高强度围岩隧洞TBM刀具磨损规律研究

刀具磨损是影响TBM掘进效率的重要因素,该文以北疆供水二期工程XEVIII标段隧洞为依托,开展高强度围岩条件下刀具磨损规律研究。该标段已掘进段围岩强度最大为160MPa,平均为120MPa。根据掘进过程中的刀具磨损统计资料,分析不同刀位的刀具磨损值、围岩强度和掘进参数对刀具磨损的影响以及不同掘进参数对刀具磨损的敏感度,结果表明：中心滚刀和正面滚刀的累计磨损量随安装半径增大呈指数式增长,边缘滚刀累计磨损量受安装角度影响,随安装半径增大先增大后减小;边缘滚刀的单刀磨损量最大,正面滚刀次之,中心滚刀最小;随着围岩强度提高,中心滚刀和正面滚刀每延米磨损量呈指数型增长,边缘滚刀每延米磨损量呈二次函数型增长,所有刀具每延米累计磨损量呈线性增长;围岩强度不变时,随着刀盘转速、刀盘扭矩、推力、贯入度增大,刀具每延米磨损量均呈二次函数型变化,先增大后减小,随着掘进速度增大,刀具每延米磨损量呈二次函数型变化,先减小后增大;刀具磨损对刀盘扭矩和推力最为敏感,为减小磨损,建议施工中将刀盘扭矩控制在1100～1300kN·m或2100～2400kN·m,将推力控制在9000～11000kN或15000～16000kN。     

纤维布补强地铁隧道结构的数值分析

隧道衬砌结构病害是铁路及地铁隧道的常见现象,对衬砌病害进行及时的补强工作是保证隧道结构长期安全使用的关键。以北京某地铁线路的衬砌结构病害为研究对象,介绍采用纤维布材料补强隧道衬砌结构的原始尺寸模型承载力破坏试验的设计工作。采用数值仿真方法,从钢筋受力、衬砌损伤两个方面综合讨论纤维布的补强加固效果,并确定了试验梁纤维布材料的补强形式。研究表明:试验梁下部粘帖3层3m长纤维布的补强效果最佳。补强加固后,格栅中拱顶处最大受力筋的应力减小3%;试验梁中超过300MPa的钢筋个数在各级加载应力下减少50%以上;分析混凝土中损伤因子超过0.7的单元数,初衬的损伤混凝土个数减小65%以上,二衬的损伤混凝土个数在100kN荷载作用下减小33%、在150kN荷载作用下增加11%;在高应力状态下二衬混凝土的损伤更加分散,有利于结构整体受力。试验梁内侧粘帖纤维布增加了试验梁的抗拉能力。该研究思路可以为纤维布补强施工的设计工作提供参考。     

海底隧道断层破碎带信息化施工

海底隧道开挖支护施工难度很大、安全风险极高,结合国内第二条海底隧道断层破碎带施工。采用地质调查、隧道地震勘探法(TSP法)、隧道内超前钻孔等方法,通过数据分析处理,预测了掌子面前方45 m范围内的基本地质条件,如岩性、规模、位置的长期超前地质预报,以及精度较高的短期超前地质预报,据此综合超前地质预报结果,采取上半断面全断面超前预注浆加固地层、台阶法开挖、加强支护。同时,对施工中水平收敛、拱顶下沉等监控量测数据进行分析,动态反馈于施工过程中,此即海底隧道断层破碎带信息化施工。该方法在施工中取得令人满意的结果。     

胶州湾海底隧道不对称双连拱断面施工优化分析

以青岛胶州湾海底隧道中的不对称双连拱隧道为工程背景,选取主隧道与匝道交叉口段的典型断面建立数值计算模型,针对不同的施工开挖顺序和掘进进尺制订了4种施工方案,并采用有限差分软件FLAC3D进行动态施工的三维数值模拟,计算分析并比较各方案的地表沉降、拱顶沉降和支护结构位移以及围岩应力和支护结构应力的分布情况,明确不对称双连拱隧道施工中结构变形及应力的最不利位置。分析结果表明,先施工中导洞再施工匝道断面右导洞并采用小进尺的施工方案更有利于控制围岩的稳定性,并据此提出了合理的施工方案建议。     

