土压平衡式盾构机刀盘扭矩力学模型研究

土压平衡式盾构工法逐渐成为了城市地下隧道建设的主流方法,其刀盘扭矩相对于泥水加压式盾构机的刀盘扭矩大得多,已经成为了盾构工程界普遍关注的一个问题。目前,对于扭矩的计算大多采用经验估算的办法,存在过大的扭矩估算区间,由于施工经验的缺乏以及为了工程施工安全,不得不采用扭矩的上限值来进行盾构装配扭矩的设计,从而造成较大浪费。根据刀盘扭矩的形成机制,分别探讨各组成部分扭矩计算方法,综合后得到盾构机刀盘扭矩的计算力学模型。最后通过一个地铁盾构施工实例验证盾构刀盘扭矩计算力学模型的合理性。     

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。     

青岛地铁土压平衡盾构碎石土改良方法研究

盾构在碎石土地层掘进时经常面临着地层渗透性强、刀盘扭矩大、刀具磨损严重等诸多困难。为解决上述施工难题,以青岛地铁4号线典型的碎石土地层为研究对象,首先通过颗粒筛分、LCPC试验和渗透性试验评价了碎石土的基本特性,结合传统的砂土和黏性土改良方案设计了5组碎石土改良配比方案,对不同配比方案进行坍落度试验、渗透性试验和直剪试验,分析了不同改良指标碎石土的流塑性、渗透性及抗剪力学特性,根据实际工程中盾构刀盘扭矩的变化情况验证了泡沫与聚合物组合改良的最佳方案。研究表明：7%浓度泡沫与5%浓度聚合物配比的改良剂能够有效降低碎石土的渗透系数,同时起到降低刀盘扭矩的作用。     

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。     

土压平衡盾构渗流场解析解及喷涌判别研究

考虑土压平衡盾构土舱的二维渗流效应,用解析方法分析了土压平衡盾构的喷涌问题。将土舱渗流场划分成两个区域,利用分离变量法并结合区域间连续条件得到土舱水头显式级数解,将螺旋输送机内流场视为一维渗流,通过土舱与螺旋输送机交界面水流量及水头连续条件得到盾构的渗流场解析解。分别将土舱和螺旋输送机渗流场解析解与数值软件计算结果和试验结果进行对比,结果吻合较好,验证了解的正确性。分析盾构及土层参数对螺旋输送机排土口水流量及水压力的影响,分析结果表明：在螺旋输送机排土口内外水压力差为0的情况下,螺旋输送机内水流量及水压力与刀盘面中心水头近似线性关系;增加螺旋输送机长度和倾角、减小螺旋输送机的直径有利于防止喷涌。基于已有的喷涌研究成果,给出了典型盾构喷涌判别图。通过对盾构喷涌实例进行判别,并与盾构一维解析解的喷涌判别结果进行对比,证明基于本解析解的喷涌判别更为准确。     

超大直径土压平衡盾构施工对环境影响的现场监测研究

软土地层中盾构法隧道施工对周围环境影响的控制是施工中最为关心问题。依托上海迎宾三路?14.27 m土压平衡盾构隧道工程,通过在试验段布设监测断面、调整施工参数,研究超大直径土压平衡盾构施工诱发的地表沉降分布和发展规律。通过分析发现,超大直径土压平衡盾构施工中土舱压力和同步注浆参数的设定决定了地表沉降的发展规律,其中同步注浆的参数设定对于控制地表沉降起关键作用。同步注浆填充效果不佳会导致盾尾上方较大范围内地表沉降发展明显,距离盾尾越近,沉降速率越大,而填充效果较好时,地表沉降可以得到有效控制,Peck公式比较适于盾尾间隙填充效果不佳的情况。另外,监测数据揭示,盾构停推过程中超孔隙水压力逐渐消散,地表沉降持续发展,距离盾尾越近的位置地表沉降发展速率越大。     

