土压平衡盾构反扭矩的分析和计算

盾构是土质隧道（洞）全断面开挖的高效、环保、安全、优质的地下工程施工机械,在国内城市地铁建设中已被广泛应用。盾构的始发掘进是盾构施工的关键技术之一,通过对盾构正常掘进和始发掘进的分析,引用土力学的基本原理,建立土压平衡盾构在这两种掘进模式下的力学模型,给出了土压平衡盾构在这两种掘进模式下的阻滞力矩计算公式,并对盾构正常掘进模式下阻滞力矩的构成和作用进行了分析。研究结果表明,正常掘进模式下,洞壁产生的阻滞力矩足以克服盾构刀盘刀具切削土体产生的反扭矩;而盾构在始发掘进时,必须在其托垫与其盾壳间采取防扭转措施。以在施工的某土压平衡盾构隧道工程为例,对所建立的公式进行了应用研究,取得了良好效果,可为土压平衡盾构的设计和应用提供参考。     

软土地区盾构施工参数对土体位移影响的滞后性试验研究

由于软土地区深部地层超孔隙水压等因素存在,调整盾构参数对土体位移的影响往往具有一定的滞后性,该时段施工参数调整效应并不完全发生在当前时段,更多影响该断面土体的后期位移。在上海软土地区盾构施工现场设置两相同断面监测土体位移,在盾构施工不同阶段调整关键施工参数,分析各参数对土体位移扰动的时效性。在盾构靠近监测断面前调整土仓压力,穿越断面时调整掘进速度,在盾尾脱出时调整注浆量。通过监测数据以及关联系数时间效应分析得知,在盾构穿越断面时土体位移受前期调整的土仓压力的扰动影响,盾尾脱出时的土体位移体现穿越断面掘进速度所引起挤土效应改变,而后期固结阶段土体位移量体现出盾尾脱出时注浆量增大所带来稳定控制效应。因此,施工时不仅需关注当前土体变形,还应对参数调整后土体变形趋势预测给以足够重视,以避免因忽略滞后效应而导致事故发生。     

砂卵石地层条件下盾构掘进机理与实践

本书以成都地铁1号为工程案例,系统研究砂卵石地层地质力学特性、盾构选型、掘进参数及其掘进性能的影响因素。根据国内外研究现状,对当前隧道掘进机进行了科学的分类。结合现场实验及室内实验分析了该类地层的力学不稳定性,特别探讨了导致盾构掘进性能低下原因。同时,介绍了专为该类地层开发的数据模型生成系统,进行了卵石空间形态对力学性能影响的深入探讨。并推导该类地层力学特性的理论计算模型,通过数值方法进行了验证。本书既介绍了隧道掘进机分类、盾构选型依据、盾构选型方法及盾构掘进参数优化过程,又阐述了卵石地层的力学特性。第1章成都地铁1号线概况;第2章成都地铁盾构掘进性能及影响因素分析;第3章卵石土性能试验研究;第4章混合材料数值模型生成算法与程序设计;第5章卵石空间、几何特性对混合体变形性能的影响;第6章卵石土混合材料变形性能理论预测模型推导;第7章理论强度预测模型在盾构中的应用。参考文献。     

软土地区盾构掘进速度对地层扰动现场试验研究

针对上海软土地区盾构隧道工程,在盾构穿越监测断面全过程调整掘进速度,观察监测断面的水、土压力以及地层稳定性变化。根据实测并结合土体固结比、承压水等地层土性影响,运用土体扰动机制综合评定掘进速度改变的影响规律。分析表明,盾构在软土地区4倍直径(D=6.2 m)埋深地层中施工,在盾构土舱压力、注浆量等参数均不变的条件下,仅调整千斤顶推进速度变化对土体压力及变形的扰动效应有较大影响。盾构推进速度降低会使水、土压力的扰动空间范围减小、扰动所产生的压力增量减小,也使地表隆沉变化值更稳定。相应变化值由埋深和推速降低比例决定。试验为今后判断软土地区4D埋深盾构掘进速度扰动效应提供参考。     

双圆盾构掘进施工扰动土体附加应力分析

应用弹性力学Mindlin解建立了双圆盾构掘进引起土体附加应力积分表达式。运用复化Gauss-Legendre数值积分公 式,定量分析了双圆盾构正面推力、盾构与土体侧摩阻力对土体扰动的程度及范围。分析表明,双圆盾构掘进对土体扰动具有区域性特征,盾构机上部表现为背土挤土,侧面则表现为挤压剪切效应,并且侧摩阻力对土体的扰动程度更大。所得结论对于双圆盾构穿越临近地下管线或建筑物桩基的施工提供理论依据。     

