EPB盾构开挖面稳定性的PFC-FLAC耦合分析

基于离散元-有限差分(PFC-FLAC)多尺度耦合分析方法模拟盾构掘进的动态过程,根据开挖面土体颗粒进入土舱的速度状态提出了一种土压平衡(EPB)盾构开挖面稳定性评价方法.通过建立刀盘切削和出渣过程的盾构隧道掘进耦合模型,分析了不同掘进模式和不同地层条件下开挖面的稳定性,并结合实际工程进行验证.结果表明:离散元与有限元耦合方案可以有效地模拟盾构渣土进出舱过程中的细观力学行为;地层因素对掘进模式选择影响较大,砂层或上软下硬地层中保持满舱或3/4舱模式掘进时能更好地控制开挖面稳定;在全断面粉砂地层和上部中砂下部风化岩地层中,开挖面失稳的临界支护压力比分别为0.41与0.29;在恒定排土条件下,掘进速度对开挖面稳定性影响较大.     

盾构穿越特殊地层掘进施工技术应用分析

针对郑州地铁2号线盾构法掘进施工过程中遇到的大量的姜石和胶结层,造成盾构机掘进迟缓、刀盘易"结饼"、扭矩增大等变化.从盾构机流体部分、电气部分、刀盘及回转接头等方面提出了改良措施,并对改良后的盾构机掘进速度、刀盘扭矩、总推力等参数和之前的数据进行拟合,分析改良效果.由于掘进隧道相邻既有建筑物,在进行路面沉降动态监测的过程中考虑了遮拦效应的影响,以保证施工的准确及安全性.这些改良措施提高了土体的流塑性,保证了土压平衡的建立,土体进入及排出土舱速度得到有效缓解,有效降低了刀盘的扭矩,而且刀盘扭矩的变化幅度也逐渐趋于平缓,避免了刀盘扭矩过大超过额定扭矩及刀盘"结饼"等现象.     

盾构机密封舱土压力分布的有限元数值模拟

为了确定盾构机密封舱渣土的非线性本构模型及其模型中的参数,提出了基于三轴压缩实验数据的参数反演方法。基于土压力理论,建立了盾构机掘进工作面土压力分布模型。基于Duncan-Chang非线性双曲线本构模型,数值模拟了土压平衡盾构机密封舱内的土压力分布特性。数值模拟结果表明:密封舱隔板上的土压力与掘进工作面土压力存在压力差,其大小与刀盘开口率有关。数值模拟的密封舱内土压力分布场为密封舱土压力分布式控制系统提供了参考模型。     

苏州市轨道交通3号线重叠隧道盾构掘进参数控制值研究

依托苏州市轨道交通3号线土建Ⅲ-TS-14标现娄区间重叠隧道工程特点,详细介绍了管片衬砌结构设计和施工组织技术,选取重叠段中间50环管片对应的盾构掘进参数进行了统计分析,包括掘进速度、同步注浆压力与注浆量、土舱压力、盾构推力与扭矩、刀盘转速、出土量、二次注浆压力与注浆量,解决了软土重叠隧道盾构掘进参数控制值问题,为今后类似工程提供技术指导。     

超孔隙水压力影响的土压平衡盾构开挖面稳定特性

针对土压平衡盾构掘进过程中开挖面稳定控制对周边环境影响的问题,通过原位监测手段得到盾构开挖面上超孔隙水压力和土压力增量的发展和分布情况,在此基础上进行考虑流固耦合的数值分析,得到考虑超孔隙水压力影响情况下欠支护状态和超支护状态的开挖面稳定特性.利用数值模型进行参数分析,研究土体渗透系数以及盾构停推时间对于开挖面稳定的影响,为实际施工提供有益的参考.     

考虑土拱效应的盾构隧道开挖面稳定性

在考虑松动土体内的三维土拱效应和开挖土体与刀盘摩擦力的基础上,改进了传统的筒仓楔形体模型计算方法.结果表明:最小土压应力并不是传统方法假设的均匀分布形式,而是近似呈抛物线分布;土的黏聚力、内摩擦角、刀盘与松动土体间的摩擦角以及埋深等物理参数对其最小土压应力均有一定程度的影响;降低刀盘与开挖面土体间的摩擦角可以显著增加开挖面的极限稳定性.通过与模型试验结果和其他计算方法的对比分析,验证了本文计算方法的合理性.     

