盾构施工对既有建(构)筑地基承载力影响及加固土体稳定性分析

针对目前盾构施工既有建(构)筑地基加固依靠经验,缺乏完善理论作为支撑的现象,有必要研究盾构掘进中、离开后既有建(构)筑地基承载力影响机理及加固后土体稳定性。为了解水泥土加固体的受剪工作状态,开展水泥土三轴试验,结果表明,当偏应力达到屈服之前,(σ_1-σ_3)-ε_1关系近似直线,应变很小,且加固体与未加固土抗剪强度相差甚远,稳定性分析时,不考虑加固体位移及其外侧未加固土对剪力的分担。盾构掘进中,其周围土体受到挤压产生的剪应力,扩散至桩侧形成附加正摩阻力,基桩承载力提高;盾构离开后土体卸荷,桩侧产生负摩阻力,基桩承载力降低。盾构施工中加固体上段内侧受被动或主动土压力,外侧及下段受静止土压力,土压力差产生剪应力,潜在滑动界面产生拉、压应力,并导出加固后土体复合滑动面安全系数公式,通过工程实例验算加固体强度及加固后土体的稳定性。     

旋喷桩在盾构法隧道端头井洞口土体加固工程中的应用

盾构法隧道在进行盾构机的始发或到达作业时,当既有端头井洞口挡土墙结构凿除后,保证该位置土体在盾构机刀盘贯入或脱离地层前一段时间内的稳定就成了盾构机始发或到达施工的关键。结合工程实例,从高压注浆原理、注浆参数和施工工艺等方面阐述了二重管旋喷桩在盾构法隧道端头井洞口土体加固工程中的应用。再者,针对旋喷桩加固以及与其相关的盾构始发或到达施工技术方面的一些问题也提出了一些建议和看法。     

PS加固土遗址土体的红外热像检测试验研究

红外热像技术作为一门新兴的无损检测技术,是基于被测对象温度场的变化规律而进行的,目前广泛应用于检测物体表面的结构状态、性质和内部缺陷等。为了探讨土遗址加固土体的无损检测方法,以新疆交河故城遗址现场采取的扰动土制作了模型。模型的1/2用浓度为10%PS（PS为一种高模数的硅酸钾溶液）加固,1/2不加固,将加固后的模型室温静置30 d,自然风干后进行了红外热像室内模型试验。试验表明,PS阻碍了土体的热传导过程,加固前后的土遗址土体在红外热像上会出现差异,为进行土遗址加固效果的无损检测提供了一种途径。最后进行了PS加固遗址土体的热传导率测定试验和微型贯入仪现场试验,结果表明加固土体与未加固土体的热传导性能产生差异的原因与经PS加固减小了土体的热传导率、提高了土体的力学强度有关     

基于土体细观结构的土质加固分类方法初步分析

目前的土质加固与地基处理技术,大都摒弃土体原有结构不用,或实施强力重新构造土体的结构,以耗费大量的能 量、费用为代价。基于土的细观结构,从加固体的力学特性以及加固土体的结构变化角度对地基处理类别进行三类划分、按 土体加固技术的实施路径进行二类划分,目的是更多地关注加固体与土的相互作用、重视土的结构作用。若能在加固时充分 利用土体的原有强度,在已有的土体结构形式上实施结构上的补强,在理论上将使能量使用更经济、从而节约工程造价,而且 将减少对环境的影响和扰动。     

高边坡稳定性评价、加固措施和监测分析

以某地高边坡为工程实例,根据高边坡的基本特征,分析了其发生局部变形的原因,并对稳定性进行定量评价。经分析最终采用刷坡卸载+微型钢管桩+排水系统+绿化综合治理方案。治理后通过检测和监测成果,得出注浆前后土体抗剪强度指标变化,在此基础上比较加固前后边坡稳定性变化,体现了信息化施工对边坡稳定性的印证,对今后治理类似高陡边坡时具有一定的借鉴作用。     

基于土体强度冗余法的桩锚支护结构动态稳定性分析

滑裂面的搜索方法及安全系数的计算理论是深基坑桩锚支护结构稳定性分析理论的基础。传统圆弧滑动法在分析抗滑力矩的过程中,滑裂面法向应力的计算存在过多假设;且在通过网格搜索法确定最危险滑裂面圆心的过程中,粗糙网格的搜索结果误差较大,精细网格的搜索效率较低。基于以上问题,提出了分析基坑动态稳定性的土体强度冗余法,并采用了可提高精细网格搜索效率的自适应网格搜索法。通过算例将土体强度冗余法、滑动面应力法及圆弧滑动法的计算结果进行对比。计算结果表明,滑动面应力法高估了对滑裂面附近土体的抗剪强度,圆弧滑动法不能考虑土方开挖对桩后土体抗剪强度的削弱作用,土体强度冗余法能合理反映基坑的整体稳定性。     