盾构近距离穿越施工的工作面土压力研究

盾构近距离穿越已建地下构筑物位移场的影响因素及其敏感性与常规施工有较大的不同。结合上海地铁四号线隧道超近距离穿越运营地铁隧道的工程实例发现当盾构接近上方近距离（净距为1.05 m）地铁隧道时地层土压力发生较大变化,相应的盾构土舱管理压力需作相应调整。根据隧道受荷机理及弹性力学原理,找到了这一问题的理论依据,便推导了相关理论公式,并在实际工程中设计了盾构土仓管理压力分步台阶控制方案,对盾构控制起到了很好的指导作用,成功地将地铁位移控制在5 mm之内。土压力实测结果与理论推算的数值大小及分布相当接近,说明所采用的理论方法是正确可靠的,在盾构超近距离穿越施工中具有重要指导意义。     

斜井盾构掘进时富水围岩变形特性模拟分析

在富水软岩地层中进行盾构掘进施工过程时,围岩应力状态会发生变化。准确掌握其变化规律,有利于采取合适的处置方法,避免发生斜井垮塌涌水和卡盾抱箍等工程事故。以往研究一般只考虑盾构、斜井和软岩中的一个或两个条件,也未对有无渗流两种工况进行对比,并较少涉及不同埋深条件下坡度的影响。文章采用有限元计算模型研究盾构在富水软弱地层中掘进过程中围岩的力学特性,通过选择若干观测断面进行监测,得出软岩整体呈现“横鸭蛋式”椭圆形变化趋势,且顶部比两侧和底部更容易受到施工扰动,在渗流条件下该趋势得到加强;设定5种埋深和5种斜井坡度条件,模拟盾构在掘进过程中不同条件下顶部和侧向监测点的位移,结果显示:盾构洞周拱顶竖向位移一般大于两侧水平位移;当斜井纵坡坡度<4°时,盾构顶部监测点竖向位移与侧向监测点水平位移相差较小,但均随斜井埋深的增大而增大;坡度超过4°后,盾构掘进引起的顶部竖向位移与侧向水平位移间差值随着埋深的增加而逐渐增大。     

复合地层盾构的适应性及掘进参数的关联性分析

复合地层在开挖断面范围内和开挖延伸方向上,具有两种或两种以上不同地层的组合,且各地层在岩土力学、工程地质和水文地质等方面存在圈套差异,从而对盾构施工及周围环境产生很大影响。根据复合地层状态及其工程地质特点,阐述了复合地层盾构的施工特点、复合盾构的三种掘进模式、以及选择复合土压平衡盾构机与复合泥水平衡盾构机的依据,并对盾构与复合地层的适应性及掘进参数的选取进行分析。以广州地铁六号线二期工程盾构施工数据为例,通过曲线拟合及统计回归方法,得出盾构施工时各掘进参数的相互关系,从而为复合盾构的选型及各掘进参数的相互匹配与控制提供了参考依据。     

泥水盾构泥水仓泥浆压力控制模型研究

目前隧道施工过程中泥水盾构施工参数多根据现场施工经验调整,缺乏系统的模型泥水盾构施工参数与泥浆压力大小之间的理论计算模型。通过对泥水平衡盾构的类型和工作原理进行细致的研究分析,提出盾构掘进过程中各施工参数需满足的关系式,并以此建立了泥水盾构泥水仓泥浆压力控制模型,得到了泥水盾构可控施工参数直接量化控制泥水仓泥浆压力的计算方法,并提出泥水仓内的泥浆需要满足盾构施工泥浆渣土悬浮和输送能力的要求,推导了泥水盾构掘进速度与进浆流量的关系式。研究结果表明,泥水仓泥浆压力随着进浆流量及盾构掘进速度的增大而增大,随着排浆流量的增大而减小。结合长沙地铁6号线泥水盾构施工工程,通过实例仿真计算,验证了此计算模型的有效性。研究成果为泥水平衡盾构泥水仓泥浆压力控制的研究提供了理论基础。     

盾构近距离穿越施工对已运营隧道的扰动影响分析

基于盾构施工对周围土体及构筑物的扰动影响机理,通过实测数据对盾构近距离穿越扰动影响问题进行了定量分析,并讨论了运营隧道对各盾构施工参数的敏感性.研究结果表明盾构穿越对已建地铁隧道的扰动影响主要以隧道的竖向位移为主.随着盾构推进,隧道结构纵向上呈波浪状,其隆起峰值不断沿推进方向移动.盾尾后隧道段受盾构穿越的影响显著,但隆起峰值始终位于盾尾后.     

