超大直径盾构隧道管片上浮原因与对策分析

超大直径盾构隧道管片的抗浮问题是其普及化的瓶颈.系统总结和分析了管片上浮的原因和机理:包括地质条件、盾构工法特性及施工参数、盾构姿态、覆土厚度、管片接头、施工扰动、注浆工艺和浆液特性等.并就控制超大直径盾构隧道管片上浮提出了具体措施,以期能对超大断面的水底隧道、地铁区间隧道的浅覆土盾构施工起到借鉴作用.     

曲线段大直径盾构掘进引发管片上浮影响

为研究曲线段大直径盾构隧道在上软下硬地层对管片上浮的影响,针对曲线段盾构隧道施工开挖面支护力、管片上浮的施工风险因素进行研究,采用极限平衡法研究开挖面支护力稳定性的影响,对开挖产生的不规则类棱台型土体进行横向竖向受力分析,建立静力平衡方程,求解开挖面处于极限平衡时的极限支护力.进一步研究开挖面支护力、曲线段大直径盾构隧道在上软下硬地层掘进对管片上浮的影响,并且分析影响管片上浮的地质以及盾构掘进姿态等因素,提出相应盾构管片上浮综合控制措施.结果表明:当破裂角φ1=29.0°,φ2=25.5°时,极限支护力T=128.5 k Pa.应合理控制盾构掘进姿态,保证合理的支护力,防止在上软下硬地层大直径盾构盾尾注浆滞后以及浆液硬化滞后,隧道产生偏离曲线掘进轴线的上下摆动,造成管片上浮;对于上浮比较严重的区域,可以采用双液注浆法,阻止管片上浮;对于已经产生管片上浮的区域,可以采取“上压下放”的方式增加隧道的配重或采用抗拔装置施加外力来抵抗地下水上浮量.     

泥质砂岩地层盾构隧道管片连续上浮规律与分析

为了得到施工期盾构隧道管片的连续上浮规律,基于连通器原理设计一套管片竖向位移连续监测装置,依托华东某泥质砂岩地层盾构隧道进行现场实测研究。研究结果表明：管片在脱出盾尾前12 h内呈现出“阶梯状”上浮的规律,即上浮主要发生在盾构掘进期间,而在待机期间管片上浮趋势逐渐减缓,直至停止上浮。最大上浮速率可达0.2 cm/min,主要发生在掘进期间,最大下降速率为0.15 cm/min。管片上浮增量与时间仅呈中等相关或弱相关的关系,而与所处的位置呈强相关或极强相关的关系。掘进期间,上浮增量累计占比为76.9%,是待机期间的3.3倍。     

基于卷积神经网络-长短期记忆的施工期盾构管片上浮过程预测模型

为了实现施工期盾构管片上浮过程的智能预测，采用动力水准仪对施工期盾构管片上浮过程进行自动化监测并建立了基于卷积神经网络?长短期记忆（CNN-LSTM）深度学习算法的管片上浮过程智能预测模型。结果表明：管片上浮阶段呈现出“阶梯状”，即管片上浮主要发生在盾构掘进期间，且掘进状态的上浮量最大，占峰值的75.24 %~98.29 %；CNN-LSTM模型对施工期盾构管片上浮过程具有较好的预测效果，在训练集上的均方误差MSE、平均绝对误差MAE和决定系数R2分别为0.038 7、0.148 2和0.999 3，在测试集上为0.030 7、0.138 9和0.801 9；相较于反向传播（BP）模型，CNN-LSTM模型在训练集与测试集上的性能均有所提升，且测试集的提升更明显，最高可达89.71 %。研究结果可为盾构管片上浮的现场实测及预防处治提供新思路。     

黏土地层盾构管片上浮的力学行为研究

本文对西安地铁黏土地层中盾构隧道管片上浮规律分析总结,依据管片同步注浆凝结过程将盾构隧道在黏土地层中管片上浮分为2个阶段,第1阶段管片上浮主要受浆液浮力和注浆产生力的影响,第2阶段主要受土压力合力影响。通过分析管片受力状态和管片上浮原因,分别找出2阶段管片上浮影响的主要因素。根据受力原因分析及推进经验总结,为黏土地层中盾构隧道管片上浮提出预防控制措施,为盾构隧道在相同地层中处理类似问题提供经验指导。     

