开敞式TBM施工过程质量控制技术研究

正我国应用TBM开挖隧道的案例较多,如西康铁路秦岭Ⅰ线隧道、山西万家寨引黄入晋工程、辽宁大伙房水库一期输水隧道、甘肃引大入秦工程、四川锦屏二级水电站引水隧道以及桓集隧洞、吉林引水供水工程总干线等。TBM施工的最大特点是集掘进、出碴运输、通风除尘和支护于一体,连续掘进,支护紧跟,一次成洞,从而克服了传统隧道掘进法——钻爆法(DB)施工工序复杂、进度慢、工作条件差、工人劳动强度大、超欠挖严重、独头开挖长度受限(一般不超过3km,否则通风难以保证)、对围岩扰动大、安全性能差,难以实现高速、高效、安全、文明施工的缺点。同时,TBM根据开挖洞径要求,可以定制多     

TSP203系统在芭蕉溪隧道超前预报中的应用

地球物理勘探方法应用于隧道掘进中的超前预报工作, 不仅具有快捷、准确的特点, 而且还能进行实时处理与显示。以上(海)瑞(丽)高速公路湖南境内邵(阳)—怀(化)段芭蕉溪隧道的超前预报为例, 通过TSP203探测, 可以及时、详细、准确地了解开挖掌子面前方的地质情况, 从而为施工单位合理安排施工作业进度、减少工程隐患提供了科学依据。     

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。     

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。     

软土地层矩形顶管掘进引起地表隆沉变形分析

准确预测并及时控制软土地层矩形顶管掘进过程中引起的地表隆沉,可有效降低掘进施工对紧邻结构设施的影响。结合弹性力学Mindlin解和随机介质理论,进一步考虑顶管开挖面附加推力、非均匀分布且具有软化特性的机体-土体侧摩阻力、受触变泥浆特性影响的管节与土体间的侧摩阻力,管节附加注浆压力及基于开挖面收敛模式的土体损失共同作用,推导得到矩形顶管掘进期间地表隆沉位移解析解。经与3个工程算例的实测结果进行对比分析,发现所提方法可预测矩形顶管在软土地层掘进引起的地表隆沉变形规律。分析结果表明：顶管开挖面前方地表表现为隆起;随着顶管开挖面的远离,摩阻力、注浆压力对地表的影响逐渐减小,开挖面后方地表主要受土体损失作用发生沉降;土体损失引起的地表沉降量受开挖面收敛模式影响。     

考虑动态泥膜效应的盾构开挖面稳定理论研究

泥水盾构工法被广泛应用于高压富水复杂地质环境中修筑隧道,其中开挖面稳定控制是工程成败的关键,在盾构掘进时,由于刀盘不断旋转切削地层,开挖面上的泥膜处于“形成―破坏―再形成”的动态循环过程,泥膜透水性增强,这种动态泥膜作用下开挖面的稳定如何评价有待于进一步探索。对此,对泥水盾构掘进过程中的动态泥膜进行了分类,提出了考虑盾构运动和泥浆渗滤特征的动态泥膜理论。在此基础上,采用空间离散法将泥水压力引入旋转体模型,建立了考虑动态泥膜效应的开挖面稳定力学模型,提出了泥水盾构动态掘进过程中开挖面临界泥浆压力及泥浆支护效率评估方法,研究指出：当盾构在强渗透性地层中掘进时,在尽量提高泥浆成膜率的同时,应注重泥浆黏度调节,充分发挥渗透力支护作用,同时可适当提高盾构掘进速度并降低刀盘转速,有利于开挖面稳定控制。以泥浆成膜率、等效渗透系数为依据给出了泥浆支护效率设计图,研究工作对盾构掘进支护压力控制和泥浆配置有一定的借鉴意义。     

极软围岩中隧洞施工方法探讨

以甘肃省引洮供水二期工程中的极软岩隧洞施工过程为例,对隧洞掘进方式进行探讨,对爆破开挖(钻爆法)和机械开挖对两种开挖方式在工程中的应用情况及优缺点进行对比分析,结果显示:引洮供水二期工程中隧洞围岩类别多为Ⅳ、Ⅴ类,Ⅳ、Ⅴ类围岩以软岩～极软岩为主,机械开挖应用较为广泛。为以后在极软围岩隧洞掘进施工提供参考。     

新安县引畛济涧隧洞工程小导管注浆技术

新安县引畛济涧工程3号竖井开挖深度大,地下水极其丰富,存在涌水突水情况。采取小导管注浆措施进行涌水点2倍洞径范围内封堵渗涌水,浆液采用水泥水玻璃双浆液。注浆封堵加固一环开挖掘进一环,成功地完成了隧洞的开挖掘进。为类似工程施工提供了经验。     