盾构近距离穿越相邻隧道施工的数值解析

近距离穿越施工时盾构对周围地层位移场的影响明显不同于常规施工.结合上海地铁隧道近距离穿越工程实例,运用边界单元法模拟分析了掘进施工过程中盾构对已建建筑的影响,同时对施工参数进行了理论探讨.结果表明,盾构壳体是影响周围地层的主要因素,而且其影响具有滞后性和累积特性,在施工中需要超前控制.     

盾构近距离穿越已建隧道的施工影响分析

随着城市地铁的持续建设,近接既有地下建筑进行施工的工程大量涌现。由于受地质条件和施工工艺的限制,盾构推进难免会对邻近建(构)筑物产生扰动,由此引发一系列的环境病害。针对过黄浦江行人观光隧道从上部穿越刚刚建成的上海地铁2号线越江区间隧道,建立了三维有限元计算模型,研究了由于盾构推进而引起的地层扰动变形的规律性,并对已建隧道产生的施工影响进行了分析,并给出了相关的结论。     

基于盾构影响的长江砾石层工程地质研究

拟建长江盾构地铁隧道(江心洲站—中间风井区间)局部穿过长江砾石层,砾石层中卵石、砾石等颗粒级配,最大粒径、大粒径卵石、砾石含量,砾石层密实度以及卵、砾石单轴抗压强度对盾构刀盘选型、盾构掘进均产生影响。基于盾构影响的角度结合工程实践,采用水上钻探方法,详细查明长江大盾构隧道所穿越砾石层的工程地质特性。结果表明,长江大盾构隧道所穿越砾石层的工程地质特征要求盾构掘进遵循排小碎大的原则,合理选择盾构刀盘的开口尺寸、开口率、滚刀刃间距等,并加设耐磨保护装置,注入改良渣土的泡沫试剂等,掘进时合理控制盾构推进的速度、转速和锥入度,为工程实际中过江大盾构选型、盾构掘进施工提供地质依据。     

黄土地层盾构隧道受力监测与荷载作用模式的反演分析

为探明黄土地层中地铁盾构隧道管片衬砌结构与周围土体的相互作用关系,以西安地铁2号线穿越老黄土地层盾构隧道为研究对象,对实际作用于管片衬砌结构的水压力、土压力及主体结构内力（轴力、弯矩）进行现场动态跟踪测试,分析施工过程中盾构机动态掘进及后期稳定后的土-水压力对管片结构受力的影响。结合利用管片内力的现场实测值,采用正交试验设计分析方法,定义优化分析函数,反演分析黄土地层中盾构隧道管片衬砌结构设计荷载的合理计算参数。通过对比分析表明,运用优化后的设计参数得出的计算内力值与实测值在量值与分布上均较为接近,证实了分析方法的可行性、合理性,其成果可供类似工程设计参考。     

西藏南路越江隧道近距离穿越M8号线地铁沉降分析

西藏南路越江隧道施工须穿越运营中的M8地铁下行线下方,对地铁隧道上方的土体产生扰动,从而造成地铁隧道的变形。施工中建立了越江隧道顶管穿越地铁隧道的三维数值计算模型,通过现场监测地铁隧道的沉降变形,并对其进行对比分析,得出盾构穿越过程中地铁隧道的变形规律,为今后此类工程提供了借鉴。     

超大直径土压平衡盾构土舱压力和开挖面水土压力分布特性研究

土压平衡盾构土舱压力的设定对于控制盾构掘进对周围环境影响意义重大。结合某超大直径隧道工程,在土舱隔板和盾构掘进断面上埋设水、土压力计,对土压平衡盾构土舱内和开挖面上的水、土压力的分布和变化情况进行研究。监测结果揭示了土压平衡盾构掘进过程中土舱压力和开挖面水、土压力分布和发展特性。结合盾构施工参数进行研究,发现土舱压力增量可以通过螺旋机转速、盾构掘进速度等施工参数计算得到。开挖面上水、土压力无法完全传递至土舱隔板,土舱压力增量约为开挖面总应力增量的76.3%。研究成果为超大直径土压平衡盾构的土舱压力设定提供了有价值的参考。     