降雨条件下岸堤非饱和边坡变形及加固分析

边坡降雨入渗过程是典型的非饱和流固耦合问题,对不同降雨时长下的边坡进行稳定性分析对安全施工具有重要意义。本文以浙江河堤边坡为例,基于强度折减法和饱和非饱和流固耦合理论,模拟分析了不同降雨时长下,边坡的变形位移以及安全系数。此外还对比分析了不同降雨时长下,土坡加固前后边坡安全系数的变化,桩土之间的应力关系,以及抗滑桩对边坡塑性区的贯通以及稳定性的影响。结果表明,边坡的安全系数与降雨时间呈负相关,随着降雨时间的持续增长,加固后的边坡,其安全系数同样降低,但安全系数明显高于未加固时的边坡,抗滑桩对上部土体向下的滑动变形起到了阻止作用。     

非饱和土含水量对强夯加固效率的研究

本文从土体强度构成入手,分析了含水量对土的抗剪强度及夯击效率的影响,并通过试验证明了当土体含水量接近最佳含水量时,强夯加固非饱和土的加固效率最高.     

渗透性与降雨强度对堆积层滑坡稳定性的影响

本文基于非饱和渗流理论及非饱和土的Fredlund双应力变量强度理论,对一沿岩土接触面滑动的堆积层滑坡模型,分别进行了8种条件下的降雨入渗数值模拟试验,研究了不同土体渗透性及降雨强度对滑坡稳定性的影响。结果表明:(1)堆积层滑坡的稳定性与土体的渗透性有密切关系,在降雨后的短期内,土体渗透性越好,滑面孔隙水压力升高越明显,滑坡的稳定性降低程度越大;(2)降雨期间,埋深较浅的滑面,入渗雨水能够较快到达,对滑坡稳定性的影响较大;(3)在相同的降雨时间内,降雨强度越大,滑坡稳定性降低速率越快;(4)降雨强度影响着滑坡发生的滞后性,在降雨总量一定的条件下,若降雨强度较大,雨停后,滑坡稳定性继续下降的程度较大;(5)降雨总量控制着滑坡的最终稳定性。     

粘土的变形、破坏和强度的一些问题

以往,土力学中计算土体变形应用的是弹性理论,土被简化为直线变形体.在稳定性分析中应用的是塑性理论,土体的强度的发挥与变形无关.这些不妥当的假定沿用了很长的时间,一直到电子计算技术应用于土力学,人们才可根据试验获得的土的应力～应变关系来计算实际土体的应力和应变分布,从而判断土体各点所处的状态是弹性平衡,还是塑性平衡,这种判定需要一个量标～抗剪强度指标.土的强度的确定,是个复杂的问题.它不仅与应力条件和排水条件有关,而且与变形密切关联,     

TBM滚刀破岩的广义粒子动力学数值模拟

提出了一种新的无网格数值模拟计算方法--广义粒子动力学法(GPD),并在GPD算法中引入了粒子损伤理论。运用GPD方法,建立了TBM单滚刀、双滚刀作用下的完整岩体破岩模型,成功模拟了TBM滚刀破岩过程。通过与数值模拟结果及室内试验结果的对比分析,验证了GPD法模拟TBM滚刀破岩过程的有效性。同时,运用GPD方法建立了含节理岩体及高围压条件下岩体的TBM滚刀破岩模型,研究了节理及围压条件下TBM滚动破岩过程。得到了节理对TBM滚刀破岩效率的影响,既可能是促进作用又可能是抑制作用,高围压对TBM滚刀破岩过程中裂纹的起裂及扩展和破岩深度有较大的影响。     

Mechanical response of surrounding rock of tunnels constructed with the TBM and drill-blasting method

