大连富水复合地层盾构施工关键技术探讨

富水复合地层已成为盾构施工过程中经常遇到的复杂地层条件之一,研究该地层条件下的盾构施工技术具有较大的应用价值。文章以大连市地铁2号线为工程背景,论述了盾构选型和盾构始发等施工技术;并针对盾构施工过程中出现的复合地层长距离小半径掘进、富水碎裂带掘进、硬岩掘进刀具控制等工程难点,分别从隧道轴线控制、掘进速度控制、刀具管理制度等方面提出了相应的应对措施。工程实践证明,经过严格选型的盾构适合大连的地质条件,而且对于富水复合地层具有较好的适应性,满足了本标段区间盾构施工要求。

盾构电液控制系统实验平台液压系统设计与研究

该文以盾构电液控制系统实验平台为研究对象,对其刀盘\管片拼装机\螺旋输送机负载模拟和驱动液压系统、推进控制模拟液压系统和多自由度管片拼装运动控制液压系统进行了方案设计及其主要参数的计算。通过仿真分析得出,所设计的液压系统具有较好的动静态控制特性,能够满足实验平台的控制要求。

稳态渗流条件下盾构隧道松动土压力计算模型研究

越江海或地下水丰富的盾构隧道在长期使用过程中渗水情况时有发生,由此引起的渗流场对隧道顶部荷载的影响是不容忽视的,但现有的松动土压力计算理论很少考虑渗流效应,对此提出了稳态渗流条件下的盾构隧道松动土压力计算模型.考虑盾构隧道处于稳态渗流状态,基于复变函数的映射变换,推导了隧道覆土内的孔隙水压力与渗流力表达式;引入小主应力轴旋转理论,得出了相应的侧压力系数计算公式;基于太沙基土拱效应分析模型,在渗流作用与主应力轴旋转效应分析的基础上,采用极限平衡法建立了竖向应力的微分方程,给出了盾构隧道顶部的有效松动土压力解析解答,分析了关键参数对计算结果的影响,并与有限差分软件FLAC的模拟结果进行了对比验证.研究结果表明:渗透系数相对值越大,隧道拱顶的有效松动土压力越大,但渗透系数相对值增大到一定程度后,该值的变化对于土拱效应影响很小;管片内侧水头恒定时,隧道拱顶的有效松动土压力随着渗流量的增加而减少;地表水头高度越大,隧道顶部的有效松动土压力越小;地表水头高度一定时,管片内侧水头高度的增加会削弱隧道顶部土拱效应;拱顶土体的位移越大,土拱效应越强;本文模型计算结果与FLAC模拟结果吻合良好,验证了本文模型的有效性.

利用PLSR-DNN耦合模型预测TBM净掘进速率

科学预测隧道掘进机(TBM)净掘进速率,对于隧道(洞)工程施工方法选择、施工进度安排以及成本估计具有重要意义。鉴于TBM施工过程具有高度非线性、模糊性和复杂性等特征,为提高TBM净掘进速率的预测精度和计算效率,采用偏最小二乘回归(PLSR)提取影响参数主成分,再利用深度神经网络(DNN)进行训练预测,提出了一种基于PLSR-DNN耦合方法的TBM净掘进速率预测模型。基于兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工实测数据,选择岩石单轴抗压强度、单轴抗拉强度、刀盘推力、刀盘转速、岩体完整性系数和岩石耐磨性指数,共6个影响参数,验证了模型预测的合理性,并对不同预测方法的拟合精度和预测精度进行了对比分析。研究结果表明:(1)偏最小二乘回归可有效克服自变量之间的多重共线性问题,将提取的主成分作为深度神经网络的输入层进行训练,简化了神经网络结构;(2)PLSR-DNN耦合预测模型避免了过拟合与拟合不足问题,具有收敛速度快,求解稳定和拟合精度高等特点;(3)PLSR-DNN耦合预测模型平均相对拟合误差2.96%,平均相对预测误差3.27%,其拟合精度和预测精度均明显高于偏最小二乘回归模型、BP神经网络模型以及支持向量回归(SVR)模型。