土压平衡盾构与地层沉降的根源及其影响因素分析

结合国内目前广泛使用的土压平衡盾构的组成和施工特点，探讨了隧道施工中地面沉降的阶段性发展根源，分析了影响地面沉降的几种因素，指出了解决问题的措施。     

小间距双线隧道土压平衡盾构掘进地表变形规律及控制研究

土压平衡盾构掘进过程中不可避免地会对隧道周边岩土体带来扰动,引起地表变形,影响周围构/建筑物的安全。本文以广州市轨道交通十八号线陇枕出入场线为例,分析该双线隧道在小间距（最小2.5 m）条件下,土压平衡盾构施工参数以及掘进引起的地表变形数据,研究盾构掘进过程中地表变形规律和变形控制措施。研究结果表明,小间距双线隧道土压平衡盾构掘进过程中：地表变形大致经历了5个发展阶段,主要有4种变形趋势;先掘隧道对后掘隧道地表变形的影响效应与先掘隧道本身的地表变形效应基本一致,显著影响区域位于两隧轴线之间;地表变形的影响因素包括盾构施工参数、掘进段工程地质条件、盾构停机等,采取优化注浆压力、注浆量、土舱压力、掘进速度等盾构施工参数、加固地层、减少盾构停机时间等措施可有效控制地表变形。该研究结果为广州市轨道交通十八号线以及类似小间距盾构掘进施工控制提供了一定的理论依据。     

复合地层土压平衡盾构滚刀磨损规律及切削距离寿命预测分析

软硬不均复合地层中地质条件频繁变化,盾构滚刀磨损加剧严重制约施工效率。为探索复合地层土压平衡盾构机滚刀耐磨蚀改进措施,准确预测复合地层土压平衡盾构滚刀的磨损量与切削距离寿命,本文采用统计回归法对广州地铁18号线工程ZDK30+433.76~ZDK31+150.61区间盾构滚刀更换情况及磨损量进行统计分析。通过利用滚刀磨损量以及盾构掘进参数得到了适用于软硬不均复合地层的滚刀磨耗系数K。根据磨耗系数K及相应的滚刀磨损计算模型,对复合地层中土压平衡盾构滚刀磨损量及切削距离寿命进行预测分析,从滚刀的设计制作、施工参数、现场监管和渣土改良4个方面提出了复合地层滚刀的耐磨蚀改进措施,并对土压平衡盾构掘进参数进行优化,提出了沙湾水道段的推荐刀盘转速值。该研究成果为广州地铁18号线工程及类似地层条件下盾构滚刀磨损预测及换刀时机选取提供了工程经验与理论依据。     

兰州富水砂卵石层土压平衡盾构渣土改良研究

兰州地铁1号线穿越(2)~(-10)和(3)~(-11)地层,主要为砂卵石层,大部分处于地下水位以下,渗透性极强。采用土压平衡(EPB)盾构施工时,除了容易出现刀盘、螺旋输送机扭矩过高,磨损严重等现象外,还极易造成螺旋输送机喷涌,酿成工程事故,因此,需要对砂卵石层进行改良以保证盾构施工的安全。采用膨润土泥浆和泡沫对砂卵石进行改良试验,得到不同改良方案渣土的塌落度、渗透系数和钢桶侧壁的摩擦系数。在塌落度满足15~20 cm要求的前提下,通过理论计算,得到了既能满足盾构和易性要求,又能使螺旋输送机保持土压平衡、防止喷涌的改良配比方案。工程实践表明,泥浆和泡沫混合掺入比分别为7%和8%的配比方案改良效果最佳,可为土压平衡盾构在兰州市富水砂卵石层施工中渣土改良和螺旋输送机防喷涌提供参考。     

砂卵石地层土压盾构掘进掌子面稳定性室内试验与三维离散元仿真研究

采用?800 mm模型土压盾构开展室内掘进试验,以探究砂卵石中土压盾构隧道掌子面失稳诱发地层变形特征。同时,补充开展三维离散元仿真以挖掘室内试验难以获取的掌子面失稳信息,并研究隧道埋深对掌子面稳定性的影响规律。研究结果表明：砂卵石地层中盾构隧道掌子面失稳发展到地表后,沉降曲面呈上大下小逐步收缩的沙漏状,影响范围小于砂土地层。考虑盾构动态掘进过程后,卵石颗粒接触关系变化十分剧烈,掌子面稳定性被削弱,极限支护压力随之增大。掌子面极限支护压力随隧道埋深基本呈线性增加,极限支护压力与初始支护压力之比则随埋深增大而减小。掌子面失稳机制可根据隧道埋深划分为3种模式。与既有研究相比,考虑了盾构动态掘进过程与实际工程更加接近,可为确保砂卵石地层土压盾构隧道施工掌子面稳定提供参考。     

基于WBS-RBS的地铁基坑故障树风险识别与分析

针对地铁基坑工程环境复杂、影响因素多的特点,提出以故障树分析为基础结合工作分解结构（WBS）-风险分解结构（WBS）进行风险识别的方法。此方法引入WBS-RBS将地铁基坑工程工作分解结构和风险源分解结构耦合判断并说明相应风险因素或风险事件,并按照故障树建树原则根据彼此间的逻辑关系,用逻辑门连接上下层事件,形成地铁基坑工程主要故障树。在此基础上,对风险因素进行敏感性分析并提出相应的预防措施。     