There are two kinds of excavation methods in underground engineering: the tunnel boring machine (TBM) and the drill-blasting method. A large number of studies have shown that the deformation and failure, the degree of disturbance, the stability and the reinforcement measures of surrounding rock using the TBM and drill-blasting method vary from each other. To accurately master these macroscopic damages, it is necessary to focus on the investigation of the micro-mechanical responses of the surrounding rock. Scanning electron microscopy tests, acoustic emission tests and tunnel acoustic detection tests were carried out to analyze the mechanical response of surrounding rock of tunnels, which were excavated in marble by, respectively, the TBM and the drill-blasting method. The tests results showed that most of the rock fractures cut by TBM is wipe along the crystal, and the failure mechanism is mainly cutting, while most of the rock fractures induced by the TBM coincide with crystal planes, its mechanism is mainly tensile. The stress–strain curves of rocks cut by the TBM method are rather flat around the peak strength, which means a strong resistance to deformation around the peak load. The response of AE for the rock cut by the TBM method appears after larger strains than the response of the rock constructed by the drill-blasting method. This suggests that the resistance to damage is higher under TBM excavation conditions. The relaxation depths of the tunnel excavated by the drill-blasting method are larger than the tunnel excavated by the TBM method. The research can provide more insight into tunnel failure mechanisms and provide a framework for reinforcement measures.     

基于UDEC的隧道掘进机滚刀破岩数值模拟研究

现今全断面隧道掘进机（TBM）施工方法在长大深埋隧道工程中已被广泛采用,对滚刀破岩关键技术的进一步认识具有重要的工程价值。为了研究滚刀破岩机制,分析刀圈断面形态、岩石强度和节理角度对其的影响,运用UDEC方法建立了滚刀贯切岩石的二维数值系列模型,对TBM滚刀破岩过程进行了仿真。分析表明：滚刀破岩是滚刀下岩石拉破坏和剪破坏的综合反映,拉破坏是裂纹萌生与扩展的主要驱动机制;刃宽较大的平刀与刃角较大的楔刀破岩效果较好;平刀与楔刀在软岩中破岩效果相近,平刀在硬岩施工中比楔刀的破岩效果好;滚刀对节理角度为30°～60°的岩石破坏效果较好,由于楔刀的“劈裂”作用,楔刀比平刀更适合用于贯切含有节理的岩石。     

全断面盾构机异质岩土掘进载荷等效模型研究

由于岩土结构的变化,全断面盾构机在掘进过程中推进力和扭矩需要进行适当的顺应性设计以获得良好的掘进效率,以减少刀具磨损和损伤破坏事故的发生。针对盾构机在掘进过程中遇到的典型地质结构,建立地质结构的圆形百分比模型,分析刀盘上不同刀具在掘进过程中载荷受力,建立不同刀具及总扭转载荷的数学表述方法,基于该方法对盾构机在异质岩土结构中旋转时刀盘总扭矩随旋转角度的变化特性进行研究,结果表明,在软岩与硬岩比例大约为30%时刀盘的扭矩载荷波动最大,容易造成刀盘堵转及损伤事故,该可以解释云南上公山隧道掘进时频繁堵转产生机理,为异质岩土掘进时盾构机冗余驱动电机的顺应性设计提供指导。     

隧洞TBM施工过程中的地质编录

ＴＢＭ越来越多地用于隧洞开挖,有必要对ＴＢＭ施工地质进行研究,本文从现场施工要求的角度出发,概述了ＴＢＭ施工特征,以渣料的地质编录为重点,阐述了ＴＢＭ施工中地质编录方法及应用条件,进而归纳出如何利用各种地质信息指导超前钻探,预测不利地质条件,为ＴＢＭ施工提供地质依据。     

基于Monte Carlo-BP神经网络TBM掘进速度预测

预测隧道工程中TBM掘进速度,主要有完全经验的、半理论半经验的模型和人工智能等方法,所用参数均为确定性的,未考虑参数存在的随机性,故导致预测结果的不准确性。基于此,提出了Monte Carlo-BP神经网络TBM掘进速度预测模型,着重考虑了一些重要输入参数的随机性, 其中输入参数重要性的大小通过粗糙集进行计算排序。采用Monte Carlo产生随机数时,由于参量的样本数据的有限,分布函数均采用阶梯形经验分布函数。如果采用的数据是来自不同类型的 TBM,则应当考虑机器性能参数,并重新对参数重要性进行排序。实例计算表明,Monte Carlo-BP神经网络模型预测结果和实测值总体趋势和均值比较一致。     

TBM Performance Analysis in Pyroclastic Rocks: A Case History of Karaj Water Conveyance Tunnel

Karaj Water Conveyance Tunnel (KWCT) is 30-km long and has been designed for transferring 16 m³/s of water from Amir-Kabir dam to northwest of Tehran. Lot No. 1 of this long tunnel, with a length of 16 km, is under construction with a double shield TBM and currently about 8.7 km of the tunnel has been excavated/lined. This paper will offer an overview of the project, concentrating on the TBM operation and will review the results of field performance of the machine. In addition to analysis of the available data including geological and geotechnical information and machine operational parameters, actual penetration and advance rates will be compared to the estimated machine performance using prediction models, such as CSM, NTNU and Q_TBM. Also, results of analysis to correlate TBM performance parameters to rock mass characteristics will be discussed. This involves statistical analysis of the available data to develop new empirical methods. The preliminary results of this study revealed that the available prediction models need some corrections or modifications to produce a more accurate prediction in geological conditions of this particular project.     