大断面隧道施工引起的上覆地铁隧道结构变形分析

北京地铁5号线崇文门站是在既有地铁隧道下方采用暗挖法施工的地铁车站,下穿段新建车站隧道断面宽24.2 m、高11.46 m,与既有地铁隧道结构间净距仅1.98 m。实测数据表明:施工引起的既有地铁隧道结构变形以沉降为主,沉降主要发生在导洞施工阶段;隧道结构呈刚体特征,沉降曲线近似线性,变形缝处隧道结构最大沉降31.26 mm,变形缝两侧最大差异沉降14.0 mm;道床则表现出一定的柔性特征,沉降曲线呈非线性;不协调沉降导致道床与隧道结构发生了脱开,最大脱开值12.7 mm,最大脱开范围7.0 m。采用灌浆加固对道床与隧道结构间的脱离区域进行了治理,并通过注浆对既有地铁隧道结构进行了抬升,最大提升值达16.0 mm,使既有地铁线路的高程损失得到了一定恢复,最终将既有地铁隧道结构沉降控制在16.75 mm内,确保了施工期间既有地铁线路的正常运营。     

TBM通过断层破碎带的技术

主要论述了TBM（隧道掘进机）快速通过断层破碎带的方法和步骤。介绍了断层破碎带通常存在的坍塌、涌水、软弱地层等不良地质情况可能对TBM施工造成的不利影响，并提出了相应的处理措施，以供工程技术人员参考。     

盾构隧道施工盘形滚刀推力分布规律研究

 盾构掘进时,刀盘由油缸推压到工作面上,滚刀与岩石之间产生相互作用。为研究各滚刀推力分布规律,分析影响滚刀与岩石相互作用的影响因素,指出掘进过程中滚刀推力分布主要与岩石刚度有关。假设滚刀与岩石弹性点接触,建立刀盘与岩石相互作用的三维弹性支点力学模型并进行了简化,运用有限元方法对其进行分析与比较。研究表明,刀盘上各滚刀的推力分布并不均匀,滚刀布置稀少处的推力较高,面刀推力均比边刀推力高出40%～60%。相同的刀盘形式,滚刀布置方式不同,其推力分布差异较大。最后,运用蒙特卡罗有限元方法,分析岩石刚度变化对滚刀推力分布的影响,岩石越软,滚刀推力分布越均匀;反之,滚刀推力分布的均匀性越差。在硬地层中掘进时,个别推力高的滚刀磨损严重,换刀频繁,影响了施工进度。因此,该部位的滚刀布置值得进一步研究。     

基于盾构掘进参数的岩石可切割性模糊识别

 基于重庆越江隧道盾构掘进参数和模糊识别原理,对岩石的可切割性进行研究。对典型泥岩和砂岩进行现场点荷载强度试验,利用数据采集、存储系统,获取与典型泥岩和砂岩相应的盾构刀盘推力及掘进速率,并运用多元回归分析方法建立典型泥岩和砂岩地层下的盾构掘进速率预测模型,并构建盾构掘进速率特性空间,依据岩性对空间进行划分,用掘进速率表征相应岩石的可切割性。将样本岩石的掘进速率与典型岩石的掘进速率之差定义为距离,利用模糊识别原理,建立掘进速率与归一化距离的对应关系,获得样本岩石掘进速率对典型岩石的掘进速率的隶属度,从而建立岩石可切割性识别函数。重庆越江隧道沿线围岩以泥岩、砂岩及泥岩夹砂岩交互变化为特征,属于软岩～中硬岩系列,岩石软硬变化范围不是很大。因此,将岩石可切割性划分为软、中软及中硬三个级别,对掘进过程中岩石的可切割性进行识别。识别结果是隧道施工阶段工程地质勘察报告的有益补充,增强了盾构掘进控制的科学性和准确性,为预测刀具磨损和确定换刀时机提供了科学的参考依据。     

浅埋暗挖重叠隧道施工引起的地层变形分析

 重叠隧道施工必然发生相互影响,产生诸如地表沉降难于控制等一系列问题,特别是在浅埋富水软弱围岩条件下修建重叠隧道,此类问题更加明显。通过对深圳地铁一期工程国贸～老街区间重叠隧道施工引起的地层变形实测分析,得出了富水软弱围岩条件下浅埋暗挖重叠隧道施工引起的地层运动规律。在该类地层条件下施工重叠隧道,具有变形量大、地表沉陷突发、地层损失率高(地层损失率高达9.2%,远大于一般地层)、地表横向沉降槽局部曲率和斜率大的显著特征。结合隧道围岩性质试验成果和现场工程条件,对地层变形机制及其主要影响因素进行分析,在此基础上提出该类围岩条件下施工浅埋暗挖重叠隧道控制地层变形的技术措施,并在深圳地铁I期工程的后期施工中得到充分利用,取得了显著效果。研究成果对同类地层暗挖重叠隧道施工地层变形控制具有借鉴和参考价值。     

岩体锚固系统的作用机理认识

提出了岩体锚固系统的概念，籍助岩体结构力学对岩体锚固的作用机理进行了再认识，最后提出了锚固系统的控制围岩体结构作用原理的四个效应。