深埋长隧道TBM施工关键问题探讨

针对深埋长隧道开挖所面临的高水压、高地压、高地温、大变形、难支护等问题,分析总结传统钻爆法开挖与支护技术、全断面隧道掘进机(TBM)施工技术、TBM导洞扩挖技术应用中的优劣,TBM导洞扩挖法为深埋长隧道开挖提供了新的设计思路。由于深埋长隧道的建设环境与浅埋隧道建设环境存在显著差异,TBM施工将面临3个关键问题——岩爆问题、卡盾(大变形)问题和未准确探测前方地质而发生的施工事故(涌水、突泥等)。为揭示TBM施工过程中卡盾的存在性,分别针对某一特定地质条件下深埋软、硬岩TBM施工进行理论分析和数值模拟研究。结果表明,软岩地层TBM施工发生卡盾,而硬岩完整地层TBM施工未发生卡盾。

盾构刀盘参数化建模系统开发

为满足设计人员快速完成盾构刀盘设计,采用CATIA三维建模软件和Visual Basic进行盾构刀盘参数化建模的方法,参照此方法可以完成盾构刀盘参数化建模系统的开发。通过建模系统,根据盾构施工的边界参数、材料参数和刀盘关键参数可快速生成盾构刀盘模型,在一定程度上缩短了刀盘的设计时间,减少了设计人员的劳动强度。

借助局域网运用CATIA对盾构刀盘协同设计的方法

结合盾构刀盘设计,详细介绍了一个工作团队、多个设计人员抛开常规的协同设计方法而采用CATIA三维建模工具在局域网平台上进行协同设计的方法,为设计人员对复杂的大型装备进行协同建模设计提供了借鉴,也为设计部门技术资料管理提供了参考。

砂土地层泥水盾构开挖面孔隙变化特征理论研究

为保证开挖面的稳定,泥水盾构压力舱中的泥浆必须及时在开挖面土体表层形成泥膜,泥浆压力才能有效平衡地层中的水土压力。在考虑泥浆渗滤效应的基础上,建立了砂土地层泥水盾构开挖面泥浆恒压渗透模型,分析了渗透时间、泥浆浓度、泥浆压力和地层初始孔隙率对土体孔隙率及泥浆成膜的影响。结合刀具周期性切削作用,总结了泥浆反复渗透引起的开挖面表层土体孔隙率变化规律。基于刀盘、刀具布置形式和盾构掘进参数,分析了盾构掘进期间开挖面支护机制。结果表明:在无刀具切削作用时,泥浆渗透规律主要受到泥浆和地层特性影响;在刀具周期性切削作用下,在相同的切削深度下,刀具切削周期越短,泥膜在开挖面上越难形成;刀具较小的纵向切入速度有利于开挖面上更快形成泥膜;适当减少刀盘上同一轨迹刀具布置数量,降低盾构掘进速度和刀盘转动速度,有利于盾构掘进期间开挖面上泥膜存在面积的增大,对开挖面稳定起到积极作用。

基于DE-BP神经网络的盾构推进液压系统故障诊断

针对盾构机推进液压系统结构复杂与高度非线性,难以建立准确数学模型等问题,提出一种基于差分进化算法(differential evolution,DE)和BP神经网络融合的模型,用于盾构机推进液压系统故障诊断。利用BP神经网络完成系统各故障输入到故障类别输出的非线性映射,同时采用DE建立系统故障诊断模型并加快收敛速度。通过AMESim仿真软件搭建6 450mm土压平衡盾构机推进液压系统模型,修改液压元件模型参数,仿真7种故障类型,验证诊断算法的有效性。结果表明,该诊断模型输出层节点误差在0~8%的范围内,能够准确识别推进液压系统故障的类型,实现故障诊断。DE能有效提高BP神经网络的收敛速度,将故障类型的识别精度提高29%。

