盾构智能化姿态控制器的设计

在理论推导千斤顶推力的基础上,寻求工程历史数据的规律,得出地质条件与盾构推进千斤顶压力的关系.在控制器实时控制中,根据探地雷达探测得到的盾构前方的地质条件,控制器预设盾构各区千斤顶的压力值.引入模糊控制理论,根据自动测量系统测得的实时偏差量,通过模糊控制器得出千斤顶纠偏控制量.最后,综合推估推力和纠偏推力,最终实现盾构推进姿态的自动控制.     

土压平衡式盾构掘进顶推力和刀盘扭矩理论研究

利用盾构技术对隧道工程进行掘进施工时,盾构的顶推力和刀盘力矩的大小是控制隧道掘进的两个重要参数,将直接影响掘进过程的难易程度和时间进度。基于土压平衡盾构的原理,运用数学方法和力学平衡法,从理论上分析研究盾构刀盘力矩和顶推力的影响因素,并进行理论推导和计算,根据依托工程的实测值,对比分析顶推力和刀盘扭矩理论计算值与实测值的差异,验证了理论推导和计算结果的正确性,为盾构技术的进一步发展提供理论参考。     

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。     

土压平衡盾构中顶进推力的计算分析

针对土压平衡盾构开挖过程中顶进推力难以确定的问题。采用理论计算与数值拟合相结合的方法,计算土仓和掘进面的等效压力,从而推导出隧道开挖所需的顶进推力。以实际工程为背景,利用ABAQUS在该顶进推力作用下地表沉降规律。结果表明:①该土仓与掘进面压力的计算方法适用于卵石地层;②盾构推进力为110 000 N时,开挖较为稳定;③监测与模拟的地表沉降值较为接近,两者之差小于2 mm。该研究对卵石地层中的盾构开挖具有一定的指导意义。     

大直径盾构切穿抗滑桩对堤岸的变形影响分析

为研究大直径盾构切穿护岸抗滑桩对堤岸的扰动影响,确保盾构隧道穿越过程中大堤的安全性与稳定性,采用有限元分析软件建立了隧道-桩基-堤岸三维数值模型,重点分析了盾构切穿施工时堤岸及桩体的变形规律,并对比了不同盾构推力下桩体的变形差异.研究结果表明:盾构切削护岸抗滑桩将导致大堤迎水面边坡产生较大扰动,坡顶出现最大纵向位移,被切桩周围土体出现明显下沉;在盾构推力以及迎水面滑坡推力的双重影响下,抗滑桩以挠曲变形为主,整体形成一条倾斜的“S”形曲线,盾构刀盘抵近桩体时的抗滑桩挠曲变形最为明显;盾构推力由0.7倍静止土压力增至0.9倍,桩身水平位移大幅增加,盾构刀盘抵近桩基时的桩底位移增幅高达162%.综上可知,盾构切削穿越抗滑桩时应严格控制推进速度、泥水压力等施工参数,以减小盾构推力对堤岸及桩体的不利影响.     

盾构长距离下穿铁路股道引起的地表沉降分析

以天津津滨轻轨天津站至七经路站的盾构施工区间工程为对象,对多条铁路轨道下,盾构长距离推进过程中引起的地表变形进行了三维有限元数值模拟,根据模拟结果分析了盾构施工导致沿盾构方向和垂直于盾构方向的地表沉降量,总结了盾构施工各阶段发生的地表沉降变化规律;研究了盾构掘进对地表的扰动范围;模拟和分析了不同工况下盾构施工引起的地表沉降差异.结果表明,数值计算的地表最大沉降量在18~20 mm,与其监测值较吻合,注浆量对地表沉降的影响比注浆压力和土舱压力显著.
     

卵石地层中地铁盾构近距下穿盾构隧道施工沉降控制

为研究卵石地层条件下盾构下穿施工时既有盾构隧道的沉降特征及其控制措施,依托北京地铁16号线盾构下穿既有地铁4号线盾构隧道工程,通过分析既有隧道沉降的数值模拟结果,结合现场监测数据和盾构施工参数,探讨了盾构的适应性改造,总结了隧道沉降的规律,阐明了调控盾构施工参数的经验。研究表明,为适应卵石地层条件,盾构须提高构件耐磨性、增设注浆及泡沫系统;既有隧道沉降在盾构通过时变化较大,而在盾构到达前和通过后变化较小,且盾构施工的再次扰动影响显著;为有效地控制既有隧道沉降,盾构施工参数应根据监测数据实时调控,保持较高的土仓压力和顶推力,通过提高注浆压力确保注浆质量。     