隧道掘进面接近地质界面时围岩的应力特征研究

隧道开挖地层中往往呈现出明显的地质变异性,如软硬岩层的不均匀分布等,使隧道开挖后的力学行为十分复杂.本文采用FLAC3D初步分析了隧道掘进面接近地质界面时围岩的应力状态,并探讨侧向应力、纵向应力、断面形式对围岩应力的影响规律.分析结果表明:当隧道由硬岩往软岩或由软岩往硬岩向地质界面掘进时,掘进面前方围岩均有应力集中现象.隧道无论由硬岩往软岩还是由软岩往硬岩掘进至地质界面时,掘进面前方边墙位置围岩径向应力均随侧向应力的增大而增大,掘进面前方拱顶和边墙位置围岩纵向应力均随纵向应力的增大而增大.马蹄彤隧道开挖至硬岩与软岩的地质界面时,掘进面后方边墙位置围岩应力均小于圆形隧道相应位置的围岩应力.     

TBM掘进技术的发展应用及相关工程地质问题探讨

阐述了TBM(隧道掘进机)半个世纪以来的发展及其在国内外隧道建设中的应用，指出优先采用TBM掘进技术进行隧道开挖已成为未来隧道建设总的发展趋势；并在分析大量国内外工程实例的基础上，结合TBM施工中的经验及教训，对TBM掘进过程中存在的诸如断层破碎带、挤压地层、地下水、岩溶等相关工程地质问题进行了探讨，并提出了相应的处理措施。     

复杂条件下隧道开挖循环进尺优化方法研究

复杂条件下如何选择合理的开挖进尺一直是隧道施工的难题之一。在已有的研究成果基础上,提出了圆形或近圆形隧道开挖过程的时空关系表达式,并给出基于现场位移监测数据的参数计算方法。结合关角隧道9#工区二郎洞断层破碎带现场施工情况及监测资料,建立了该断层破碎带开挖过程的时空效应关系式,结果表明,该关系式能够反映开挖过程中洞周位移的时空的变化。在此基础上提出了断层破碎带软岩开挖过程的时空效应分析及进尺优化的方法,对关角隧道9#工区几条较大断层破碎带隧道开挖的进尺进行了优化,优化后的开挖进尺是可行的,也解释了断层破碎带围岩隧道开挖“短进尺”的合理性。同时文中也分析了该方法的优点及适用范围。     

上海长江隧道过民房段地表变位预测及控制研究

复杂环境条件下大型泥水盾构施工诱发的地表变位的预测与控制是亟待深入研究的重要课题。结合上海长江隧道超大型泥水盾构推进工程,对其上行线隧道穿越民房段前试验段的地表沉降监测数据进行了分析,并采用随机介质理论预测了2条隧道单独及共同施工引起的横向地表变形和位移,据以制定了民房段施工地表变位控制措施。实例分析证明,预测方法和控制措施具有科学性、有效性,有一定的实用价值。     

盾构隧道开挖面稳定的可靠度研究

目前,盾构隧道开挖面稳定性评价方法均是确定性方法。为了考虑土体参数的变异性,提出用可靠方法来评价其稳定程度。采用数值模拟方法,研究了隧道开挖面极限支护压力。基于BP神经网络预测大量给定地层参数工况下的开挖面极限支护压力,对其进行统计,得其概率分布特征。在理论分析的基础上,结合工程实际,探讨了盾构施工土压力的确定原理。建立了隧道开挖面稳定的极限状态方程,对其进行了可靠度分析。该研究除能够科学、合理地评价开挖面的稳定程度外,对于盾构施工过程中合理地设定开挖面支护压力也具有一定的参考作用。     

求水山隧道下穿机荷高速段新奥法施工有限元计算

结合求水山隧道的暗挖法施工方案,对软土地区浅埋隧道下穿高速公路的施工过程进行了有限元模拟,以用于评价按该施工方案施工时对其上部高速公路的影响。由于该段隧道最小埋深仅4 m,且上部还有高速公路车辆荷载,因此,在设计时采用了新奥法结合管棚工法的方案。有限元建模使用平面应变单元,通过引入应力释放分析步和使用追踪单元等方法充分体现了新奥法的特点,并通过设置耦合和弹簧的方法实现了管棚工法的模拟,在计算中还考虑了开挖顺序和支护顺序的影响。研究结果表明：对于上部有荷载的浅埋暗挖隧道,控制衬砌的水平向变形能改善衬砌环的工作状态,因此,可显著减少开挖引起的隧道顶面沉降,新奥法结合管棚工法可较好地控制该类型隧道开挖引起的地表沉降变形。     