海底泥水盾构最小带压进仓压力计算

最小带压进仓压力值是泥水盾构带压进仓检查与换刀的最重要参数,合理的最小压力值是保证人员安全、施工安全的基础。区别于陆域段泥水盾构施工坏境,海底泥水盾构隧道承受更大水压力,且海水成分与淡水成分差异明显,因此计算海底泥水盾构最小进仓压力值时应针对性选择计算方法和计算参数。提出了两种泥水盾构最小进仓压力值计算方法,依托国内首条海底地铁隧道——厦门轨道交通2号线跨海段工程计算最小带压进仓压力值,并与实际压力值进行了比较。研究结果表明:针对海底泥水盾构,采用经验公式得到的计算结果与实际较为接近,而采用改进楔形体模型的数值法计算结果偏小。

琼州海峡隧道超大盾构关键技术初探

结合琼州海峡隧道超大埋深、超高水压、超大断面、特长距离及地质复杂多变的特点,通过对大埋深超大直径盾构的国内外发展现状的分析,提出了适用于琼州海峡隧道大埋深超大直径盾构所需要解决的关键技术。

卸荷条件下灰岩力学特性研究

较加载状态相比,卸荷条件下岩石的力学性质有明显的区别。在对拟建引水隧洞的灰岩(Oh3–3)岩样进行常规三轴与卸荷三轴试验的基础上,对试验结果进行对比,结果表明:(1)Oh3–3灰岩岩样的卸荷破坏特征以向卸荷方向发生侧向变形和体积扩容为主。(2)灰岩岩样在卸荷状态下脆性特征较加载状态下明显。在卸荷试验中,峰值强度之后岩样表现出明显的脆性特征。若在此岩体中进行地下工程开挖,岩爆现象的发生是不可避免的。(3)灰岩岩样在卸荷条件下得到的抗压强度明显小于常规三轴条件下的强度值。在本次试验围压范围内,峰值强度最大降低25.65%,残余强度最大降低73.15%。(4)灰岩岩样在卸荷条件下得到的抗剪强度与常规加载条件下得到的值相比,黏聚力c的峰值强度和残余强度均有所降低,内摩擦角?的峰值强度和残余强度有所增加。(5)卸荷状态和加载状态下,Oh3–3灰岩岩样的变形模量E50和泊松比μ与围压σ3均呈二次相关性,区别在于变形模量E50与围压σ3的关系表现为先减后增,而泊松比μ与围压σ3的关系呈先增后减趋势。

某运营地铁区间浮置板道床隆起原因分析及整治措施

某已运营近2年的地铁区间浮置板道床出现隆起、下沉情况,针对该类型道床隆起原因及处理方法进行了分析,确认浮置板道床基层与仰拱填充层之间存在空腔,地下水在空腔中形成压力,导致道床发生隆起。为了防止道床面继续发生隆起,采取了钻孔放水降压、注浆填充空腔、将道床及衬砌与基岩锚拉等措施对浮置板道床进行综合治理,达到了预期治理目的。

考虑排水条件和粗料含量的砂砾石土动残余变形特性

采用改进的GDS循环三轴试验系统对5种级配的饱和砂砾土在不排水、单面排水和双面排水条件下进行了动残余变形试验,系统研究粗料含量P_5(粒径大于5 mm颗粒质量百分比)和排水条件对饱和砂砾土动残余剪应变和动残余体应变的影响。试验结果表明:动残余剪应变随粗料含量和排水面数的增加而显著降低;循环加载30周产生的不排水动残余剪应变是单面排水条件下动残余剪应变的2~3倍,是双面排水条件下的4~9倍。砂砾土的动残余体应变随粗料含量增大而减小,随着排水面数的增加而增大;双面排水动残余体应变是单面排水动残余体应变的2.0~2.5倍。

泥水复合盾构过软硬不均地层关键技术研究及应用

根据台山核电站取水隧洞采用9.03m泥水复合式盾构开挖工程的实际情况,采用水下爆破的方法将岩体爆碎为30cm以下的碎块,为了满足盾构掘进过程中保压和防止地层塌陷,采用改进的袖阀管注浆工艺将爆破松动地层进行注浆加固。在爆破和注浆成孔过程中,经过研究采用多种钻机交替施工、双重套管配合使用的新颖施工方法。爆破后按爆破孔数的3%进行了取芯验证,碎块的直径最大为25cm左右。通过上述一系列的技术措施,盾构顺利通过软硬不均段地层,为类似工程提供了宝贵的经验。