基于蒙特卡罗方法盾构刀盘的结构可靠性分析

盾构刀盘承担开挖土体作用,在整个掘进过程中刀盘工作环境恶劣,受力情况比较复杂,在考虑输入参数(如刀盘载荷、材料属性等)不确定性因素的基础上,对刀盘可靠性进行了研究,研究刀盘在不确定性因素的作用下刀盘结构的可靠性.该文首先通过三维建模软件Pro/E对盾构机刀盘进行建模,然后将模型导入到有限元软件ANSYS中,采用蒙特卡罗有限元方法对刀盘的可靠性进行分析,考察刀盘结构可靠性,确定刀盘的失效概率及影响其失效的显著因素.     

长沙地铁典型板岩地层土压平衡盾构掘进参数精细化控制

依托长沙地铁2号线典型板岩地段盾构工程,对盾构总推力和刀盘扭矩计算值与实测值进行对比分析,并对刀盘每转切深和土舱压力进行统计分析,提出典型板岩地层中土压平衡盾构掘进参数的控制值。最后结合地表沉降监测,对参数控制的效果进行评价。研究结果表明:采取理论方法计算板岩地层中盾构总推力和刀盘扭矩时,需对这2个参数进行修正。修正总推力计算值时,修正系数取1.4~1.7;修正刀盘扭矩计算值时,修正系数取0.4~0.5。同时刀盘每转切深应控制在30~40 mm之间;土舱压力应控制在0.09~0.13 MPa之间。基于地表沉降监测,上述盾构掘进参数控制值具有一定的合理性,且效果明显。盾构掘进区域内地表的沉降比较小,基本控制在1.5~4.0 mm。     

海上风电复合筒型基础粉质黏土下沉试验分析

复合筒型基础的沉放是一项关键施工过程.沉放时土体在施工负压下受到扰动,土体中土压力和孔隙水压力发生变化,对沉贯阻力造成影响.针对复合筒型基础的沉放过程,在粉质黏土中开展了大比尺模型试验.试验中监测了基础舱内压力、周围土体的土压力及孔隙水压力的变化.通过理论计算,对试验模型沉贯所需负压进行预测,并将试验施加负压与预测负压进行对比.试验结果表明:基础周围土体土压力和孔隙水压力在负压作用下均减小,且筒壁内侧土体土压力减小程度大于外侧土体;沉放过程中基础发生倾斜时,通过向高舱处抽负压可以有效调整基础的倾斜度;预测负压大于试验施加负压,当使用Houlsby提出的计算方法计算筒型基础在粉质黏土中的沉贯阻力时,摩擦系数建议取0.3.     

地铁区间软土隧道复合式土压平衡盾构适应性改造技术

针对某地铁六号线某区间工程特点,对复合式土压平衡盾构进行了盾体外径扩大、刀盘刀具更换和推进系统改造,并就改造后的刀盘结构和刀具配置掘进软土地层进行了详细的适应性分析,现场成功进行了100环管片掘进试验,得出了盾构机总推力、刀盘扭矩和转速、掘进速度、土压力以及同步注浆量等掘进参数,验证了改造复合式土压平衡盾构掘进软土地层...     