成都地铁卵石层中盾构施工开挖面稳定性研究

随着我国社会经济的发展,越来越多的城市开始规划和修建地铁,在此期间,部分城市在地铁建设中遇到了地质条件非常复杂的砂卵石土层,特别是正在建设中的成都地铁1、2号线,区间隧道几乎全部从卵石土层中穿越,根据设计,成都地铁1、2号线部分区间隧道采用加泥式土压平衡盾构法施工。利用土压平衡式盾构施工时,开挖面支护土压力控制是保证掘进顺利进行的关键,目前国内外在这方面的研究主要集中于砂土和黏性土,关于卵石土盾构隧道开挖面变形与破坏的研究很少。基于此,根据卵石土具有强烈离散特性的特点,利用颗粒离散元数值方法,对卵石土层土压平衡式盾构施工中开挖面支护应力不足引起开挖面的变形及破坏问题进行了分析研究,探讨了隧道开挖面变形及破坏问题。研究结果显示:（1）开挖面极限支护应力远小于土体原位静止土压力;（2）开挖面失稳后,开挖面前部的滑动块为一曲面体。这为卵石土地层中盾构开挖面控制压力的确定提供参考。     

粉质黏土地层超大直径泥水盾构隧道地表变形与施工参数相关关系研究

本文以粉质黏土地层超大直径泥水盾构隧道为工程背景,分析了地表变形特征随盾构掘进参数的变化规律。并针对粉质黏土地层隧道施工监测数据进行分析,提出了超大直径泥水盾构下穿建构筑物的施工关键控制参数。研究结果表明:不同施工参数对地表变形的影响存在显著差异,注浆量相对最大,刀盘扭矩和贯入度相对次之,刀盘推力、泥水压力、注浆压力和掘进速度相对最小。注浆量对地表变形的影响随隧道埋深的变化而变化,当隧道埋深小于一倍洞径时,注浆量对地表变形影响相对较大;当隧道埋深大于一倍洞径时,注浆量对地表变形影响相对较小。刀盘推力与泥水压力、注浆压力以及水土压力之间存在较好的相关关系。当泥水压力比水土压力约大0.1 MPa,注浆压力比水土压力约大0.3MPa时,盾构下穿建构筑物造成的地表变形相对较小,盾构地质适应性得以显著优化。相关研究成果可为后续粉质黏土地层超大直径盾构隧道地表变形分析和施工参数优化等提供理论依据和技术支撑。     

盾构动态掘进中围岩变形特性的数值实验研究

为了解软弱土层盾构隧道围岩的变形特性,结合某市地铁盾构下穿既有桥梁结构工程实例,建立每个分析步下盾构动态掘进三维数值模型。模型建立在库仑屈服准则和孔隙水达西定律推导的固结有限元方程上,综合考虑刀盘扭矩、推进力、土仓压力、桥基荷载及孔隙水压力等影响盾构施工质量的诸多因素,结合室内三轴实验和现场实测数据,对盾构动态掘进过程建模原理、模型合理性、围岩变形特性及桥梁结构安全等问题进行研究。研究结果表明:盾构掘进对围岩变形影响表现为接近、穿越和远离3个阶段;盾构接近断面时,受刀盘扭矩、推进力和土仓压力的影响,前方地表出现拱起;盾构穿过、远离断面后,围岩发生沉降、向隧道内和向前运动趋势,变形主要集中洞口上方,呈槽型;地表/桥基沉降计算和实测值吻合,围岩变形能够满足盾构隧道施工安全。     

盾构掘进速度及非正常停机对地面沉降的影响

软土中盾构隧道施工不可避免地扰动周围地层,进而引起地面沉降,沉降过大时将危及邻近建（构）筑物的正常使用和结构安全。全面理解盾构隧道施工引起的地面沉降的影响因素及对沉降的准确预测,对于减少施工环境危害十分重要。考虑盾构压重后,引入Mindlin解计算盾构下卧土层中的附加应力,采用单向压缩分层总和法计算盾构下卧土层的总固结沉降,由盾构掘进速度及停机时间确定附加应力作用时间后,应用太沙基一维固结理论计算在该作用时间内的固结沉降,应用Peck公式建立了盾构下卧土层沉降与地面沉降的关系,并以杭州庆春路过江隧道地面沉降的实测验数据对上述理论进行了验证。分析表明,考虑盾构掘进速度及停机时间的地面沉降计算理论基本合理;盾构掘进速度及停机时间会对隧道施工引起的地面沉降产生显著影响;在其他施工条件相同的前提下,提高盾构掘进速度和减少停机时间有利于减少地面沉降。