Real-time prediction of shield moving trajectory during tunnelling using GRU deep neural network

Acta Geotechnica - This paper establishes an intelligent framework for real-time prediction of trajectory deviations in the process of earth pressure balance (EPB) tunnelling. A hybrid model was...     

盾构掘进、离开施工阶段对地表变形的影响范围及量化预测

针对盾构掘进中、离开后施工阶段,依据土体弹塑性应力-应变关系进行分析,准确预测地表变形量及影响范围具有重要的理论意义和工程应用价值。在导出隧道周围土体塑性松动圈范围的基础上,提出了盾构掘进中、离开后土体内产生的复合滑动面平面段与水平面夹角分别成45°-φ/2和45°+φ/2(φ为内摩擦角)的结论,推导了土体呈主动、被动状态复合滑动面安全系数F_s公式,并利用随机搜索法,找出可能的滑动面,量化确定盾构掘进、离开阶段横向扰动影响范围。盾构掘进中,地表隆起因盾构上部土体发生剪切位移引起,通过直剪试验曲线中控制应力τ₁、τ₂、τ₃及不同阶段剪切模量G_e、G_p1、G_p2,并依据τ-l曲线控制应力τ₁、τ₂、τ_m及相对应的距离l₁、l₂、l_m。推导出剪切位移公式,预测地表隆起量;盾构离开后,地表沉降由盾构上部土体卸荷产...     

Identification of geological characteristics from construction parameters during shield tunnelling

Acta Geotechnica - This paper proposes a framework to identify geological characteristics (GC) based on borehole data and operational data during shield tunnelling using a fuzzy C-means...     

Soil-structure interaction in shield tunnelling in soft soil

The development and extension of large cities creates a need for multiple shallow tunnels in the soft ground of building areas. Prediction of the ground settlement caused by the tunnel excavation is a major engineering challenge. A numerical simulation using a finite element method was implemented in the aim of developing a procedure to predict the movement induced by shield tunnelling in soft soil. This study describes a two-dimensional modelling and compares two procedures. The first procedure is done in a simple way (called “deconfinement modelling”) simulating the excavation using a stress decrease vector exerted on the excavation boundary (inside the tunnel) described by a stress release scalar parameter λ (named the “deconfinement factor”). The second procedure is composed of a complete stage of modelling (called “phase modelling”) taking into account different phases which simulate the different kinds of interactions between the tunnel and the soil (deconfinement, lining installation, pore pressure applied on the lining, and weight of the lining). Using a shallow lined tunnel with homogeneous soil conditions, the two procedures are analysed and compared. Then, the second modelling procedure is applied to the case of the metro of Lyon where field data have been obtained. Observations of the results and comparison with the experimental data demonstrate that the proposed modelling is adequate for the analyses of settlement induced by tunnelling in soft soil.     

盾构隧道下穿管道施工引起的管-土相互作用研究

采用Loganathan公式研究了盾构隧道下穿管道施工引起的地下管道处土体竖向位移,利用考虑土中剪力传递的Pasternak模型模拟管-土相互作用,运用修正Vlasov模型中的迭代流程计算出Pasternak模型的关键参数——弹性系数k与剪切系数gs。将计算结果与已有文献结果及工程监测数据进行对比,深入分析了迭代求解k、gs值的Pasternak模型与传统模型的计算差异,并进一步研究了土中剪力、管道与隧道的夹角、土体弹性模量及隧道半径的变化对管-土相互作用的影响。研究结果表明：迭代求解的k、gs值能提升Pasternak模型的精确度;土中剪力对管道竖向位移计算值的影响可达15.3%;随着管道与隧道夹角的减小,管道的竖向位移增大、弯矩减小;土体弹性模量与隧道半径的增大均会增加管道的竖向位移和弯矩。     