复合地层双模盾构与复合盾构刀具磨损对比

软硬交替复合地层中可采用双模盾构和复合式盾构进行掘进施工。然而目前针对双模盾构和复合盾构在软硬交替地层中的适应性缺乏清晰明确的现场掘进数据进行对比验证，特别是施工参数和刀具磨损方面。本文基于深圳地铁12号线相似地层的三个相邻盾构区间工程，对比不同盾构机的盾构掘进施工参数、刀具服役情况及岩渣形态，分析刀具磨损的原因及特征，并进一步对比在长距离软硬交叠地层下EPB/TBM双模盾构和复合EPB盾构的掘进效能。结果表明：（1）双模盾构TBM模式在岩质地层中的推进速度可达到双模盾构EPB模式的2倍及复合EPB盾构的3倍。受土仓压力和刀盘转速影响，刀盘推力和扭矩差异较大的双模EPB模式和复合EPB盾构更易造成刀具异常磨损。（2）双模盾构TBM模式滚刀磨损速度更低，其刀具寿命是双模盾构EPB模式和复合EPB盾构的3~5倍，换刀时间占比约为后两者的1/2~3/8，EPB/TBM双模盾构总体掘进效能优于复合EPB盾构。（3）双模盾构TBM模式的岩渣中岩片更多且形状细长而扁平，在岩石地层中EPB/TBM双模盾构掘进效率优于复合EPB盾构。     

基于模糊层次分析法的岩溶区土压平衡盾构适应性评价

土压平衡盾构作为一种较为先进的隧道掘进机械,由于其安全、可靠等优势,在我国的城市地铁隧道工程施工中得到了广泛的应用。我国南方地区岩溶地层非常普遍,土压平衡盾构在岩溶地层中掘进容易产生“栽头”、刀具不均匀磨损等问题,因此评价岩溶地层条件下土压平衡盾构的适应性是非常有必要的。本文依托南宁地铁4号线2标相关盾构隧道工程,分析岩溶区各方面因素对土压平衡盾构适应性产生的影响,通过层次分析法确定最终的土压平衡盾构在岩溶地区的适应性评价指标,参考已有研究成果结合模糊数学方法确定评价指标的隶属函数,构造了岩溶区土压平衡盾构适应性评价模型,提供了岩溶区土压平衡盾构适应性评价方法。以南宁地铁4号线2标“良良”、“体良”和“清龙”盾构区间所采用的土压平衡盾构机为应用实例,现场盾构施工情况与本文提出的评价方法的评价结果匹配较好。本文提出的岩溶区盾构适应性评价方法对类似地层盾构机评价及应用具有一定的指导意义。     

盾构机刀盘与土体相互作用模拟分析

土压平衡盾构机的安全掘进施工主要依赖于盾构机刀盘与土体的相互作用,使得地表的变形得到有效控制。基于Rankine的土压力理论,研究了盾构机刀盘合理土压力的设置问题,模拟了盾构机刀盘与土体的相互作用。研究表明,仅从保证地表既不隆起又不沉陷的约束条件考虑,掘进工作面从主动土压力到被动土压力存在较大的范围。考虑到减少刀具磨损和节约能源问题,推荐理想的掘进工作面土压力为静止侧向土压力。     

粉性土中土压平衡盾构施工的扰动影响

结合上海轨道交通明珠线二期工程“溧阳路站—临平路站”区间盾构推进工程,进行静力触探试验、超孔隙水压力测量以及地面沉降的量测.从上述不同角度,分析了EBP(土压平衡)盾构在粉性土中推进对土体扰动、变形的影响,研究了受影响区域土体静力触探强度、超孔隙水压力随着时间的变化趋势及随之表现出来的地面变形趋势,得出了超孔隙水压力发展的规律及经验公式,并总结分析了三者之间的相互关系.为今后盾构施工扰动的分析及控制提供有益的参考.     

土压平衡式盾构机掘进性能评价方法

盾构机掘进性能是盾构机设计性能和施工操作复杂耦合作用的结果,依据盾构机掘进参数评价其掘进性能对盾构机刀盘结构设计和施工参数设定具有重要意义.在掘进参数基础上确定了影响土压平衡式盾构机掘进性能的评价指标,推导出刀盘扭矩和盾体推力的理论公式,基于性能评价指标构建了包括掘进能耗和效率的盾构机性能评价函数,并提出了盾构机掘进性能的参数化评价方法;通过结合现场施工数据对盾构机掘进性能进行了分析和评价,得出了掘进参数改进方法,并验证了其理论的正确性.该评价方法通过分析盾构机参数和地质参数可以评价盾构机掘进性能,并提供盾构机刀盘设计理论和施工参数设定方法.     