平端压头静力侵入岩石的数值研究

在对实际试验条件做合理简化的基础上,进行了平端压头侵入红砂岩的模拟研究。首先根据FLAC3D接触面理论建立接触面单元。然后,将基于应变等效的损伤模型引入仿真,对模拟过程进行了分析。最后,通过对比仿真和试验结果,分析压头尺寸和加载速率对压头侵入的影响。平端压头静力侵入岩石的结果与试验观测吻合。由仿真结果可知:岩石是由压头下端密实核外围剪切膨胀引起裂纹扩展破坏的,压头半径越大越难于侵入,并且压头半径与载荷存在近似线性相关,加载速率对侵入功有影响。

预留切槽红砂岩的楔形压头侵压试验研究

目前对静压破岩机理的试验研究多为经典侵压试验,对刀具破岩产生的压痕切槽对后续周边刀具破岩的影响问题研究较少.为了获得最优刀间距,研究如何采用预切槽技术降低刀具工作推力等问题,采用楔形压头对预留切槽岩石的侵压试验,重点研究了不同切槽间距对楔形压头破碎参数的影响,并开展了不同切槽深度对压头跃进破碎的影响研究.研究结果表明,岩石破碎时,楔形压头推力与切槽间距对数相关,楔形压头破岩量与切槽间距高度线性相关.

盾构液压系统设计与仿真

以盾构电液系统检测实验平台为研究对象,对其刀盘、管片拼装机、螺旋输送机负载模拟和驱动液压系统、推进控制模拟液压系统和多自由度管片拼装运动控制液压系统进行了方案设计和主要参数计算。通过仿真分析得出,所设计的液压系统具有较好的动静态控制特性,能够满足实验平台的控制要求。

砂土地层中泥水盾构掌子面主动破坏模式试验研究

为研究砂土地层中泥水盾构掌子面主动破坏模式及极限支护力规律,设计一套基于粒子图像测速(PIV)等非接触测量方法的泥水盾构圆形掌子面稳定性控制模型试验系统。试验系统通过降低柔性压力室的水压来模拟泥水盾构掌子面的泥水压力失衡条件,利用PIV等非接触测量手段获取掌子面的位移、剪应变等变形过程,并通过监测水压获取泥水支护力的变化过程,实现对泥水盾构掌子面破坏过程的模拟。对3种埋深比(C/D=0.5,1.0,2.0)下的掌子面破坏模式及极限支护力规律进行一系列的模型试验研究,试验结果表明:泥水支护力降低过程中,掌子面的变形可以分为4个阶段,其中第3阶段末掌子面处于极限平衡状态,对应的泥水支护压力为极限泥水支护力;随着泥水支护力的降低,掌子面变形逐渐向地表扩展,当埋深比较小(C/D=0.5)时,临界破坏时的失稳区已经扩展到地表,而埋深比较大(C/D=1.0和2.0)时,临界破坏时的失稳区尚处于地基内部;Soubra和Mollon理论模型中的破坏模式及极限支护力更接近于模型试验得到的结果。

砂砾土颗粒三维形态分布特征及其离散元模拟

砂砾土是一种典型的具有非均质性、非连续性及构成结构效应的砂-砾混合料,混合料中砂粒与砾粒的接触状态对其力学特性影响显著.使用图像处理技术提取了砂砾土中不同粒径砾粒的三维尺寸(长轴长度、中轴长度、短轴长度以及长短轴比)和棱角系数,研究了三维尺寸和棱角系数的均值、标准差和统计分布,结果表明其具有统计自相似性特点.采用多面体和棱角系数来共同描述砂砾土颗粒三维形态.基于PFC3D(Particle Flow Code)颗粒流离散元计算程序,提出了砂砾土颗粒三维形态的离散元生成算法,模拟了砂砾土的三轴排水剪切试验过程,通过与室内试验结果的对比分析验证了模型方法的有效性.试验结果从细观机理层面揭示了砂砾土试样在排水剪切过程中颗粒运动规律以及颗粒间接触力链分布,有助于理解和解释混合料的非线性力学行为.