板桥河左岸堤防渗透破坏风险分析

以板桥河左岸堤防加固工程为背景,提出了一条基于确定性渗流有限元进行堤防渗透破坏风险分析的途径,并对板桥河堤防渗透破坏风险进行了分析研究,根据分析结果对堤防渗透稳定性进行了评价。所采用研究方法发挥了有限元的优点,能够模拟堤防场地土层实际分布情况,较准确地计算洪水位下运行堤防背水面水力坡降。根据“端点组合-单调性法”理论和“3?”法则,通过1995年堤防典型破圩实例建立起整个堤防的抗渗临界水力坡降、渗透破坏风险率的临界值以及堤防汛期防渗的警戒水位,对整个板桥河堤防渗透稳定性评价工作具有非常重要的意义,其分析方法以及研究思路可供同类堤防工程的渗透稳定性评价工作借鉴。     

滑坡次生灾害损失评估方法研究

针对目前滑坡灾害破坏损失评估研究还没有涉及滑坡次生灾害破坏损失评估方面的研究,提出并建立了滑坡次生灾害破坏损失的评估模型与方法。应用故障树分析法（FTA）和事件树分析法（ETA）相结合的因果图方法对滑坡次生灾害作可靠性分析,由此对滑坡次生灾害损失进行了预测及评估。     

长输油气管道裂纹缺陷事故树模型的建立

分析了引起长输油气管道裂纹缺陷的原因(腐蚀疲劳、应力腐蚀破裂、氢脆、机械疲劳断裂)及其特征.应用事故树理论建立了长输油气管道发生裂纹缺陷的事故树模型,给出了事故发生概率的计算方法.根据俄罗斯长输油气管道的故障资料计算出在长期高压条件下运输聚乙烯时,发生长输油气管道裂纹缺陷的概率,计算结果与统计概率基本相同.     

湛江湾高水头跨海盾构隧道管片结构典型断面受力计算与监测反馈分析

湛江湾隧道是目前国内最深的跨海盾构隧道,其管片采用斜螺栓连接,错缝拼装,分别采用修正惯用法及梁-弹簧法计算最大覆土断面与最大水深断面管片的受力,并将实测管片受力、水-土压力值与理论计算结果进行比较,分析水-土压力分布模式,结果表明,修正惯用法与梁-弹簧法均可以较好地模拟隧道管片的受力形态,而梁-弹簧法比修正惯用法更接近实测结果;管片呈压扁状态,梁-弹簧法结果受封顶块的位置影响较大;太沙基松弛土压力及水-土压力线性分布模式对深埋海底隧道是适用和安全的;对于本工程来说,管片外荷载以径向水压力为主,是影响管片轴力的主要因素。以上成果可为今后跨海高水头盾构隧道管片的设计及施工提供参考。     

Rotational failure mechanisms for the face stability analysis of tunnels driven by a pressurized shield

The aim of this paper is to determine the collapse and blow‐out face pressures of a circular tunnel driven by a pressurized shield. The analysis is performed in the framework of the kinematical approach of the limit analysis theory. Two rotational failure mechanisms are proposed for the active and passive cases. These mechanisms have two significant advantages with respect to the available ones: (i) they take into account the entire circular tunnel face instead of an inscribed ellipse to this circular area, and (ii) they are more consistent with the rotational rigid‐block movement observed in the experimental tests. For both the active and passive cases, the three‐dimensional failure surface was generated ‘point by point’ instead of simple use of the existing standard geometric shapes such as cones or cylinders. This was achieved by employing a spatial discretization technique. The numerical results have shown that the present rotational mechanisms provide, in the case of frictional soils (with or without cohesion), a significant improvement with respect to the translational mechanisms. Finally, an extension of the proposed collapse mechanism to include a tension cut‐off in the classical Mohr–Coulomb failure criterion is presented and discussed. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

双圆盾构施工土体沉降参数敏感性分析

依托上海轨道交通M6线9标双圆盾构区间隧道工程,选取试验段对双圆盾构施工参数进行了敏感性分析。试验过程中调整土舱压力、盾尾注浆量、推进速度等施工参数,动态监测双圆盾构施工引起的横向、纵向深层土体沉降规律。所得结论对于双圆盾构施工参数优化、减小环境土工影响具有一定借鉴意义。