软土地区浅埋大直径盾构隧道管片上浮规律及预测： 以上海机场联络线工程为例

为探究软土地区浅埋大直径盾构隧道管片上浮规律及其影响因素,本文依托上海机场联络线浅埋大直径盾构隧道工程案例,基于实测数据分析了盾构姿态变化对管片上浮的影响,揭示了管片上浮量与施工参数之间的相关关系,提出了考虑多因素的管片上浮非线性预测方法。研究结果表明,管片上浮主要可分为脱出盾尾前初始偏差及变形、快速上浮（盾尾5环）、缓慢上浮（盾尾5-15环）和沉降等4个阶段;盾构姿态、管片姿态与超挖是影响管片上浮特性的重要因素;管片上浮量与平均推力、盾构仰角、平均推进速度呈正相关,与上下盾尾间隙差呈负相关,采用多元非线性拟合方式可以综合考虑多因素较好地预测管片上浮量。本文相关研究可为大直径盾构隧道施工过程中上浮预测与控制提供参考。     

软硬不均地层盾构姿态控制及管片防裂损技术

广州地铁二号线越—三盾构区间的地层软硬不均，加之曲线多、坡度变化大，盾构掘进技术难度大，掘进方向与盾构姿态的控制困难，防止管片开裂和局部破损以及错台具有一定的难度。为了有效地控制掘进方向和盾构姿态，研究了盾构掘进方向发生偏差的原因，并对越—三区间盾构掘进的偏差实测数据进行具体分析，得出了偏差的原因和规律；研究了盾构掘进姿态的控制方法。为了防止盾构管片的裂损，采用数值模拟方法研究管片裂损的规律及其主要因素，提出了有效控制管片裂损的主要方法。     

岩溶地层运营期地下水上涨引起管片上浮规律研究

岩溶地层溶隙发育,地下水流通性强,盾构隧道施工过程中浆液易流失,导致隧道运营过程中易出现上浮错台等灾害。为了研究岩溶地层盾构隧道在运营期因地下水位变化造成的管片上浮问题,通过数值模拟和现场监测,分析岩溶地层盾构隧道在运营期因地下水位上涨引起管片上浮的规律。结果表明：注浆层隧顶空洞、隧底注浆不密实和地下水位上涨是影响管片上浮的主要因素,其中隧顶空洞对管片上浮影响最大;管片隧顶注浆流失越严重,上部注浆层对管片的约束越小,地下水位上涨造成的管片上浮越明显;管片隧底注浆不密实导致管片底部和注浆层之间粘结力降低,管片上浮量增加;研究给出了管片上浮量与注浆层空洞、注浆不密实和地下水位的对应关系,可为岩溶地层盾构注浆施工质量控制提供借鉴。     

盾构隧道壁后空洞注浆对管片受力特性的影响

为研究盾构隧道壁后空洞注浆浆液的扩散机理及其对管片受力的影响规律,基于修正达西定律对黏性土中浆液的扩散半径和管片产生的压力计算公式进行了推导,并以西安地铁某区间隧道涌水事故为依托,利用推导的注浆压力公式,采用地层-结构模型得到了管片壁后空洞注浆部位及注浆压力对管片受力的影响规律。结果表明:同一注浆位置,当注浆压力不断降低时,管片的轴力值、弯矩值以及管片上浮呈不断降低的趋势;除了控制截面有稍微旋转之外,设计工况下的管片轴力值、弯矩值与模拟过程中注浆压力为0.3 MPa时的情况相近,注浆压力超过0.9MPa时,结构产生明显的偏压,甚至出现管片裂缝以及结构破损;不同注浆部位施加相同注浆压力时,当注浆位置为隧道顶部和底部时,管片的力学形态发生了较大的变化,特别是弯矩值,增加幅度可达1.5~2倍,隧道侧面注浆使弯矩分布发生一定程度的旋转,甚至反转。     