盾构施工工艺诱发地表沉降规律浅析

在研究盾构施工工艺诱发地层沉降规律时,对施工工艺变化引起地表沉降的量化分析成果相对较少。将盾构工艺分为注浆填充率?、支护压力比? 和偏心率? 等3个主要因素,将其引入到Rowe等人提出的“间隙参数”的公式中,利用Loganathan等人提出的地表沉降预测解析公式,对上述3个工艺参数的变化对地表沉降的影响进行量化分析;同时以间隙参数为前提,对前人提出的等代层厚度参数取值进一步探讨,为复杂的盾构施工工艺的数值模拟提供计算依据。通过对西安地铁2号线试验段地表沉降实测资料进行反演,分析结果认为,提出来的间隙参数计算方法及修正等代层模型能较为真实地反应施工工艺水平,能够为盾构施工地面沉降控制提供一定的参考。     

地层中粉细砂在盾构壁后注浆中的再利用研究

南京长江隧道主要穿越的地层为粉细砂,这种地层具有良好的级配,如果开挖后直接排放易造成堆放环境问题,也造成了资源的浪费。为此,研究了开挖排放的粉细砂在盾构壁后注浆中的再利用的问题。通过考虑地层不均质性--土砂比,研究了各种渣土情况下的浆液性质的变化。结果表明,盾构开挖排放的粉细砂渣土能够满足盾构壁后注浆施工的要求,浆液配方应根据土砂比的变化,快速作出调整,以保证浆液的性质不发生较大的变化。     

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。     

多线叠交盾构隧道近距离穿越施工扰动机制研究

多线叠交盾构隧道在地下空间内布置形式繁多,土体-隧道间相互作用机制复杂。针对多线叠交盾构垂直上穿、垂直下穿和上、下夹穿3种典型穿越施工形式,根据盾构隧道近距离施工的技术特点和控制要求,采用排液法重点分析了施工中因地层损失和开挖卸荷引起的地表沉降以及既有隧道纵向变形规律,并通过构建三维弹塑性有限元动态模型,与部分试验结果进行了对比验证。研究结果表明:上穿施工中,地表沉降较大,既有隧道均呈现上浮趋势;下穿施工时,地表沉降较小,既有隧道均呈现下沉趋势;先下后上穿越施工在各阶段引起的地表沉降变化均匀,最终地表沉降量相对较小;先上后下穿越施工时既有隧道变形曲线曲率大,既有隧道变形呈现反复震荡变化。成果可为类似多线叠交隧道工程的施工提供理论指导。     

盾构施工引起地表固结沉降问题的研究

将隧道周围土体视为均质连续各向同性的饱和弹性介质,采用保角变换的方法将含有隧道的半无限平面映射为同心圆环计算域。根据Terzaghi-Rendulic二维固结理论,建立隧道在不透水的情况下周围土体超孔隙水压力分布的控制方程。然后,采用分离变量法计算得到土体超孔隙水压力分布的解析解,最后,根据弹性理论计算得出隧道中线上方地表固结沉降的计算公式。结合算例,分析盾构施工扰动程度、土体渗透系数、土体弹性模量及隧道埋深等因素对隧道中心上方地表处固结沉降的影响。研究结果表明,地表固结沉降的增加值与隧道外侧初始超孔隙水压力值C0的变化量成正比例关系,施工扰动程度越大所引起的固结沉降越大;土体的渗透系数越大固结沉降速度越快,但土体的渗透系数与最终的地表固结沉降量无关;土体的弹性模量越大,最终的地表固结沉降量越小;隧道埋深越深,地表固结沉降所需时间越长,最终的地表固结沉降量也越大。     

双线平行盾构法隧道施工附加荷载的计算分析

对隧道周围土体采用椭圆形非等量径向位移模式,在镜像法基本原理基础是推导了土体损失引起的附加应力计算公式;结合弹性力学Mindlin解得到的正面附加推力和摩擦力引起的附加应力,得到三者共同作用下总的附加应力公式,并通过算例分析了各影响因素下水平平行隧道上附加荷载的分布规律,重点探讨了土体损失引起的附加荷载在相邻隧道上的分布,分析结果对平行隧道施工具有一定的参考价值。     

盾构法施工对地层扰动的试验研究

采用静力触探试验来研究盾构推进这种动态施工对地层扰动的影响,通过对土层力学参数的试验数据进行整理分析,总结了盾构法施工对周围地层扰动的一般影响规律,并初步定量地描述了这种变化情况。     

Ground disturbance caused by shield tunnelling in a stiff, overconsolidated clay

Attewell, P.B. and Farmer, I.W., 1974. Ground disturbance caused by shield tunnelling in a stiff, overconsolidated clay. Eng. Geol., 8: 361–381.

