果表明:案例中盾构隧道区间安全稳定性评价指标的重要性排序依次为建筑物沉降、管片沉降、地面沉降、管线沉降和河堤沉降;综合评价结果为8个Ⅲ级,4个Ⅱ级,7个Ⅰ级,其中,对于Ⅱ级和Ⅰ级数据组附近需采取相应的预防措施;评价模型能够反映各指标之间的不确定性关系,避免了单一赋权的片面性,相较于模糊综合评判其计算结果更符合客观实际情况。综合上述研究提出了一种基于博弈论理论与可拓云模型相结合的综合评价方法,为盾构施工安全评价提供了新的方法和思路。

基于改进NSGA-Ⅱ算法的盾构机掘进参数多目标优化

基于福州滨海快线工程,建立盾构机掘进参数多目标优化模型;根据NSGA-Ⅱ算法在初始种群的分布和寻优速度上的不足之处,运用正交试验法对NSGA-Ⅱ算法进行改进;以中风化花岗岩地层为例进行多目标优化,分析算法改进前后的优化性能及掘进参数多目标优化结果,得到最优掘进参数组合。结果表明:优化后的盾构平均掘进比能降低6.29%,平均掘进效率提升7.19%,平均边缘滚刀单位距离磨损量下降2.37%。优化后的盾构刀盘性能得到较大提升,证明该优化模型可行有效。

钻遇复杂溶洞群注浆处置材料室内试验研究

以潇水某盾构掘进工程段为案例,研究解决岩溶地质条件下注浆材料配比的关键问题。在试验前期使用粘土、砂石和水泥等原料开展了一系列预实验,在此基础上通过就地取土的方式进行膏浆配比因素的正交试验。试验结果表明,干土和水胶比是对膏浆抗压强度影响最大的因素;膏浆坍落度的主要影响因素是水胶比,而干土和砂的掺量对坍落度的贡献相当;在抗压强度方面,贡献度依次为水胶比>干土>砂。综合考虑膏浆性能参数和经济性,建议选用6号(A2B1C3)膏浆作为本次施工的填充注浆材料。研究结果表明,利用施工现场的粘土和机制砂制备膏浆可以满足设计院对岩溶填充材料的性能指标要求。

泥水盾构隧道地层渗透压力的确定及规律研究

泥水盾构隧道施工中的地层渗透压力是设定开挖仓泥水压力等施工参数的主要依据之一。为提高地层渗透压力计算的准确性,开展泥水盾构隧道地层渗透压力的确定方法及规律研究。考虑土体开挖、泥水支护、壁后注浆等施工因素,建立模拟泥水盾构施工动态过程的三维流固耦合模型,分析盾构掘进和同步注浆等施工作业以及地层情况对地层渗透压力的扰动范围和扰动程度,基于此提出泥水盾构隧道地层渗透压力的修正公式。结果表明:当注浆压力为200~500 kPa时,盾构施工对地层渗透压力的最远影响范围为距离开挖面前方4.5环处;在相同注浆压力下,对岩层渗透压力的扰动范围最大,砂土层次之,黏土层最小;采用修正公式得出的地层渗透压力计算值与实测值变化趋势基本一致,验证了修正公式的合理性。

复杂环境下城际铁路大直径双模盾构选型技术及应用

为研究复杂地质环境下大直径双模盾构选型技术及应用效果,以深大城际机场东站—黄麻布站区间为依托,首先分析了该区段的工程重难点和施工风险,结果表明:该区间需穿越长距离硬岩地层和部分软土地层,下穿多处重要建构筑物和穿越多条构造破碎带和节理密集带,施工风险高、难度大。因此,为兼顾盾构机在硬岩地层的掘进效率和软土及不良地质条件下的地层稳定,综合选用EPB(earth pressure balance)/TBM(tunnel boring machine)双模盾构机,并根据施工重难点对盾构机结构和功能系统进行了针对性设计。最终,对该盾构的现场工程应用进行了效果评价。结果表明:所选的EPB/TBM双模盾构能较好地满足工程需求,确保了盾构机掘进的安全性和高效性。研究成果可为其他类似条件下的双模盾构机选型提供参考和指导。

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。