大直径泥水盾构复合地层速凝浆液的同步注入技术

在大直径泥水盾构施工中,由于大断面隧道所承受的浮力大和泥水对浆液的稀释及通过富水复合地层等不利条件,同步注浆效果大受影响.本文结合正在施工的盾构隧道施工情况进行研究分析,通过对盾构原有注浆设备和管路优化改造,由传统的同步注入单液水泥砂浆改造为同步注入复合浆液,达到了同步注入速凝浆液的目的,并通过在施工中加强过程控制和采取辅助措施,解决了因同步注浆效果差造成的管片上浮及开裂等技术难题,取得了很好的效果.     

富水砂卵石地层中大直径泥水盾构同步注浆技术

通过统计分析盾构掘进相关技术资料,综合考虑富水砂卵石地层中泥水盾构掘进参数、泥浆参数、盾构姿态、地层变形机理等信息,确定泥水盾构在砂卵石地层中掘进时,同步注浆主要技术参数间的经验公式,指导类似工程施工。     

软硬地层下双顶管掘进参数对管片及地层的影响性研究

软硬地层中双顶管掘进参数不当所导致的周围土体变形、姿态偏离、刀盘磨损等问题在实际工程中屡有发生。以南宁平花河顶管为工程背景,通过数值模拟研究软硬地层中不同掘进参数组合对周围地表沉降及管片应力的影响。得到结论如下：开挖面掘进压力对地表变形的影响呈现出非线性特征,地表沉降及其减小的速率随着掘进压力增大而减小;注浆压力与横向地表沉降之间呈现出线性递减的趋势,影响区域约为双隧道中心2倍隧道直径范围内;管片最大Mise应力与盾尾注浆压力、千斤顶推力均呈现线性递增的关系,当注浆压力、管片千斤顶推力分别增加10 kPa,每环管片的最大Mises应力相应分别增加64 kPa、17 kPa;开挖面掘进压力增大时,管片应力呈向着非线性递增的趋势,管片应力变化也相应减小,掘进压力从0kPa变化至20 kPa时的管片应力变化率为40~60 kPa的1/4~1/3     

微膨胀钢管混凝土膨胀性能与极限承载力试验研究

以膨胀剂掺量为参数,对微膨胀钢管混凝土试件进行膨胀性能和极限承载力的试验研究.试验结果表明,混凝土由于膨胀剂的加入,补偿收缩效果明显,能够产生自应力防止脱空现象的发生;同时在钢管的紧箍力下,核心混凝土处于3向受压状态,能与钢管协同工作,从而提高钢管混凝土构件的极限承载力.通过对理论计算值和试验实测值的比较,钢管膨胀混凝土承载力不宜用钢管混凝土承载力公式进行计算,容易造成材料浪费.     

盾构隧道同步注浆浆液压力变化规律研究

基于浆液流体的连续方程和运动方程,建立了浆液刚进入盾尾空隙时的环向压力分布模型;并推导了在距离注浆孔较远距离处的浆液压力梯度与上浮力的关系式。结合实际工程监测数据验证了理论分析的合理性。分析结果表明:盾构机推进时,注浆点附近的浆液环向压力分布主要由注浆孔位置和注浆孔压力及浆液重度决定;停止推进时,浆液在固结效应下压力逐渐消散,竖直方向上压力梯度逐渐减小;随着远离注浆点,浆液的压力梯度逐步减小并趋于稳定,稳定时的压力梯度主要由上浮力的大小决定。     

粗糙度对水平热水浮射流影响特性研究

采用物理实验和数值模拟方法,研究不同粗糙度的矩形断面明渠,横向水平浮射流特性;以期对浮射流和主流的相互作用、浮射流横向扩展规律、粗糙度对二次流强度的影响、粗糙度对浮射流横向扩展距离的影响有深入认识。为了更加充分验证分析的正确性,对动量方程进行简化,得到沿水深方向积分后的解析解;进而详细阐述粗糙度对二次流强度的影响。研究表明,随着粗糙度增加,横向水平浮射流扩展宽度减小;且随着排水口淹没水深减小,粗糙度对热水浮射流横向扩展宽度的影响不断减弱。不同粗糙度对二次流强度影响不同是造成上述现象的主要原因。该成果可用于不同粗糙度河槽的温排水问题的研究中。     