小曲率盾构隧道管片施工附加内力计算模型研究

由于盾构隧道施工阶段结构受力复杂，尤其是对于小曲率盾构隧道，千斤顶推力容易引起较大的附加弯矩。为了解决小曲率盾构隧道附加内力计算问题，以某地电缆隧道盾构施工工程为背景，对千斤顶推力进行简化分析，提出了千斤顶推力引起的附加弯矩计算公式。根据公式计算结果，附加弯矩随盾构机的外径和长度增大而增大，随盾构隧道转弯半径减小而增大。针对该工程项目的具体结构尺寸对千斤顶推力的设置提供建议，计算结果可为类似工程提供一定的参考。     

考虑黏土蠕变特性的大埋深盾构复推总推力增量解析解研究

由于黏土存在蠕变效应,黏土地层中盾构长时间停机会诱发盾构复推总推力增量过大、盾构姿态难以控制、管片易破损等次生风险等问题,将黏土地层视为Burgers黏弹性体,构建考虑地层应力和蠕变特性的大埋深圆截面隧洞简化力学模型,根据黏弹性理论推导盾壳-地层径向接触应力的黏弹性解,进而通过积分和分段计算求解复推总推力增量与停机时间的理论关系式。结合水工盾构隧洞停机实例,对比复推总推力增量实际值与理论值。研究结果表明：复推总推力增量实际值与理论值平均相对误差为13.81%,验证了该解析解的可靠性;隧洞埋深越大,复推总推力增量越大,表明大埋深段停机需更关注复推推力控制;盾壳-地层界面摩阻力随超挖间隙增大而减小,而复推总推力增量随之增大;此外,总推力增量随着盾壳-地层界面摩擦因数减小而显著减小。因此,设置合适的超挖间隙和长时间停机时采取往盾壳外注入膨润土等润滑减阻措施能有效预防大埋深段停机的次生风险。     

花岗岩球状风化发育区盾构施工特点分析

花岗岩发育地区球状风化体(俗称"孤石")的分布直接影响城市轨道交通工程的盾构施工。基于华南地区花岗岩球状发育区盾构施工工程案例,分析了在这一特殊地质环境下盾构施工在盾构机选型和盾构推进过程中参数控制相关问题,提出花岗岩球状风化体发育区盾构施工应合理选择盾构机,在孤石地层掘进时应控制掘进速度、刀盘扭矩、盾构机的推力,刀盘的贯入量以及刀盘的转速等施工参数,做到平稳掘进,减少对地层的扰动。     

砂土-灰岩地层泥水平衡盾构机泥水舱压力及总推力计算模型

泥水平衡盾构机在上软下硬的砂土-灰岩复合地层中掘进,掘进参数的确定难度较大。在均一地层中,砂土地层中掘进参数的计算包括泥水舱压力和总推力,灰岩层中由于岩体自稳性好,因此只需考虑总推力即可。基于太沙基松弛土压力理论推导均一地层中泥水舱压力和总推力的计算模型,以均一地层的计算模型为基础推导出砂土-灰岩复合地层泥水平衡盾构机泥水舱压力及总推力的计算模型,并结合实际工程验证了模型的正确性。研究成果可为盾构机在复合地层的施工参数确定提供新思路,并为后续类似工程提供参考。     

小曲率半径隧道盾构施工的地表沉降规律分析——以南昌地铁1号线为例

为探究小曲率半径隧道盾构施工引起地表沉降的变化规律，利用Mindlin解建立小曲率半径隧道盾构施工引起地表沉降的解析计算模型，以南昌地铁1号线盾构隧道工程为依托，通过与现场监测和已有Mindlin解析计算模型的对比分析，验证本文所建立沉降预测模型的合理性，并依次从盾构附加推力、盾壳不均匀摩擦力和地层损失对地面变形的影响进行分析。研究结果表明：本文所建立的小曲率半径隧道盾构施工引起的地表沉降解析计算模型可有效应用于实际隧道工程的沉降预测，提高了预测精度；盾构开挖过程中，横断面地表沉降槽呈“V”型，近似正态分布，施工产生的地层损失对地面沉降的影响更大；随着盾构路径两侧推力及摩擦力分布不均程度的增加,地面沉降槽中心偏移情况而增大，地面沉降与地层损失呈非线性相关。研究成果可为类似拟建和在建盾构隧道工程提供理论指导与参考。     