基于集成Dropout-DNN模型的盾构掘进速度预测方法

为了提升土压平衡盾构机的掘进速度预测精度,提出一种集成Dropout-DNN模型的盾构掘进速度预测方法。依据济南地铁R1线盾构隧道段工况数据,将数据集划分为五份,并选取刀盘转速、刀盘扭矩、总推进力、螺机转速、土仓压力这五个参数为输入参数,分别建立了五个Dropout-DNN模型并进行集成实现了盾构掘进速度的预测,进一步对不同的预测方法进行了对比分析。研究结果表明：各Dropout-DNN模型预测精度具有一定的差异性但基本良好,其决定系数均大于0.6、平均绝对百分误差均小于10%,而集成的Dropout-DNN模型决定系数为0.695、平均绝对百分误差小于5%,可见集成模型预测精度较高;基于BP神经网络、DNN模型实现的盾构掘进速度预测模型其决定系数分别为0.502、0.566,可见提出的集成Dropout-DNN模型预测精度提升明显。     

复合地层土压平衡盾构刀盘掘进参数

土压平衡盾构在复合地层中掘进时常出现推力和扭矩波动幅度过大的问题,为了研究盾构机在复合地层中刀盘受力特点,基于扩展模型建立了不同类型全刀盘掘土数值模型,研究了全刀盘Mises应力以及推力和扭矩的变化规律,验证了数值计算结果的合理性。基于室内土压平衡盾构掘进试验,研究了盾构机掘进参数在不同地层中的变化规律。研究结果表明,随着刀盘推进深度增加,各类刀盘Mises应力最大值呈增加的趋势。各类地层全刀盘掘进模型的推力及扭矩计算误差均未超过10%,利用扩展Drucker-Prager模型所建立的全刀盘掘进模型是合理的。土压平衡盾构掘进模型试验表明,随着中风化泥质粉砂岩地层占比逐渐增大,盾构机推力有增大的趋势;盾构刀盘扭矩先增大后减小,最后趋于稳定;出土器扭矩变化不明显。整个推进过程中盾构机推力变化范围为6.0～7.7 kN,扭矩变化范围为773.4～1 195.8 N·m,出土器扭矩变化范围为32.5～104 N·m。     

The scheme design for the earth pressure balance shield cutterhead structure

The earth pressure balance （EPB） shield cutterhead structure, which features an opening ratio and opening distribution as a core, seriously affects tunneling stability and tunneling efficiency. This paper presents a new model for the soil using visco-plastic fluid theory, and then introduces the model into the computational-fluiddynamics model to comprehensively analyze the cutterhead structure, which consists of the soil, the cutterhead, the working chamber, and the screw conveyor. Based on this model, the stability situation and tunneling perfor- mance of multiple schemes of the cutting head structure are analyzed by changing the opening ratio and the opening distribution on the cutterhead. In this study, a new method for design and analysis of the EPB-shield cutterhead structure is proposed that fits changes in geologic conditions. The results will be helpful for engineers and manufacturers of more efficient machines and for carrying out tunneling projects with more stable EPB-shield cutterheads, and it will reduce the influences of changing geologic conditions during all stages of tunnel construction.     

复合地层泥水盾构开挖面失稳破坏宏微观机理

针对复合地层泥水盾构开挖面稳定性问题,采用试验研究和数值仿真分析相结合的方法,并结合宏观及微观研究手段,对泥水盾构施工过程中周围土体力学特性及地层变位,进行了定量分析,揭示了该地层条件开挖面的失稳破坏模式.在此基础上建立了完善的开挖面稳定性三维解析方法,主要得到以下结论:对于常见上软下硬复合地层情况,低应力水平条件下泥浆的渗入能在一定程度上提高土体的强度,减缓侧向变形的发展,因此,有效泥浆支护压力宜控制在较小的区间取值,且不宜过大,并应充分利用盾构本体正面挡板来保持地层的稳定;上软下硬复合地层中开挖面失稳破坏模式与砂性土地层的失稳破坏模式相似,即表现为开挖面前方为楔形体,破坏区域顶部为烟囱状,最大沉降量发生在开挖面前方顶部附近.