管片衬砌可靠度分析实用方法研究

由于盾构隧道管片衬砌结构形式的特殊性,可靠度分析中仅采用截面承载力极限状态方程作为功能函数不够全面,故文中提出管片可靠度分析应采用双功能函数,即增选管片裂缝宽度控制方程作为第二功能函数.考虑到随机变量的非正态分布和功能函数的高度非线性,常规一次二阶矩法精度较低,提出采用映射变换和二次二阶矩相结合的方法进行管片衬砌可靠度分析.实例表明:双功能函数相互补充,可保证结构的安全可靠,映射变换和二次二阶矩结合分析法清晰简便,能较好地解决功能函数高度非线性、随机变量非正态分布等问题.     

浮升力对水平管内超临界航空煤油传热影响数值研究

对超临界RP-3航空煤油在内径为10 mm、长度为8 000 mm的水平圆管内的流动与传热特性进行了数值模拟研究,重点考察了超临界航空煤油在拟临界区热物性的奇异变化对水平管内传热的影响．通过与实验数据的对比,验证了计算模型的可靠性;根据近壁区流体状态将整个换热过程分成4个阶段,并利用截面中垂线上的密度分布和二次流速度定性分析了二次流沿管轴向的变化规律,以解释壁温异常分布的机理;引入截面相对横向动能对二次流的强度进行描述,讨论了质量流速及热流密度对二次流和壁温分布的影响规律;最后,分析了浮升力影响判别准则在水平管超临界航空煤油对流换热中的适用性．计算结果表明,二次流的演变规律能合理地解释水平管内超临界RP-3航空煤油的非均匀传热机理．     

低溶解氧污泥微膨胀污染物去除性能的研究

为研究低溶解氧微膨胀状态下污染物的去除效果,采用SBR反应器,平均DO质量浓度为047 mg/L,通过好氧/缺氧(A/O)的运行方式,对污染物处理效果进行研究.结果表明,低溶解氧丝状菌污泥微膨胀状态下,出水SS含量很低,COD去除率在80 %以上,氨氮去除率90 %以上,除磷效率在90%之上,出水水质良好,同时可以节约曝气量约467 %.低溶解氧微膨胀状态下,可保证出水处理效果,同时可以节约动力费用.     

盾构近距离上跨既有运营地铁隧道施工控制技术研究

结合郑州地铁3号线顺城街站—东大街站区间盾构上跨运营2号线紫荆山站—东大街站盾构区间项目,对盾构施工过程中的施工控制措施、盾构机控制参数进行了分析,并对既有运营隧道的变形规律进行了实时监测.研究结果表明,通过加强管片配筋,合理调整盾构推进参数(推进速度、土压力、出渣量),同步注浆与二次注浆相结合的方法,能够有效控制运营地铁隧道的变形,保证运营地铁安全.本研究可为相似工程建设提供参考.     

上硬下软地层盾构隧道开挖面极限支护力分析

极限支护力是保证盾构隧道开挖面稳定性的关键参数.但目前鲜有学者研究上硬下软地层中盾构隧道开挖面极限支护力的现状.本文基于极限平衡法和筒仓理论,假设破坏面为折线,建立了适用于该地层的盾构隧道开挖面极限支护力计算模型,并得到其计算公式;进而对该地层模型进行数值模拟.结果表明,与不考虑地层分层的传统方法相比较,本文方法与数值计算结果更为吻合,证明了当开挖面横跨上硬下软地层时考虑分层的必要性.在此基础上,对埋深、上下土层厚度及土体强度指标等参数对极限支护力的影响进行了分析.结果表明:当上下地层土质不同时,考虑分层与否所得的极限支护力差异较大.因此,上硬下软地层不能等同于均质土层,在工程实践中需予以考虑.