Some of the factors affecting ground deformation around shield tunnelling excavations in stiff clays are considered. There is particular reference throughout the paper to an analysis and interpretation of measured ground deformation around a 4.146-m diameter, hand-excavated, shield-driven tunnel at a nominal axis depth of 29.3 m in the overconsolidated London Clay. The maximum surface settlement was found, by precise levelling, to be 6.1 mm but the shape of the transverse surface settlement profile conformed to a normal probability curve only up to the time of shield passage. Of the contributory ground losses at the tunnel, yield of the clay at the tunnel face appears to dominate to the extent of generating up to 50% of the eventual surface settlement. Measurement evidence suggests a rate of yield at the face that is 2 to 3 times the radial yield over the shield and implies that up to about one-fifth of the surface settlement could be attributed to radial yield into the grouted sections of the erected tunnel lining.     

基于改进LCPC测试方法的盾构隧道土体磨蚀性试验

法国桥梁道路实验室磨蚀性（Labroatoire Central de Ponts et Chaussées,LCPC）试验是测试土体磨蚀性的一种常用方法,但现有LCPC试验在评估盾构隧道土体磨蚀性时存在土体颗粒有效破碎率高、测试过程中颗粒级配变化较大等问题。鉴于此,采用圆形测试钢片替代原有矩形测试钢片,并进行对比试验。结果表明：改进后的圆形测试钢片比原有矩形测试钢片导致的土样颗粒有效破碎率大幅降低,提高了土样在LCPC试验过程中颗粒级配的稳定性;改进后的圆形测试钢片在测试过程中的磨损以磨粒磨损为主,有效剔除了冲击磨损,更符合盾构隧道工程特点;在以磨粒磨损为主时,2种测试条件下的磨损指数（LCPC abrasivity coefficient,LAC）值换算关系为LAC矩=0.93LAC圆,其中LAC矩为矩形钢片测试条件下的LAC值,LAC圆为圆形钢片测试条件下的LAC值;改进后的试验方法准确评估了北京地铁19号线右安门外站—牛街站区间和大兴国际机场线3#风井—草桥站区间的圆砾卵石地层的磨蚀性。本研究对于提高LCPC试验方法评价盾构隧道土体磨蚀性的准确性提供了重要途径。     

盾构隧道管片上浮问题研究

盾构隧道施工过程中衬砌管片上浮问题是客观存在的,且一直是较难解决的问题之一,而大直径盾构隧道的上浮问题表现的更为突出。应用有限元法,对地层材料的物理力学性质、注浆材料的性质等影响盾构衬砌环上浮的因素进行了分析。根据分析结果,结合对衬砌结构在施工过程中受力状态的分析,对衬砌环上浮的原因进行了阐述,据此针对大直径盾构隧道的特点,提出了施工、设计过程中控制衬砌管片上浮的对策和措施,可为盾构隧道的施工和设计提供参考。     

Modelling the performance of EPB shield tunnelling using machine and deep learning algorithms

