复合式土压平衡盾构刀盘失效风险分析

通过对复合式土压平衡盾构刀盘失效的事故种类及原因的分析与总结,应用故障树分析（FTA）方法对刀盘失效风险进行了研究,建立了刀盘面板、刀具和其他刀盘体系的故障树系统模型。通过定性与定量分析,讨论了各项风险事故的潜在失效模式和影响因素。结合具体工程进行了应用,并提出了针对性的控制措施。研究有助于复合式土压平衡盾构刀盘的设计、施工的决策与控制。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

土压平衡盾构施工的顶进推力模型试验研究

在盾构的掘削过程中,千斤顶顶进推力是一个重要的施工参数,它不仅决定着施工速度,而且还影响着刀盘的切削扭矩、转动速度等其他参量。但是,目前对千斤顶顶进推力的变化规律,尤其是土体与盾壳之间摩擦阻力的研究还不够深入。以上海地区粉砂地层为参照原型,借助于模型试验方法,通过对盾构机工作参数和地层特性参数进行不同的组合试验,研究了土压平衡盾构推进过程中顶进推力变化的规律,以及土体与盾壳之间摩擦作用的机理及其影响因素。在此基础上推导了盾构千斤顶顶进推力的计算公式。     

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。     

土压平衡式盾构掘削面支护压力特性分析

土压平衡式盾构隧道施工过程中,掘削面的支护压力严重影响着掘削面前方土体稳定性和变形。从理论上分析了掘削面前方土体的应力状态,并将其分为5类,根据支护压力的大小判定前方土体的稳定性。建立了三维有限差分模型,采用数值模拟的方法研究了掘削面支护压力与变形的关系。研究表明,在卸载情况下掘削面的支护压力与变形关系曲线具有抛物线特征,在加载情况下掘削面的支护压力与变形关系曲线具有双曲线特征,曲线的具体形态则与地层条件等因素有关。研究结果可为土压平衡盾构施工过程中支护压力的确定提供参考。     

软弱富水砂层地质条件下土压平衡盾构接收施工技术

在软弱富水砂层地质条件下,盾构接收施工是盾构法施工过程中主要的重大风险之一,也是整个盾构施工过程中的重大难题之一。本文结合福州地铁2号线桔园洲站—洪湾站区间在软弱富水砂层中盾构接收施工,对盾构接收端头加固、降水施工、盾构接收姿态控制、二次注浆等施工工艺进行阐述,为后续类似地质盾构区间施工提供参考。     

盾构隧道抬升作用下极限上覆土压力计算方法

注浆抬升技术是盾构隧道不均匀沉降治理的有效措施之一,但目前尚存在隧道抬升过程上覆土压力计算困难而无法估算抬升引起的隧道受力变形的问题。利用透明土结合PIV观测技术设计研发了模拟盾构隧道抬升的小比尺室内模型试验系统,通过试验获得了隧道抬升过程极限上覆土压力及上覆土速度场,根据上覆土的剪切滑移特征将上覆土分成了4个不同的运动区域,进而结合相关联流动法则,提出了隧道抬升作用下极限上覆土压力计算模型,并基于虚功平衡方程,推导了极限上覆土压力计算表达式。将计算所得的极限上覆土压力值与试验结果进行对比,两者有较好的吻合度,计算误差在4%～15%之间。     

大断面深埋高水压地铁盾构隧道周边土压力作用模式评价

以南京某大直径地铁盾构隧道为背景,对盾构管片衬砌所受荷载及结构内力进行现场测试,分析了深埋高水压粉细砂地层中盾构隧道管片土压力大小及分布特征。采用3种不同竖向荷载组合（即有效上覆土压力+水压力,太沙基松动土压力+水压力,只有水压力）计算管片内力并与实测内力进行比较,评价了作用在盾构隧道管片上的土压力模式。结果表明：（1）作用在盾构隧道衬砌上的水压力大小基本等于静止水压力;（2）盾构隧道隧顶实测土压力约为太沙基松动土压力的80%,实测隧顶土压力更接近于太沙基松动土压力,隧道上方存在土拱;（3）现场实测管片弯矩较3种荷载作用下计算弯矩小,而实测管片轴力约为理论计算轴力的2倍。此外,分析了水平地基抗力系数对隧道管片内力的影响。研究成果可为大直径深埋盾构隧道设计提供参考。     

考虑位移的土压力计算方法

在分析主动土压力、被动土压力和静止土压力与位移的关系的基础上,根据朗肯土压力理论,提出了考虑位移的土压力计算方法。用该方法描述的土压力随位移的变化规律与有限元法计算结果具有很好的可比性。     

盾构隧道实测土压力分布规律及影响因素研究

以大量现场实测土压力为基础,分析了影响盾构隧道衬砌土压力的一些主要因素,总结出不同地层地铁盾构隧道长期稳定土压力的分布规律,并探讨了盾构施工期土压力随时空的变化情况。研究得出,地下水位高低对稳定土压力大小及分布影响较大;作用在管片上的长期土压力大小与地层衬砌刚度系数有关,当地层衬砌刚度系数为1.5时,管片竖向及水平土压力都较小;盾构施工期临时荷载对管片土压力影响不可忽视,无论是黏土地层还是砂土地层,大的注浆压力及注浆率将导致作用在管片上的稳定土压力分布不均;管片土压力可按时空分为4个阶段,拼装阶段、同步注浆阶段、浆液凝固阶段及后期稳定阶段,其中同步注浆阶段管片周边最大土压力为稳定阶段的2～3倍。     

粗颗粒土的静止土压力系数非线性分析与计算方法

确定静止土压力系数在土压力计算中非常重要,但是粗颗粒土的静止土压力系数非线性特征长期被忽视,专门研究其非线性特征具有重要现实意义。为弥补粗粒土K₀非线性研究的不足,分析了粗颗粒土的静止土压力系数非线性特征。基于邓肯-张模型的应力-应变增量关系,引入邓肯-张模型参数,建立了静止土压力系数数学公式。同时,提出了粗颗粒土静止土压力系数非线性计算方法,并对公式参数敏感性进行了分析。基于K₀试验数据和数值试验结果,对粗颗粒土静止土压力系数非线性计算方法进行了应用分析。应用结果表明:K₀预测值与K₀实测值吻合,所提出的非线性K₀计算方法可用于粗颗粒土K₀计算。通过与Jaky公式的结果的对比分析,讨论了初始应力条件对粗颗粒土静止土压力系数非线性计算结果的影响。该研究成果有助于加深对土体静止土压力系数非线性的理解,并为粗颗粒土静止土压力系数计算提供参考。