基于太原市地铁建设的土压平衡盾构机应用研究

介绍了盾构机的分类,并立足于太原的地质条件,重点论述了土压平衡盾构机的组成及其工作原理,指出了盾构法隧道施工中应注意事项。     

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。     

利用旋挖机实时钻进参数判定持力层的方法

旋挖钻机作为当前嵌岩桩成孔的一种重要的快捷施工方式,优势显著。其钻进过程中在线监控系统实时监测的随钻参数不仅仅可作为施工操作的主要依据,还可为嵌岩桩持力层的判定提供基础性数据。鉴于施工场地赋存环境的复杂性,钻进中必然导致钻进率、钻杆钻速、给进力、动力头扭矩等随钻参数的时空演化。根据采集的随钻参数数据库及理论分析,建立随钻参数随钻进深度的变化曲线,结果表明单因素变化曲线不能准确识别持力层。在此基础上,进一步提出基于多因素协同控制的持力层判定方法,建立岩体荷载强度模型进行基于随钻参数综合指标的持力层判定。采用该模型分析旋挖钻进过程中持力层岩体的强度和承载力,与地质勘测中的岩体强度测试结果对比,所判定的持力层特征符合实际。由此可见,基于随钻参数的持力层判定方法进行钻进过程中的岩层特性确定及持力层判定是可行的,可用于不同赋存环境下钻进过程中的持力层辨识。     

类矩形盾构下穿施工引起邻近隧道变形研究

基于镜像法和Mindlin解，考虑土体损失、刀盘推力、盾壳摩擦力和注浆压力的影响，推导出类矩形盾构隧道施工在既有隧道轴线处产生的附加应力计算公式，将既有隧道简化为由剪切弹簧连接的弹性地基短梁，结合最小势能原理推导出既有隧道竖向位移计算公式。依据工程实例构建数值计算模型，对比本文计算结果和数值模拟结果，验证本文计算方法的适用性。研究结果表明：本文计算方法的结果与数值模拟结果吻合程度高，验证了本文计算方法的正确性；随着类矩形盾构隧道掘进，邻近隧道的纵向位移、环间剪切量和剪切力不断增大，在盾构机通过邻近隧道轴线20 m后趋于稳定；邻近隧道沉降变形最大处的环间剪切量和剪切力最小，沉降变形曲线反弯点处的环间剪切量和剪切力最大。     

软土浅埋超大直径盾构始发端头加固范围研究

为确定软土地层浅埋超大直径盾构始发端头加固的合理范围，以珠海杧州隧道为工程背景，采用有限元建模分析，研究了端头加固范围对素混凝土墙破除以及盾构始发掘进过程地层变形的影响。基于数值分析结果，以端头中心点水平位移为控制目标，得出横、竖向合理加固厚度约为0.28倍隧道开挖面直径，略大于理论计算值和工程经验值。盾构掘进模拟结果表明，当纵向加固长度超过盾构机长度后，横断面受剪区域未与地表形成“塑性贯通”,端头盾构掘进对地表扰动程度较低；如以地表最大沉降为控制值，软土地层合理加固长度为1.14倍盾构机长度，该结果与理论计算值接近，而略小于工程经验值。     

基于神经模糊推理系统的盾构施工地表沉降预测

盾构隧道施工引起的地表沉降,主要受盾构掘进参数和地层条件的影响,且各参数间关系复杂.已有地表沉降预测方法大都没有直接考虑掘进参数的影响,难以满足盾构快速施工超前预测预报和环境影响控制的需求.自适应神经模糊推理系统(ANFIS)是一种基于神经网络的模糊类智能模型,通过减法聚类数据细分技术自动生成模糊规则,使网络的节点和权值具有明确的物理意义,集成了神经网络数据自适应能力和模糊系统知识表达性能,特别适合于多元非线性系统的预测预报.结合北京地铁14号线东风北桥站至京顺路站区段工程实测数据,选取埋深、洞顶覆土标贯值、土仓压力、推进速度、刀盘转速、扭矩、盾构推力,以及同步注浆量为输入变量,建立了地表最大沉降量预测模型.计算结果表明,该模型计算量小,泛化能力强,计算精度高.研究成果为盾构施工地表沉降预测预报提供了新的技术方案.     

盾构姿态变化对管片影响与控制研究及展望

大量盾构隧道工程实践表明,盾构姿态控制不良导致千斤顶对管片的偏心推力、盾壳对管片的挤压力、盾尾注浆对管片的不均匀压力等施工荷载是引起管片结构发生各种病害的主要原因.为了阐明盾构姿态变化对管片受力的影响及控制技术的应用现状,详细介绍了盾构姿态参数、测量方法及姿态变化过程,重点阐述了盾构姿态引起施工荷载的变化对管片结构影响的研究进展,并归纳施工各阶段盾构姿态的控制和纠偏技术措施,指出了现有研究的不足和尚需讨论的问题.建议研发高精度高智能化的自动导向系统,全面考虑姿态变化过程中的施工荷载,构建精细化管片模型和三维盾构姿态的动态模型,进一步探究姿态参数对盾构姿态的控制效应.