爆破扰动下TBM隧洞时滞型岩爆特征及影响机制研究

时滞型岩爆的发生通常具有很强的随机性,会对施工安全造成巨大的威胁,而开挖扰动、爆破扰动等均会对潜在时滞型岩爆区产生不同程度的影响。依托某隧道掘进机（TBM）引水隧洞,采用理论分析和对比分析法研究了拆机洞爆破开挖期间K54+000—K54+700段发生的5次时滞型岩爆,发现：（1）强烈岩爆和中等岩爆区位于缓倾断层附近,围岩发育短小隐节理和含充填的细密节理,轻微岩爆距断层远或位于正断层附近,除含充填的细密节理外,均至少发育1条含充填物的倾向SW的陡倾结构面;（2）TBM法开挖隧洞时滞型岩爆滞后爆破时间更长,滞后工作面距离更远,且爆破对TBM隧洞的扰动作用相对较小;（3）爆破扰动使得潜在时滞型岩爆区围岩失稳变得容易,从而加速了时滞型岩爆的进程。研究成果可为TBM隧洞时滞型岩爆的预警与防控提供参考。     

水力切缝上方TBM滚刀贯入破坏机制模拟研究

为了提高坚硬岩层隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）贯入度和降低滚刀受力,高压水射流辅助TBM滚刀破岩已在工业界初步应用。为了揭示水力切缝滚刀破岩机制,基于水力切缝岩石滚刀贯入试验进行了三维颗粒流模拟,研究了滚刀贯入力和贯入刚度随切缝深度的变化规律,揭示了不同切缝深度滚刀纵横剖面内的裂纹扩展和力链演化过程,分析了拉裂纹和剪裂纹随切缝深度的变化规律,明确了不同切缝岩石滚刀贯入的破坏模式和破坏机制。结果表明,第1次贯入的贯入刚度和贯入力随切缝深度的增加大致呈线性降低,第2次贯入的峰值力和贯入刚度小于第1次。而且,50～80 mm刀间距的变化对峰值贯入力的影响并不显著。随着切缝深度的增加,滚刀下方力链集中区边缘的倾角变大。由此导致破坏倾向于倾斜向下发展,当刀间距增加时,破坏由切缝一侧倾斜破坏向两切缝中间岩脊倾斜破坏转变,研究结果可为TBM滚刀与水射流布置和切缝深度的选取提供一定参考。     

Predicting TBM penetration rate in hard rock condition: A comparative study among six XGB-based metaheuristic techniques

A reliable and accurate prediction of the tunnel boring machine(TBM) performance can assist in minimizing the relevant risks of high capital costs and in scheduling tunneling projects.This research aims to develop six hybrid models of extreme gradient boosting(XGB) which are optimized by gray wolf optimization(GWO), particle swarm optimization(PSO), social spider optimization(SSO), sine cosine algorithm(SCA), multi verse optimization(MVO) and moth flame optimization(MFO), for estimation of the TBM penetration rate(PR).To do this, a comprehensive database with 1286 data samples was established where seven parameters including the rock quality designation, the rock mass rating, Brazilian tensile strength(BTS), rock mass weathering, the uniaxial compressive strength(UCS), revolution per minute and trust force per cutter(TFC), were set as inputs and TBM PR was selected as model output.Together with the mentioned six hybrid models, four single models i.e., artificial neural network, random forest regression, XGB and support vector regression were also built to estimate TBM PR for comparison purposes.These models were designed conducting several parametric studies on their most important parameters and then, their performance capacities were assessed through the use of root mean square error, coefficient of determination, mean absolute percentage error, and a10-index.Results of this study confirmed that the best predictive model of PR goes to the PSO-XGB technique with system error of(0.1453, and 0.1325), R~2 of(0.951, and 0.951), mean absolute percentage error(4.0689, and 3.8115), and a10-index of(0.9348, and 0.9496) in training and testing phases, respectively.The developed hybrid PSO-XGB can be introduced as an accurate, powerful and applicable technique in the field of TBM performance prediction.By conducting sensitivity analysis, it was found that UCS, BTS and TFC have the deepest impacts on the TBM PR.