鄂北地区隧道洞口坡积土边、仰坡变形机制与进洞技术研究

坡积土隧道洞口边、仰坡在开挖后自稳能力差,且受隧道开挖影响,易发生破坏,导致隧道工程无法正常施工,并带来经济损失、危害施工人员安全。本文以香山隧道为工程背景,依据隧址地形地质,建立了隧道洞口边、仰坡的三维仿真模型,结合隧道进洞开挖,分析了洞口边、仰坡的位移和应力变化过程,研究了隧道开挖对边、仰坡的影响,优化了隧道进洞方案。研究结果表明,边、仰坡开挖坡度与原始坡度突变处会产生应力集中并形成贯通的潜在滑移面,隧道开挖对仰坡变形影响较大,坡形坡度对隧道洞口边、仰坡稳定性具有显著影响,放缓坡度和采用分步台阶开挖可有效改善边坡应力应变状态。     

隧道开挖对桩基工程影响的数值分析

隧道开挖对邻近桩基工程影响的问题引起了国内外诸多学者关注。在概述目前研究成果的基础上,探讨了采用有限差分数值模拟技术模拟建筑物桩基的方法以及参数取值问题,并就北京某地铁隧道近距离穿越某桩基工程进行了模拟,分析了隧道开挖施工而引起周围土体及桩基的变形特点。其结果可为地铁建设中预测地铁开挖对于周围环境的影响提供参考。     

软土地区双线区间盾构隧道施工对周边地表以及建筑物沉降的影响

研究盾构隧道施工对周围地面以及建筑物沉降造成的影响,是软土地区盾构隧道安全施工和正常运营的基础课题。为了分析宁波轨道交通5号线同德路站—石碶站区间双线盾构隧道施工对周边地表和建筑物的影响,本文在建立盾构隧道动态施工过程三维有限元模型的基础上,基于地表以及建筑物沉降数值模拟结果与现场监测值的对比,分析了隧道开挖对隧道周围地表沉降与建筑物沉降的影响。结果表明,掘进完成时,开挖方向沉降槽往上行线隧道方向偏移、呈现倒梯形形态,横断面影响区域为距离双线隧道轴线中心小于3倍隧道直径;上行线在下行线开挖后并不会增加地表沉降,但增大了沉降槽宽度;下行线到达前产生的沉降占最终累计沉降的67%;当盾构掘进面刚到达建筑物时、建筑物的倾斜方向与盾构掘进方向一致,当盾构掘进面离开建筑物时、建筑物将沿着盾构掘进的反方向倾斜;建筑物两侧沉降值较中部沉降值降低了83%;双线贯通后建筑物沉降呈“U”形分布,最大沉降量发生在远离隧道一侧距建筑物中心0.5 m处。     

破碎岩体浅埋大跨公路隧道开挖方案对比研究

三车道高速公路隧道通常跨度较大、高跨比较小属于大跨扁平隧道。这种结构型式对围岩稳定和结构受力均产生不利影响,因此施工中有必要通过开挖方案比选确定合理的开挖方法。江苏省宁波-常州高速公路茅山东隧道为上下行分离式双向6车道浅埋大跨扁平隧道。对于破碎的Ⅳ级围岩,针对设计阶段拟采用CRD法和实际施工采用下断面左右分部台阶法的开挖方案在设计支护条件下的三维数值模拟,从理论上分析了下断面左右分部台阶法是可行的。与实际施工过程的监控量测结果进行对比分析,进一步证实了实际开挖方案的合理性。研究成果可以为同类工程的设计与施工提供理论参考。     

Investigation of influence of tunneling on existing building and tunnel: model tests and numerical simulations

To investigate the realistic ground behavior during tunneling, a new device has been developed. With the new device, model tests of tunnel excavation considering an existing tunnel and an existing building were carried out. Non-linear finite element analyses corresponding to the model tests were also conducted using FEMtij-2D software where an elastoplastic subloading t _ij model was used to describe the mechanical behavior of soil. Earth pressure distribution around the tunnels and ground movements during tunnel excavation depend on the distance and position between the twin tunnels. There is a significant effect of tunneling on the existing foundation of building even in the case where the tunnel is constructed in deep underground. The numerical analyses capture well the results of the model tests.     

盾构隧道推进对邻近地下管线影响的物理模型试验研究

以上海地铁11号线某区间盾构工程为背景,采用相似物理模型试验研究盾构隧道开挖对上方垂直于隧道轴线的地下管线的影响,并将试验结果与数值解对比。采用量纲分析法推导出文中模型试验的相似准则,并基于该相似准则设计出盾构机和隧道模型,分别通过管线刚度试验和模糊数学综合评判方法选定模型管线和配制相似土材料。研究结果表明,自主开发的半自动盾构掘进装置能较好地模拟盾构的开挖过程,较人工开挖扰动更小;下方盾构隧道开挖使管线产生的竖向变形关于隧道轴线呈对称分布,其形态符合高斯曲线的特征,最大竖向变形位于隧道轴线正上方处,竖向变形反弯点出现在与隧道轴线水平距离约一倍隧道直径的位置处;隧道开挖对管线的影响范围随管隧间距的增加而减小,管线竖向变形曲线的反弯点位置随管隧垂直间距的增大而有所内移;管线刚度对管线竖向变形的影响相对较小。