This paper introduces an intelligent framework for predicting the advancing speed during earth pressure balance(EPB) shield tunnelling. Five artificial intelligence(AI) models based on machine and deep learning techniques—back-propagation neural network(BPNN), extreme learning machine(ELM), support vector machine(SVM),long-short term memory(LSTM), and gated recurrent unit(GRU)—are used. Five geological and nine operational parameters that influence the advancing speed are considered. A field case of shield tunnelling in Shenzhen City,China is analyzed using the developed models. A total of 1000 field datasets are adopted to establish intelligent models. The prediction performance of the five models is ranked as GRU LSTM SVM ELM BPNN. Moreover, the Pearson correlation coefficient(PCC) is adopted for sensitivity analysis. The results reveal that the main thrust(MT), penetration(P), foam volume(FV), and grouting volume(GV) have strong correlations with advancing speed(AS). An empirical formula is constructed based on the high-correlation influential factors and their corresponding field datasets. Finally, the prediction performances of the intelligent models and the empirical method are compared. The results reveal that all the intelligent models perform better than the empirical method.     

盾构隧道施工引起的土体初始超孔隙水压力分布研究

盾构施工会对周围土体产生扰动,形成超孔隙水压力,引起工后固结沉降。运用应力释放理论推导与衬砌相邻的土体初始超孔隙水压力计算公式。假定扰动范围边界呈圆弧状,确定初始超孔隙水压力的分布范围;同时运用应力传递理论,推导分布范围内任一点土体的初始超孔隙水压力计算公式。通过对实测资料的分析可知,计算值与实测值吻合较好。算例分析表明,与衬砌相邻的土体初始超孔隙水压力呈近似圆形（顶部小、底部大）;随着到衬砌的径向距离增加,土体初始超孔隙水压力呈凹曲线形状;隧道底部的等值线最密,即变化最快;隧道顶部上方土体、不同深度处土体初始超孔隙水压力,以隧道轴线处为最大,呈现类似Peck曲线形状。     

大直径盾构进出洞加固体稳定性判别方法研究

从监测指标和监测范围两个方面对钱江隧道盾构进出洞加固体稳定性的实时判别进行了研究,即首先在分析板块理论和弹塑性静力学理论的基础上,提出能实时反映盾构进出洞加固体稳定性的监测项目,包括水土压力P及其相应的稳定性评价指标 、 ,而后采用理论分析和试验研究加固体的破坏模式,在此基础上,提出加固体实时监测点布置方案。通过监测点的合理布置,监测加固体所受水土压力P,计算 、 ,可实现加固体稳定性的实时评价     

盾构隧道施工对临近桥桩影响数值及现场监测研究

随着城市内地铁盾构区间隧道临近城市道路桥桩工程的增多,急需研究盾构隧道临近桥桩施工对桥桩的变形影响问题。采用有限元数值计算方法,结合盾构隧道穿越桥桩实际工程,建立了盾构隧道施工对临近桥桩影响的数值分析模型,模拟盾构隧道施工,对盾构隧道穿越临近桥桩的桩体沉降、桩体侧移、地表沉降进行了数值分析研究,盾构隧道穿越时及穿越后桩体沉降、桩体侧移、地表沉降控制结果较为理想,桩体处于稳定状态。结合现场监测成果,对数值计算结果和监测结果进行对比分析,表明采用的数值分析计算模型、参数取值对盾构隧道施工对临近桥桩影响的模拟是可靠的,可以运用文中的数值计算方法预测后续盾构隧道施工引起临近桥桩沉降、桩体侧移和地表沉降结果。     

隔离桩及盾构近接施工对高铁桩基的影响分析

针对饱和砂土地区盾构隧道超近接高铁桥墩摩擦桩的工程问题,采用钻孔灌注桩及高压旋喷桩组合隔断隧桩间位移。分别对钻孔灌注桩、高压旋喷桩及盾构上下行线近接高铁桥梁桩基引起的高铁桩基的变形及变位开展现场试验,对现场实测数据及规律进行分析。结果表明,钻孔灌注桩施工使高铁桥墩产生沉降,占施工过程最大沉降量的 75%～125%;高压旋喷桩施工导致桥墩产生隆起,占施工过程最大沉降量的-50%,旋喷桩施工完成后将持续一段时间;盾构施工对高铁桥墩竖向变形产生影响,距离高铁桩基越近影响越大,同时累计沉降跟盾构施工控制有较大关系。